【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及仿生结构设计领域，尤其涉及一种基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构。
技术介绍
1、生物结构通常具有独特的力学性能，科研人员常从中获取灵感并设计出高性能的结构。不同的生物结构具有不同的力学性能，根据应用需求借鉴具备相应功能的生物结构，分析其作用机制，仿照其原理进行设计可得到功能相似的结构。例如为了力学结构满足强度与韧性兼备的要求，学者利用坚韧的皇后海螺的交叉层状特性制备了相应的超材料；为了设计高吸能与强抗压兼备的力学结构，学者借鉴了千眼菩提的分层细胞结构的特点。
2、力学超材料泛指一类人工制造的结构，其具有独特的力学性能，展现出优于传统结构的强度、刚度等。其不同的力学性能主要源自于设计的单胞结构以及无数单胞的阵列堆积，故此将单胞称为周期性代表单元。通过对单胞的设计，可以获取诸如“负泊松比”、“高比刚度”等力学特性。这种力学特性主要来自于结构的独特设计，而并不来源于所用的材料的本身属性。
3、高强度的体育运动对人体肌腱以及韧带的影响不容忽视。在我国每年韧带损伤人数高达百万，而手术重建是最主要的治疗手段。目前商业所用的人工肌腱或韧带的力学性能表现并不乐观，现有的方案侧重于制备适用材料，而对本身的多层级结构研究不多。涉及多层级特点的方案通常是编织结构，制造工艺较复杂。
4、人体中胶原纤维在承受拉伸载荷时具有较好的力学性能表现，源于其多层级结构与形态特点。纳观尺度下胶原分子的三螺旋结构、介观尺度下胶原原纤相互交联、细观尺度下胶原纤维的束状集合、网状分布都致使宏观尺度下类似肌腱、韧带等组织
技术实现思路
1、本专利技术针对目前人工肌腱或韧带方案较少且制造复杂问题，为实现拉伸性能良好的结构，借鉴了胶原纤维的形态特征以及网状分布特点，提出了一种不仅能够承受弹性大变形，可灵活调控应力应变曲线的同时提供“j”形应力应变力学响应，并在一定范围内具备负泊松比效应的独特力学性能的仿生网状结构。该种结构隶属力学超材料范围，通过改变细观单胞的几何参数以及二维阵列网的互相组合可实现力学性能的灵活调控。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构，其特征在于，由单胞通过空间阵列而成；
3、所述的单胞结构通过仿胶原纤维组织形状的微结构沿立方晶系的三根结晶轴方向，连接立方晶系相对面的中心点实现；
4、仿胶原纤维组织形状的微结构的卷曲形貌由中心线形状控制，其中心线方程为：
5、
6、其中，h代表卷曲幅值，l代表周期长度；χ代表波纹度；ω代表拐点数。
7、进一步地，所述单胞结构中的仿胶原纤维形状的微结构可视作不同卷曲形貌、粗细的胶原纤维束，三根胶原纤维束在相交贯穿的同时其卷曲形貌与粗细保持相互独立。
8、进一步地，所述仿生网状结构可应用于人工肌腱、韧带等在内的需求良好拉伸性能的设计中。
9、进一步地，所述仿生结构设计方法包括如下：
10、s1、满足立方晶系要求的正六面体，其晶胞常数为l，晶胞常数设定为沿结晶轴方向的仿胶原纤维组织形状的微结构的周期长度；
11、s2、沿立方晶系的结晶轴方向构建三个仿胶原纤维组织形状的微结构相贯的单胞结构；
12、s3、仿胶原纤维组织形状的微结构的卷曲形貌由中心线形状控制，其中心线方程为：
13、
14、其中，h代表卷曲幅值，l代表周期长度；χ代表波纹度；ω代表拐点数；
15、s4、仿胶原纤维组织形状的微结构的横截面为圆截面，其微结构的粗细由圆截面的直径d控制；
16、s5、将三维单胞沿正六面体的三个结晶轴方向进行周期性排列形成尺寸可控的仿生网状结构；
17、4.根据权利要求3所述的基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构，其特征在于，所述步骤s2中的单胞能够首先在平面内进行排列，并设计另一单胞进行相同平面内排列后与前者进行拼接，单胞内用于拼接的微结构要求形貌以及粗细相同，而其余两个微结构不做要求。
18、上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
19、1.与传统结构不同，该结构在一定范围内呈现负泊松比效应，受到轴向拉伸加载时，横向尺寸会变得更为厚实，结构更加稳定。
20、2.通过设计单胞几何参数可直接调控整体力学性能，且单胞平面阵列的组合拼接可直接实现多样性结构建模，设计灵活且简单于目前的编织方案。
21、3.能够承受弹性大变形，实现了非线性应力应变关系，更不易达到损伤极限应力。
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1.一种基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构，其特征在于，由单胞通过空间阵列而成；
2.根据权利要求1所述的基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构，其特征在于，所述单胞结构中的仿胶原纤维形状的微结构可视作不同卷曲形貌、粗细的胶原纤维束，三根胶原纤维束在相交贯穿的同时其卷曲形貌与粗细保持相互独立。
3.根据权利要求1所述的基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构，其特征在于，所述仿生网状结构可应用于人工肌腱、韧带等在内的需求良好拉伸性能的设计中。
4.根据权利要求1所述的基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构，其特征在于，所述仿生结构设计方法包括如下：
5.根据权利要求3所述的基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构，其特征在于，所述步骤S2中的单胞能够首先在平面内进行排列，并设计另一单胞进行相同平面内排列后与前者进行拼接，单胞内用于拼接的微结构要求形貌以及粗细相同，而其余两个微结构不做要求。
【技术特征摘要】
1.一种基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构，其特征在于，由单胞通过空间阵列而成；
2.根据权利要求1所述的基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构，其特征在于，所述单胞结构中的仿胶原纤维形状的微结构可视作不同卷曲形貌、粗细的胶原纤维束，三根胶原纤维束在相交贯穿的同时其卷曲形貌与粗细保持相互独立。
3.根据权利要求1所述的基于胶原纤维组织微形态的仿生网状结构，其特征在于，所述仿生网状结构可应用于人...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘丽，彭光远，陈睿，孙妍，孙瑞然，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：
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