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生物醫(yī)用材料力學(xué) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030736864
- 條形碼：9787030736864 ; 978-7-03-073686-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
生物醫(yī)用材料力學(xué) 本書特色
本書內(nèi)容豐富，作者權(quán)威，深入淺出，具有較高的學(xué)術(shù)參考價(jià)值。
生物醫(yī)用材料力學(xué) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書為“生物材料科學(xué)與工程叢書”之一。生物材料與生物活組織的相互作用是材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)等多學(xué)科交叉耦合的研究領(lǐng)域，是當(dāng)代科學(xué)*前沿的科研方向之一，具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，所以本書試圖把科學(xué)內(nèi)容尤其是*前沿的研究成果（包括作者自己的部分成果）與生物材料和生物力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)兼顧，在保證知識(shí)體系全面系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，突出科學(xué)研究的前沿專題，如啄木鳥頭骨材料等材料的仿生力學(xué)，可降解生物醫(yī)用材料的力學(xué)，植介入材料與宿主組織、細(xì)胞的相互作用等研究。
生物醫(yī)用材料力學(xué) 目錄
目錄
總序
前言
第1章 緒論 1
1.1 生物醫(yī)用材料概述 1
1.2 生物醫(yī)用材料力學(xué)概述 2
1.3 生物醫(yī)用材料力學(xué)的研究?jī)?nèi)容 4
1.4 本書的主要內(nèi)容 8
參考文獻(xiàn) 9
第2章 應(yīng)力與應(yīng)變理論 10
2.1 連續(xù)介質(zhì)模型 10
2.2 張量 11
2.2.1 指標(biāo)記法 11
2.2.2 矢量 13
2.2.3 二階張量 13
2.2.4 二階實(shí)對(duì)稱張量的特征值與特征矢量 16
2.2.5 張量場(chǎng) 17
2.3 應(yīng)力與主應(yīng)力 20
2.3.1 應(yīng)力張量 20
2.3.2 主應(yīng)力與主軸 22
2.3.3 應(yīng)力張量的邊界條件 24
2.4 應(yīng)變與主應(yīng)變 26
2.4.1 形變 26
2.4.2 應(yīng)變張量 27
2.4.3 主應(yīng)變 29
2.4.4 速度場(chǎng)與應(yīng)變率 30
2.5 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本方程 31
2.5.1 質(zhì)量守恒方程 32
2.5.2 運(yùn)動(dòng)方程—線性動(dòng)量原理 33
2.5.3 能量守恒方程 34
2.5.4 熱力-機(jī)械介質(zhì)力學(xué)的完備方程組 36
參考文獻(xiàn) 38
第3章 生物材料的力學(xué)性能描述 39
3.1 材料的力學(xué)性能 39
3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 41
3.2.1 脆性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 41
3.2.2 塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 42
3.3 彈性與剛度 44
3.3.1 Hooke定律 44
3.3.2 彈性模量 46
3.3.3 剛度 48
3.3.4 彈性應(yīng)變能密度 49
3.4 塑性、強(qiáng)度與斷裂 49
3.4.1 強(qiáng)度指標(biāo) 50
3.4.2 強(qiáng)度理論 51
3.4.3 塑性指標(biāo) 53
3.4.4 斷裂 53
3.5 韌性 54
3.6 黏性 55
3.7 黏彈性 56
3.7.1 黏彈性特征 57
3.7.2 線性黏彈性的經(jīng)典力學(xué)模型 57
3.8 硬度 60
3.9 疲勞 62
3.10 磨損 64
3.10.1 黏著磨損 64
3.10.2 磨粒磨損 65
3.10.3 疲勞磨損 65
3.10.4 腐蝕磨損 66
