增龄对皮质骨微观尺度断裂增韧机制的影响研究

目的骨的多层级结构赋予其优异的抗断裂强度和韧性。然而,增龄过程中骨层级结构的变化对其微观尺度性能的影响规律仍不清楚。本研究旨在理解年龄的增加改变骨微观结构和断裂力学性能的规律和机制。方法本研究取幼龄、成年和老龄小鼠股骨皮质骨制备直径5μm的微柱样品,并进行压缩测试;利用扫描电镜、透射电镜等分析骨样品微观结构及压缩破坏机制。结果透射电镜结果显示,微柱内存在有序的胶原纤维排列区(即有序区)和紊乱纤维排布区(即无序区)。不同的纤维排布模式对应不同的破坏模式,主要包括剪切破坏和劈裂破坏。剪切破坏时,幼龄组无序区占比较大,剪切面直接穿过无序区;成年组无序区与有序区具有相间排布规律,裂纹集中在有序/无序区交界处。劈裂破坏时,幼龄组有序区呈现一定程度松散,常表现为多点劈裂失效;成年和老龄组有序区则呈现紧凑连续的纤维结构,裂纹沿纤维面扩展。无论剪切破坏还是劈裂破坏,成年骨微柱屈服后行为均表现出较大应变硬化。结论增龄通过改变骨微观结构特征影响骨的破坏模式及增韧机制;成年组在微观尺度始终表现出优异的压缩性能和增韧过程。