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形状记忆材料在骨科的应用研究进展

中华骨科杂志 2024年第15期44卷 1048-1055页

作者：王颖马剑雄柏豪豪马信龙天津市天津医院(天津大学天津医院)骨科研究所天津市骨科生物力学与医学工程重点实验室天津300050

形状记忆材料是一种具有形状记忆效应的智能材料,能够在外界刺激下记忆并恢复其原始形状,制备方法包括合金记忆材料的热处理法和激光烧结法,以及聚合物类和复合材料类形状记忆材料的热塑法。形状记忆材料在骨科领域,如骨折治疗、骨组织... 详细信息

形状记忆材料是一种具有形状记忆效应的智能材料,能够在外界刺激下记忆并恢复其原始形状,制备方法包括合金记忆材料的热处理法和激光烧结法,以及聚合物类和复合材料类形状记忆材料的热塑法。形状记忆材料在骨科领域,如骨折治疗、骨组织工程修复、脊柱矫形及关节置换等方面展现出了巨大的应用价值。形状记忆材料具有优良的生物力学性能,在骨折治疗中提供持续有效的压力、支撑力以及抗扭转力,还具有降低骨折内固定应力遮挡的优势。因环境因素变化对周围骨组织产生的持续应力作用为脊柱畸形矫正提供了持续的矫形力,在关节置换方面提高了假体的耐久性。形状记忆材料具有良好的生物相容性和可诱导细胞增殖的性能,可制作具有自拟合功能的组织工程支架,在精准填充骨缺损部位时向自体骨施加机械力,刺激骨细胞的增殖与分化,引导骨再生,加速骨修复。此外,形状记忆材料可被用于药物传递释放的载体,通过控制温度、应力等环境因素控制药物的释放,实现药物的靶向治疗。形状记忆材料伴随着4D打印技术的发展,在骨科个性化诊疗、个性化定制方面有广阔的应用前景。

关键词：材料科学矫形外科学综述

基于EtherCAT总线的八轴七联动高级海况环境仿真平台

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中国惯性技术学报 2024年第4期32卷 417-424页

作者：安康康孟凡军穆朝絮黄金鑫袁巍天津大学天津300072 北京航空精密机械研究所北京100076

针对水流模拟海况时存在的运动不受控以及常规海况模拟平台模拟海况等级低,运动自由度不足等问题,提出利用八自由度运动平台模拟高级海况环境进行海浪涌动测试的方法。设计了由直线运动平台、旋转机构和6自由度(6-DOF)并联机构组成的串... 详细信息

针对水流模拟海况时存在的运动不受控以及常规海况模拟平台模拟海况等级低,运动自由度不足等问题,提出利用八自由度运动平台模拟高级海况环境进行海浪涌动测试的方法。设计了由直线运动平台、旋转机构和6自由度(6-DOF)并联机构组成的串并联混合八自由度高级海况环境仿真平台,其运动加速度大,自由度多,运动方式多样。基于Ether CAT实时总线技术设计了八轴七联动的运动控制算法,并采用惯量匹配技术抑制抖动和噪声,实现了宽惯量范围的精确、稳定、同步(小于1μs)控制。设计了基于外部信号接收器的实时精密补偿技术和双齿轮消隙技术,提高了速率精度和平稳性,定位精度达到10μm。设计了复合叠加摇摆、文件仿真、复合叠加摇摆与文件仿真叠加运动和实时仿真运动方式,可模拟到五级高海况或将实航数据回灌后模拟水下、水面或机载的运动,用于导航系统的姿态模拟测试。

关键词：串并联混合惯量匹配实时精密补偿高级海况模拟

基于表面粗糙度和反射率多目标优化的6061铝合金超精密车削工艺研究

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表面技术 2024年第12期53卷 193-206页

作者：王光余靳刚李占杰谭辉詹奇云林怀鑫王晓然天津职业技术师范大学机械工程学院天津300222 天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300222 天津航天机电设备研究所天津300301

目的探究工艺参数对6061铝合金滚压件超精密车削性能的影响,对工件超精密车削加工表面粗糙度和表面光学反射率进行协同优化研究。方法首先,对6061铝合金材料表面进行单向超声振动滚压以提高工件表面质量。其次,设计了四因素四水平的超... 详细信息