3.10.5 沖蝕磨損 66
3.10.6 微動(dòng)磨損 67
參考文獻(xiàn) 67
第4章 生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù) 69
4.1 生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì) 69
4.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與意義 70
4.1.2 文獻(xiàn)調(diào)研與分析 70
4.1.3 科學(xué)假說和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo) 71
4.1.4 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 71
4.1.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 72
4.1.6 預(yù)實(shí)驗(yàn) 75
4.1.7 數(shù)據(jù)的記錄與處理 76
4.2 生物材料拉伸實(shí)驗(yàn) 76
4.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?6
4.2.2 實(shí)驗(yàn)器材 77
4.2.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法 77
4.2.4 拉伸材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程 80
4.3 生物材料壓縮實(shí)驗(yàn) 81
4.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1
4.3.2 實(shí)驗(yàn)器材 82
4.3.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法 82
4.4 生物材料彎曲實(shí)驗(yàn) 84
4.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?4
4.4.2 實(shí)驗(yàn)器材 84
4.4.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法 84
4.5 生物材料疲勞實(shí)驗(yàn) 86
4.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?7
4.5.2 實(shí)驗(yàn)器材 87
4.5.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法 87
4.5.4 動(dòng)態(tài)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程 90
4.6 生物材料沖擊實(shí)驗(yàn) 91
4.6.1 Hopkinson壓桿測(cè)試系統(tǒng) 91
4.6.2 自由落體沖擊系統(tǒng) 94
4.6.3 擺錘測(cè)試系統(tǒng) 95
4.7 生物材料硬度實(shí)驗(yàn) 96
4.7.1 洛氏硬度測(cè)試 96
4.7.2 布氏硬度測(cè)試 98
4.7.3 維氏硬度測(cè)試 100
4.7.4 顯微硬度測(cè)試 101
4.8 生物材料納米壓痕實(shí)驗(yàn) 105
4.8.1 概述 105
4.8.2 基本原理和方法 106
4.8.3 問題與改進(jìn) 109
4.8.4 納米壓痕測(cè)試操作步驟 111
4.9 生物材料磨損實(shí)驗(yàn) 115
4.9.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?15
4.9.2 實(shí)驗(yàn)方法 116
4.9.3 實(shí)驗(yàn)器材 117
4.9.4 磨損評(píng)估指標(biāo) 117
4.9.5 磨損實(shí)驗(yàn)舉例：人工膝關(guān)節(jié)假體磨損檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 118
參考文獻(xiàn) 122
第5章 生物材料力學(xué)的數(shù)值仿真 126
5.1 生物材料力學(xué)建模 126
5.1.1 影像采集 127
5.1.2 幾何建模 128
5.1.3 網(wǎng)格劃分 128
5.1.4 加載與求解方法 129
5.1.5 結(jié)果后處理 132
5.1.6 生物材料力學(xué)建模和生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)比 133
5.2 有限元分析技術(shù) 134
5.2.1 簡(jiǎn)介 134
5.2.2 計(jì)算力學(xué)的基礎(chǔ) 135
5.2.3 有限元分析求解步驟 137
5.2.4 特點(diǎn) 138
5.2.5 分支 139
5.2.6 常用軟件 141
5.2.7 發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域 142
5.3 數(shù)值仿真舉例1：頭頸部沖擊動(dòng)力學(xué)分析 143
5.3.1 頭頸部幾何模型的建立 143
5.3.2 頭頸部多剛體動(dòng)力學(xué)模型 144
5.3.3 頭頸部有限元模型 151
5.3.4 頭頸部沖擊仿真分析 156
5.4 數(shù)值仿真舉例2：足踝部有限元仿真與驗(yàn)證分析 159
5.4.1 運(yùn)用MIMICS對(duì)足踝部進(jìn)行三維重建 159
5.4.2 足踝部實(shí)體模型構(gòu)建 162
5.4.3 足踝部有限元模型構(gòu)建及仿真分析 164
5.5 數(shù)值仿真舉例3：人工膝關(guān)節(jié)磨損的模擬 168
5.5.1 人工膝關(guān)節(jié)聚乙烯襯墊的磨損 168
5.5.2 人工膝關(guān)節(jié)襯墊磨損模擬的算法研究 169
5.5.3 上樓梯對(duì)人工膝關(guān)節(jié)假體磨損影響的有限元研究 172
參考文獻(xiàn) 176
第6章 活組織材料的力學(xué) 182
6.1 生物活組織材料的力學(xué)特點(diǎn) 182
6.1.1 生物活性 183
6.1.2 個(gè)體差異性 183
6.1.3 非線性 184
6.1.4 非均勻性 184
6.1.5 各向異性 185
6.1.6 非定常性 185
6.1.7 耦合 186
6.2 骨組織材料的力學(xué) 187
6.2.1 哈佛氏系統(tǒng)的力學(xué)性能 190
6.2.2 皮質(zhì)骨的力學(xué)性能 191
6.2.3 松質(zhì)骨的力學(xué)性能 199
6.2.4 骨的塑建與重建 200
6.3 關(guān)節(jié)軟骨組織材料的力學(xué) 209
6.3.1 關(guān)節(jié)軟骨的組成與結(jié)構(gòu) 210
6.3.2 關(guān)節(jié)軟骨的黏彈性 212
6.3.3 關(guān)節(jié)軟骨的滲透性 215
6.3.4 關(guān)節(jié)軟骨的摩擦與潤(rùn)滑 216
6.4 肌肉組織材料的力學(xué) 216
6.4.1 顫搐和強(qiáng)直 217
6.4.2 骨骼肌收縮機(jī)制 218
6.4.3 影響骨骼肌力量的因素 219
6.4.4 Hill三元素模型 223
6.5 韌帶組織材料的力學(xué) 224
6.5.1 韌帶的黏彈性 224
6.5.2 影響韌帶力學(xué)性質(zhì)的因素 225
參考文獻(xiàn) 226
第7章 生物醫(yī)用材料的力學(xué) 229
7.1 生物醫(yī)用金屬材料的力學(xué) 229
7.1.1 生物醫(yī)用金屬材料概述 229
7.1.2 生物醫(yī)用金屬材料的力學(xué)性能 230
7.1.3 生物醫(yī)用金屬材料的疲勞性能 235
7.1.4 生物醫(yī)用金屬材料腐蝕中的力學(xué)問題 238
7.1.5 其他材料 242
7.1.6 小結(jié) 242
7.2 生物醫(yī)用高分子材料的力學(xué) 242
7.2.1 生物醫(yī)用高分子材料概述 242
7.2.2 生物醫(yī)用高分子材料的力學(xué)性能 248
7.2.3 生物醫(yī)用高分子材料降解中的力學(xué)問題 264
7.2.4 小結(jié) 277
7.3 生物陶瓷材料的力學(xué) 277
7.3.1 生物陶瓷材料概述 277
7.3.2 生物陶瓷材料的力學(xué)性能 280
7.3.3 小結(jié) 288
7.4 生物納米材料的力學(xué) 289
7.4.1 生物納米材料概述 289
7.4.2 生物納米材料的力學(xué)性能 290
7.4.3 生物納米材料力學(xué)性能的影響因素 295
7.4.4 納米材料的力學(xué)對(duì)生物學(xué)性能的影響 308
7.4.5 小結(jié) 312
參考文獻(xiàn) 313
第8章 材料仿生力學(xué) 322
8.1 仿生學(xué)與仿生材料 322
8.1.1 仿生學(xué) 322
8.1.2 仿生材料 323
8.2 啄木鳥頭骨材料的力學(xué) 325
8.2.1 啄木鳥的頭骨結(jié)構(gòu) 326
8.2.2 啄木鳥頭骨材料的成分分析 330