目的探究工艺参数对6061铝合金滚压件超精密车削性能的影响,对工件超精密车削加工表面粗糙度和表面光学反射率进行协同优化研究。方法首先,对6061铝合金材料表面进行单向超声振动滚压以提高工件表面质量。其次,设计了四因素四水平的超精密车削正交试验,研究了切削工艺参数(主轴转速、进给速度、背吃刀量、刀尖半径)对6061铝合金滚压件表面粗糙度及表面光学反射率的影响规律。最后,采用灰色关联分析方法,将多个工艺目标参数优化问题转化为单目标的灰色关联度优化问题,通过超精密车削试验对优化结果进行验证。结果主轴转速对表面粗糙度Ra和Sa的影响最显著,其次是刀尖半径和背吃刀量,进给速度的影响最小;工艺参数对可见光波段和中红外光波段反射率的影响程度与表面粗糙度一致,各参数按对近红外光波段反射率影响程度由大到小的顺序依次为背吃刀量、刀尖半径、进给速度、主轴转速;通过灰色关联分析获得优化工艺参数组合为主轴转速3000 r/min、进给速度10 mm/min、背吃刀量5μm、刀尖半径0.5 mm,此时对应的表面粗糙度R_(a)和S_(a)分别为2.162 nm和7.855 nm,可见光、近红外光、中红外光波段反射率分别为88.892%、88.893%、97.788%。结论通过优化结果能够有效降低表面粗糙度、提升表面光学反射率,对制造高水平金属反射镜具有十分重要的现实意义和研究价值。

关键词：单点金刚石车削 6061铝合金正交试验表面粗糙度表面光学反射率灰色关联分析

椎体强化术后恢复高度对邻近椎体的影响:一项有限元分析

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中国组织工程研究 2024年第36期28卷 5741-5746页

作者：商鹏崔伦旭马奔原侯光辉宋万振刘艳成河北工业大学机械工程学院天津市300401 天津市天津医院骨科天津市300211

背景:椎体压缩骨折是当前骨科领域中常见的疾病,椎体强化术后邻近椎体发生再骨折是一个不可忽视的问题,这对患者的正常生活产生了严重的影响。目的:旨在利用CT图像,建立不同恢复高度的椎体强化后模型。采用有限元分析的方法得出不同恢... 详细信息

背景:椎体压缩骨折是当前骨科领域中常见的疾病,椎体强化术后邻近椎体发生再骨折是一个不可忽视的问题,这对患者的正常生活产生了严重的影响。目的:旨在利用CT图像,建立不同恢复高度的椎体强化后模型。采用有限元分析的方法得出不同恢复高度下邻近椎体的应力情况,并进一步探讨椎体强化术后伤椎高度恢复的重要性。方法:建立并验证了胸腰椎(T_(11)-L3)有限元模型,并在此基础上构建了4种不同恢复高度(100%,80%,60%,40%)的L1术后有限元模型,其中骨水泥容量随着恢复高度的变化而变化。具体模型如下:Model 1为正常恢复高度的术后模型,骨水泥容量为8.3 mL;Model 2为L1前部高度切除20%,后凸角变为10.41°的术后模型,骨水泥容量为6.9 mL;Model 3为L1前部高度切除40%,后凸角变为20.17°的术后模型,骨水泥容量为4.7 mL;Model 4为L1前部高度切除60%,后凸角变为28.85°的术后模型,骨水泥容量为3.6 mL。对术后模型进行评估时,施加了7Nm的力矩和500N的轴向力,记录并分析L2上终板和T12下终板的峰值应力,以及L2和T12松质骨的峰值应力。结果与结论:①L2上终板、T12下终板、L2松质骨、T12松质骨各工况的最高峰值应力都出现在Model 1和Model 4,特别是T12下终板(除后伸工况外),前屈、左右侧弯和左右旋转工况都在Model 4达到了最高峰值应力,应力分别为50.3,33.1,44.9,34.3,31.9 MPa;②根据邻近椎体终板和松质骨的峰值应力,排除Model 1和Model 4两个模型后,大部分工况的最小峰值应力都是出现在Model 2模型上,且Model 2模型出现最小峰值应力的情况占据了66.6%,尤其是在L2的上终板和松质骨(除后伸工况外),最小峰值应力都是出现在了Mode 2上;③因此将恢复高度控制在原高度的100%和40%左右是比较危险的恢复高度,对邻近椎体的影响较大;将恢复高度控制在原高度的80%左右可能是一个较为理想的选择;恢复高度在原高度的80%左右,邻近椎体所承受的应力较小,从而减小了患者发生邻近椎体再骨折的风险。