8.2.3 啄木鳥頭骨材料的力學(xué)特性 332
8.2.4 啄木鳥頭部抗沖擊機(jī)制及應(yīng)用 333
8.3 堅(jiān)果殼材料的力學(xué) 334
8.3.1 堅(jiān)果殼的整體力學(xué)性能及其影響因素 334
8.3.2 堅(jiān)果殼材料力學(xué)性質(zhì)的研究 336
8.3.3 堅(jiān)果殼的增強(qiáng)增韌機(jī)制 339
8.4 壁虎足部材料的力學(xué) 343
8.4.1 壁虎足部結(jié)構(gòu)及單根剛毛黏附力 343
8.4.2 耦合剛毛力學(xué)、足部形態(tài)功能及爬行動(dòng)力學(xué)的研究 345
8.4.3 壁虎足部黏附的機(jī)制 346
8.4.4 壁虎足部黏附機(jī)制的應(yīng)用 348
參考文獻(xiàn) 349
第9章 細(xì)胞、組織與材料相互作用的生物力學(xué) 354
9.1 細(xì)胞的力學(xué)行為 355
9.1.1 細(xì)胞在材料中的黏附與鋪展 355
9.1.2 細(xì)胞在材料中的遷移 357
9.1.3 細(xì)胞骨架重構(gòu)響應(yīng)細(xì)胞在材料中的力學(xué)行為 359
9.1.4 細(xì)胞核在細(xì)胞材料力學(xué)行為中的作用 361
9.2 組織工程材料的力學(xué)特性 363
9.2.1 組織工程材料的基本力學(xué)性能 363
9.2.2 組織工程材料的剛度 365
9.2.3 組織工程材料的黏彈性 367
9.2.4 組織工程材料的結(jié)構(gòu) 368
9.2.5 組織工程材料改性中的力學(xué) 372
9.2.6 小結(jié) 375
9.3 生物材料力學(xué)對(duì)細(xì)胞的影響及機(jī)理 375
9.3.1 基底剛度對(duì)細(xì)胞增殖、遷移、黏附和分化的調(diào)控 376
9.3.2 基底黏性/黏彈性對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)控 378
9.3.3 材料表面微拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞行為的影響 379
9.3.4 細(xì)胞外基質(zhì)蛋白/整合素在材料與細(xì)胞相互影響中的橋梁作用 383
9.4 生物材料與宿主組織相互作用的力學(xué) 386
9.4.1 不同組織力學(xué)環(huán)境對(duì)生物材料力學(xué)性能的需求 386
9.4.2 生物力學(xué)環(huán)境對(duì)材料降解的作用 388
9.4.3 材料自身的力學(xué)特性對(duì)組織再生的作用 390
9.4.4 感染與炎癥中的力學(xué) 391
9.5 細(xì)胞對(duì)材料力學(xué)性能的影響 399
9.5.1 細(xì)胞外基質(zhì)的分泌影響材料的力學(xué)性能 400
9.5.2 細(xì)胞對(duì)材料產(chǎn)生的牽引力 400
參考文獻(xiàn) 402
總序
前言
第1章 緒論 1
1.1 生物醫(yī)用材料概述 1
1.2 生物醫(yī)用材料力學(xué)概述 2
1.3 生物醫(yī)用材料力學(xué)的研究?jī)?nèi)容 4
1.4 本書的主要內(nèi)容 8
參考文獻(xiàn) 9
第2章 應(yīng)力與應(yīng)變理論 10
2.1 連續(xù)介質(zhì)模型 10
2.2 張量 11
2.2.1 指標(biāo)記法 11
2.2.2 矢量 13
2.2.3 二階張量 13
2.2.4 二階實(shí)對(duì)稱張量的特征值與特征矢量 16
2.2.5 張量場(chǎng) 17
2.3 應(yīng)力與主應(yīng)力 20
2.3.1 應(yīng)力張量 20
2.3.2 主應(yīng)力與主軸 22
2.3.3 應(yīng)力張量的邊界條件 24
2.4 應(yīng)變與主應(yīng)變 26
2.4.1 形變 26
2.4.2 應(yīng)變張量 27
2.4.3 主應(yīng)變 29
2.4.4 速度場(chǎng)與應(yīng)變率 30
2.5 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本方程 31
2.5.1 質(zhì)量守恒方程 32
2.5.2 運(yùn)動(dòng)方程—線性動(dòng)量原理 33
2.5.3 能量守恒方程 34
2.5.4 熱力-機(jī)械介質(zhì)力學(xué)的完備方程組 36
參考文獻(xiàn) 38
第3章 生物材料的力學(xué)性能描述 39
3.1 材料的力學(xué)性能 39
3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 41
3.2.1 脆性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 41
3.2.2 塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 42
3.3 彈性與剛度 44
3.3.1 Hooke定律 44
3.3.2 彈性模量 46
3.3.3 剛度 48
3.3.4 彈性應(yīng)變能密度 49
3.4 塑性、強(qiáng)度與斷裂 49
3.4.1 強(qiáng)度指標(biāo) 50
3.4.2 強(qiáng)度理論 51
3.4.3 塑性指標(biāo) 53
3.4.4 斷裂 53
3.5 韌性 54
3.6 黏性 55
3.7 黏彈性 56
3.7.1 黏彈性特征 57
3.7.2 線性黏彈性的經(jīng)典力學(xué)模型 57
3.8 硬度 60
3.9 疲勞 62
3.10 磨損 64
3.10.1 黏著磨損 64
3.10.2 磨粒磨損 65
3.10.3 疲勞磨損 65
3.10.4 腐蝕磨損 66
3.10.5 沖蝕磨損 66
3.10.6 微動(dòng)磨損 67
參考文獻(xiàn) 67
第4章 生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù) 69
4.1 生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì) 69
4.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與意義 70
4.1.2 文獻(xiàn)調(diào)研與分析 70
4.1.3 科學(xué)假說和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo) 71
4.1.4 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 71
4.1.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 72
4.1.6 預(yù)實(shí)驗(yàn) 75
4.1.7 數(shù)據(jù)的記錄與處理 76
4.2 生物材料拉伸實(shí)驗(yàn) 76
4.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?6
4.2.2 實(shí)驗(yàn)器材 77
4.2.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法 77
4.2.4 拉伸材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程 80
4.3 生物材料壓縮實(shí)驗(yàn) 81
4.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1
4.3.2 實(shí)驗(yàn)器材 82
4.3.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法 82
4.4 生物材料彎曲實(shí)驗(yàn) 84
4.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?4
4.4.2 實(shí)驗(yàn)器材 84
4.4.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法 84
4.5 生物材料疲勞實(shí)驗(yàn) 86
4.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?7
4.5.2 實(shí)驗(yàn)器材 87
4.5.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法 87
4.5.4 動(dòng)態(tài)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程 90
4.6 生物材料沖擊實(shí)驗(yàn) 91
4.6.1 Hopkinson壓桿測(cè)試系統(tǒng) 91
4.6.2 自由落體沖擊系統(tǒng) 94
4.6.3 擺錘測(cè)試系統(tǒng) 95
4.7 生物材料硬度實(shí)驗(yàn) 96
4.7.1 洛氏硬度測(cè)試 96
4.7.2 布氏硬度測(cè)試 98
4.7.3 維氏硬度測(cè)試 100
4.7.4 顯微硬度測(cè)試 101
4.8 生物材料納米壓痕實(shí)驗(yàn) 105
4.8.1 概述 105
4.8.2 基本原理和方法 106
4.8.3 問題與改進(jìn) 109