关键词：骨质疏松性椎体压缩骨折胸椎腰椎椎体强化椎体恢复高度有限元分析

径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架结构设计与力学性能分析

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中国组织工程研究 2024年第5期28卷 741-746页

作者：张艺海商鹏马奔原侯光辉崔伦旭宋万振齐德瑄刘艳成河北工业大学机械工程学院天津市300401 天津大学天津医院(暨天津市天津医院) 天津市300211

背景:传统骨植入物的弹性模量较大,与人体骨弹性模量不匹配,会引起应力遮挡效应,从而导致骨吸收。径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架具有与人体松质骨匹配的弹性模量,且屈服强度大于人体皮质骨屈服强度,为骨支架设计提供了一种新的选择... 详细信息

背景:传统骨植入物的弹性模量较大,与人体骨弹性模量不匹配,会引起应力遮挡效应,从而导致骨吸收。径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架具有与人体松质骨匹配的弹性模量,且屈服强度大于人体皮质骨屈服强度,为骨支架设计提供了一种新的选择。目的:通过隐式曲面法构建径向梯度三周期极小曲面结构,采用激光选区熔化技术制备样件,进行准静态压缩实验,得到力学性能与人体骨骼匹配的骨小梁支架。方法:通过隐式曲面法,建立G型、Ⅰ型、P型和D型4种径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架;采用激光选区熔化技术制备样件,观测成型样件的表面形貌,评估成型质量,进行准静态压缩实验,评估样件的力学性能。结果与结论:准静态压缩实验结果表明,对比4种径向梯度三周期极小曲面支架,G支架平台应力波动小,没有出现失效断裂,塑性最好;对45%,55%和65%3种孔隙率G支架的力学性能进行分析,发现55%孔隙率G支架的弹性模量在人体松质骨的弹性模量范围内(0.022-3.7 GPa),屈服强度接近人体皮质骨最大屈服强度(187.7-222.3 MPa)。结果显示,55%孔隙率的G型径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架能够降低应力遮挡效应,承受较高人体载荷,提高植入物的稳定性,延长植入物的使用寿命。

关键词：激光选区熔化三周期极小曲面径向梯度骨小梁支架力学性能

基于葫芦[8]脲主客体化学的双客体组分动态交联水凝胶的制备和性能研究

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高分子学报 2024年第1期55卷 79-90页

作者：张鹏亮张莹莹李新桐任家骏邹磊赵琢高偲嘉王亚斐张岩骆莹张拥军天津工业大学材料科学与工程学院天津300387 天津工业大学药学院天津300387 天津工业大学化学学院天津300387 天津市第三中心医院天津市肝胆疾病研究所天津市重症疾病体外生命支持重点实验室天津300170

基于超分子主客体作用的动态交联在构筑用于生物大分子和细胞载体的可注射水凝胶输送材料方面具备很多优势,但单一性质交联点的动态快慢程度固定,无法进行调节,难以实现水凝胶动态可调的性能.本研究利用葫芦[8]脲(CB[8])能够与它的客体... 详细信息