4.8.4 納米壓痕測(cè)試操作步驟 111
4.9 生物材料磨損實(shí)驗(yàn) 115
4.9.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?15
4.9.2 實(shí)驗(yàn)方法 116
4.9.3 實(shí)驗(yàn)器材 117
4.9.4 磨損評(píng)估指標(biāo) 117
4.9.5 磨損實(shí)驗(yàn)舉例：人工膝關(guān)節(jié)假體磨損檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 118
參考文獻(xiàn) 122
第5章 生物材料力學(xué)的數(shù)值仿真 126
5.1 生物材料力學(xué)建模 126
5.1.1 影像采集 127
5.1.2 幾何建模 128
5.1.3 網(wǎng)格劃分 128
5.1.4 加載與求解方法 129
5.1.5 結(jié)果后處理 132
5.1.6 生物材料力學(xué)建模和生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)比 133
5.2 有限元分析技術(shù) 134
5.2.1 簡(jiǎn)介 134
5.2.2 計(jì)算力學(xué)的基礎(chǔ) 135
5.2.3 有限元分析求解步驟 137
5.2.4 特點(diǎn) 138
5.2.5 分支 139
5.2.6 常用軟件 141
5.2.7 發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域 142
5.3 數(shù)值仿真舉例1：頭頸部沖擊動(dòng)力學(xué)分析 143
5.3.1 頭頸部幾何模型的建立 143
5.3.2 頭頸部多剛體動(dòng)力學(xué)模型 144
5.3.3 頭頸部有限元模型 151
5.3.4 頭頸部沖擊仿真分析 156
5.4 數(shù)值仿真舉例2：足踝部有限元仿真與驗(yàn)證分析 159
5.4.1 運(yùn)用MIMICS對(duì)足踝部進(jìn)行三維重建 159
5.4.2 足踝部實(shí)體模型構(gòu)建 162
5.4.3 足踝部有限元模型構(gòu)建及仿真分析 164
5.5 數(shù)值仿真舉例3：人工膝關(guān)節(jié)磨損的模擬 168
5.5.1 人工膝關(guān)節(jié)聚乙烯襯墊的磨損 168
5.5.2 人工膝關(guān)節(jié)襯墊磨損模擬的算法研究 169
5.5.3 上樓梯對(duì)人工膝關(guān)節(jié)假體磨損影響的有限元研究 172
參考文獻(xiàn) 176
第6章 活組織材料的力學(xué) 182
6.1 生物活組織材料的力學(xué)特點(diǎn) 182
6.1.1 生物活性 183
6.1.2 個(gè)體差異性 183
6.1.3 非線性 184
6.1.4 非均勻性 184
6.1.5 各向異性 185
6.1.6 非定常性 185
6.1.7 耦合 186
6.2 骨組織材料的力學(xué) 187
6.2.1 哈佛氏系統(tǒng)的力學(xué)性能 190
6.2.2 皮質(zhì)骨的力學(xué)性能 191
6.2.3 松質(zhì)骨的力學(xué)性能 199
6.2.4 骨的塑建與重建 200
6.3 關(guān)節(jié)軟骨組織材料的力學(xué) 209
6.3.1 關(guān)節(jié)軟骨的組成與結(jié)構(gòu) 210
6.3.2 關(guān)節(jié)軟骨的黏彈性 212
6.3.3 關(guān)節(jié)軟骨的滲透性 215
6.3.4 關(guān)節(jié)軟骨的摩擦與潤(rùn)滑 216
6.4 肌肉組織材料的力學(xué) 216
6.4.1 顫搐和強(qiáng)直 217
6.4.2 骨骼肌收縮機(jī)制 218
6.4.3 影響骨骼肌力量的因素 219
6.4.4 Hill三元素模型 223
6.5 韌帶組織材料的力學(xué) 224
6.5.1 韌帶的黏彈性 224
6.5.2 影響韌帶力學(xué)性質(zhì)的因素 225
參考文獻(xiàn) 226
第7章 生物醫(yī)用材料的力學(xué) 229
7.1 生物醫(yī)用金屬材料的力學(xué) 229
7.1.1 生物醫(yī)用金屬材料概述 229
7.1.2 生物醫(yī)用金屬材料的力學(xué)性能 230
7.1.3 生物醫(yī)用金屬材料的疲勞性能 235
7.1.4 生物醫(yī)用金屬材料腐蝕中的力學(xué)問題 238
7.1.5 其他材料 242
7.1.6 小結(jié) 242
7.2 生物醫(yī)用高分子材料的力學(xué) 242
7.2.1 生物醫(yī)用高分子材料概述 242
7.2.2 生物醫(yī)用高分子材料的力學(xué)性能 248