基于超分子主客体作用的动态交联在构筑用于生物大分子和细胞载体的可注射水凝胶输送材料方面具备很多优势,但单一性质交联点的动态快慢程度固定,无法进行调节,难以实现水凝胶动态可调的性能.本研究利用葫芦[8]脲(CB[8])能够与它的客体分子以摩尔比为1/2的比例形成同种三元复合物主客体的相互作用,设计了一种双组分超分子动态交联水凝胶系统.在水凝胶聚合物骨架的侧链上同时引入偶氮苯与苯基吡啶盐2种客体基团,其中偶氮苯客体与CB[8]的结合较弱,呈现较快的动态可逆性质;苯基吡啶盐客体与CB[8]的结合较强,呈现较慢的动态可逆性质.设计不同比例的2种动态交联,得到了系列网络结构相同,但交联点性质动态可调的水凝胶材料.水凝胶性能研究结果显示,得到的材料能够在流变学机械性能、自修复、剪切变稀、应力松弛、大分子药物释放等生物医用关键性质上随客体比例变化而进行调控,具备良好的应用前景.

关键词：葫芦脲水凝胶主客体化学动态交联

基于小波去噪和卷积神经网络的发动机爆震识别

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航空动力学报 2024年第7期39卷 151-160页

作者：胡春明刘铮刘娜宋玺娟杜春媛天津大学内燃机研究所天津300072 天津大学机械工程学院天津300072

在活塞式航空煤油发动机上进行爆震试验研究,首先使用小波去噪对发动机缸压信号进行噪声提取,然后对0°~45°曲轴转角内的噪声信号进行快速傅里叶变换将一维时域噪声信号展开成二维时频域特征图,最后将特征图输入到训练好的卷积神经网络... 详细信息

在活塞式航空煤油发动机上进行爆震试验研究,首先使用小波去噪对发动机缸压信号进行噪声提取,然后对0°~45°曲轴转角内的噪声信号进行快速傅里叶变换将一维时域噪声信号展开成二维时频域特征图,最后将特征图输入到训练好的卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)中进行爆震识别.验证结果表明:轻微和严重爆震都会在10°~30°曲轴转角内产生幅值较大噪声信号,与无爆震循环的时频域特征图有明显区别;在爆震特征提取上小波去噪要优于带通滤波,在爆震特征识别上CNN方法要优于支持向量机(support vector machine,SVM)方法;小波去噪和CNN结合的爆震识别方法对发动机4种不同运行工况的爆震识别准确率都能达到91%以上;小波去噪结合CNN方法对爆震循环的查准率为83.16%,查全率高达98.79%,能够准确地识别出发动机的爆震循环.

关键词：爆震识别活塞式航空煤油发动机小波分析小波去噪深度学习卷积神经网络

镍基高温合金Al-Si涂层1000℃抗高温氧化性能和退化机制研究

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稀有金属材料与工程 2024年第2期53卷 509-519页

作者：马德政范其香王铁钢张超于昊君天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300222 中国科学院金属研究所辽宁沈阳110061 中国船舶集团有限公司七〇三研究所黑龙江哈尔滨150078

为研究Si对简单NiAl涂层抗高温氧化性能的影响规律,改变料浆中Si/(Si+Al)比值(8%、17%和30%,质量分数),制备了3种不同Si含量的改性NiAl涂层。采用XRD、SEM、EPMA等表征方法分析了简单NiAl涂层和3种Si改性NiAl涂层氧化前后的相结构和显... 详细信息

为研究Si对简单NiAl涂层抗高温氧化性能的影响规律,改变料浆中Si/(Si+Al)比值(8%、17%和30%,质量分数),制备了3种不同Si含量的改性NiAl涂层。采用XRD、SEM、EPMA等表征方法分析了简单NiAl涂层和3种Si改性NiAl涂层氧化前后的相结构和显微组织。结果表明:4种铝化物涂层主要相均为δ-Ni_(2)Al_(3)和β-NiAl相。Si以CrSi_(2)、Cr_(5)Si_(3)和Ni_(2)Si硅化物的形式存在于涂层表层。在1000℃氧化500h后,简单NiAl涂层具有最大的氧化增重为1.93mg·cm^(-2),而Si/(Si+Al)比值为8%的Si改性NiAl涂层具有最小的氧化增重。在NiAl涂层中掺杂Si可促进α-Al_(2)O_(3)膜的形成,通过形成硅化物减少难熔金属元素向涂层表面扩散,改善氧化膜表面质量,降低氧化速率。但是掺杂过量的Si会降低涂层表层Al含量,使涂层在氧化后期出现β相不足的问题,无法维持表面Al的选择性氧化。因此,当料浆中Si/(Si+Al)为8%,涂层表面Si含量为9.6%时,具有最高的抗高温氧化性能。

关键词：料浆法 Al-Si涂层高温氧化组织结构

S1PR1在瑞芬太尼诱发切口痛大鼠痛觉过敏中的作用:与背根神经节KCNQ2/3钾通道的关系

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中华麻醉学杂志 2024年第7期44卷 821-825页

作者：殷玲宋振华靳晓迪李清于泳浩王春艳天津医科大学总医院麻醉科、天津市麻醉学研究所天津300052

目的评价鞘氨醇-1-磷酸受体1(S1PR1)在瑞芬太尼诱发切口痛大鼠痛觉过敏中的作用及其与背根神经节KCNQ2/3钾通道的关系。方法取尾静脉置管成功的雄性SD大鼠48只,2~3月龄,体质量260~280 g,采用随机数字表法分为6组(n=8):对照组(C组)、S1PR... 详细信息

目的评价鞘氨醇-1-磷酸受体1(S1PR1)在瑞芬太尼诱发切口痛大鼠痛觉过敏中的作用及其与背根神经节KCNQ2/3钾通道的关系。方法取尾静脉置管成功的雄性SD大鼠48只,2~3月龄,体质量260~280 g,采用随机数字表法分为6组(n=8):对照组(C组)、S1PR1抑制剂组(FTY720)组(F组)、瑞芬太尼组(R组)、瑞芬太尼+S1PR1抑制剂(FTY720)组(RF组)、瑞芬太尼+切口痛组(RI组)和瑞芬太尼+切口痛+S1PR1抑制剂(FTY720)组(RIF组)。C组静脉输注生理盐水0.1 ml·kg^(-1)·min^(-1)60 min;F组在生理盐水注射前10 min鞘内注射FTY7203 nmol,尾静脉输注生理盐水0.1 ml·kg^(-1)·min^(-1)60 min;R组尾静脉输注瑞芬太尼1.0μg·kg^(-1)·min^(-1)60 min;RF组静脉输注瑞芬太尼1.0μg·kg^(-1)·min^(-1)60 min前10 min鞘内注射FTY7203 nmol;RI组建立大鼠切口痛模型,尾静脉输注瑞芬太尼1.0μg·kg^(-1)·min^(-1)60 min;RIF组瑞芬太尼输注前10 min鞘内注射FTY7203 nmol,随后制备大鼠切口痛模型,同时尾静脉输注瑞芬太尼1.0μg·kg^(-1)·min^(-1)60 min。于输注瑞芬太尼或生理盐水前24 h(T0)、停止输注瑞芬太尼或生理盐水后2、6、24和48 h(T1-4)时测定机械缩足反应阈(MWT)和热缩足潜伏期(TWL)。最后一次测定痛阈后处死大鼠,取L4-6节段背根神经节组织,分别采用Western blot法和实时定量PCR法测定背根神经节S1PR1、KCNQ2和KCNQ3及其mRNA的表达。结果与C组比较,R组和RI组T1-4时MWT降低,TWL缩短,背根神经节S1PR1及其mRNA表达上调,KCNQ2和KCNQ3及其mRNA表达下调(P0.05);与R组比较,RI组T1-4时MWT降低,TWL缩短,背根神经节S1PR1及其mRNA表达上调,KCNQ2和KCNQ3及其mRNA表达下调,RF组T1-4时MWT升高,TWL延长,背根神经节S1PR1表达下调,KCNQ2和KCNQ3表达上调(P<0.05);与RI组比较,RIF组T1-4时MWT升高,TWL延长,背根神经节S1PR1及其mRNA表达下调,KCNQ2和KCNQ3及其mRNA表达上调(P<0.05)。结论S1PR1参与了瑞芬太尼诱发切口痛大鼠痛觉过敏形成的过程,与抑制背根神经节KCNQ2/3钾通道表达有关。

关键词：鞘氨醇-1-磷酸受体瑞芬太尼痛觉过敏神经节脊 KCNQ钾通道