7.2.3 生物醫(yī)用高分子材料降解中的力學(xué)問題 264
7.2.4 小結(jié) 277
7.3 生物陶瓷材料的力學(xué) 277
7.3.1 生物陶瓷材料概述 277
7.3.2 生物陶瓷材料的力學(xué)性能 280
7.3.3 小結(jié) 288
7.4 生物納米材料的力學(xué) 289
7.4.1 生物納米材料概述 289
7.4.2 生物納米材料的力學(xué)性能 290
7.4.3 生物納米材料力學(xué)性能的影響因素 295
7.4.4 納米材料的力學(xué)對(duì)生物學(xué)性能的影響 308
7.4.5 小結(jié) 312
參考文獻(xiàn) 313
第8章 材料仿生力學(xué) 322
8.1 仿生學(xué)與仿生材料 322
8.1.1 仿生學(xué) 322
8.1.2 仿生材料 323
8.2 啄木鳥頭骨材料的力學(xué) 325
8.2.1 啄木鳥的頭骨結(jié)構(gòu) 326
8.2.2 啄木鳥頭骨材料的成分分析 330
8.2.3 啄木鳥頭骨材料的力學(xué)特性 332
8.2.4 啄木鳥頭部抗沖擊機(jī)制及應(yīng)用 333
8.3 堅(jiān)果殼材料的力學(xué) 334
8.3.1 堅(jiān)果殼的整體力學(xué)性能及其影響因素 334
8.3.2 堅(jiān)果殼材料力學(xué)性質(zhì)的研究 336
8.3.3 堅(jiān)果殼的增強(qiáng)增韌機(jī)制 339
8.4 壁虎足部材料的力學(xué) 343
8.4.1 壁虎足部結(jié)構(gòu)及單根剛毛黏附力 343
8.4.2 耦合剛毛力學(xué)、足部形態(tài)功能及爬行動(dòng)力學(xué)的研究 345
8.4.3 壁虎足部黏附的機(jī)制 346
8.4.4 壁虎足部黏附機(jī)制的應(yīng)用 348
參考文獻(xiàn) 349
第9章 細(xì)胞、組織與材料相互作用的生物力學(xué) 354
9.1 細(xì)胞的力學(xué)行為 355
9.1.1 細(xì)胞在材料中的黏附與鋪展 355
9.1.2 細(xì)胞在材料中的遷移 357
9.1.3 細(xì)胞骨架重構(gòu)響應(yīng)細(xì)胞在材料中的力學(xué)行為 359
9.1.4 細(xì)胞核在細(xì)胞材料力學(xué)行為中的作用 361
9.2 組織工程材料的力學(xué)特性 363
9.2.1 組織工程材料的基本力學(xué)性能 363
9.2.2 組織工程材料的剛度 365
9.2.3 組織工程材料的黏彈性 367
9.2.4 組織工程材料的結(jié)構(gòu) 368
9.2.5 組織工程材料改性中的力學(xué) 372
9.2.6 小結(jié) 375
9.3 生物材料力學(xué)對(duì)細(xì)胞的影響及機(jī)理 375
9.3.1 基底剛度對(duì)細(xì)胞增殖、遷移、黏附和分化的調(diào)控 376
9.3.2 基底黏性/黏彈性對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)控 378
9.3.3 材料表面微拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞行為的影響 379
9.3.4 細(xì)胞外基質(zhì)蛋白/整合素在材料與細(xì)胞相互影響中的橋梁作用 383
9.4 生物材料與宿主組織相互作用的力學(xué) 386
9.4.1 不同組織力學(xué)環(huán)境對(duì)生物材料力學(xué)性能的需求 386
9.4.2 生物力學(xué)環(huán)境對(duì)材料降解的作用 388
9.4.3 材料自身的力學(xué)特性對(duì)組織再生的作用 390
9.4.4 感染與炎癥中的力學(xué) 391
9.5 細(xì)胞對(duì)材料力學(xué)性能的影響 399
9.5.1 細(xì)胞外基質(zhì)的分泌影響材料的力學(xué)性能 400
9.5.2 細(xì)胞對(duì)材料產(chǎn)生的牽引力 400
參考文獻(xiàn) 402
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生物醫(yī)用材料力學(xué) 節(jié)選
第1章緒論 生物醫(yī)用材料力學(xué)性能的定量描述與檢測(cè)分析、影響因素的研究與調(diào)控、宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，醫(yī)用植介入材料與生物體細(xì)胞、組織的相互作用等的研究，不僅是生物材料學(xué)的重要研究領(lǐng)域，也是醫(yī)療器械在臨床正確、安全使用的必要保障。 本章簡(jiǎn)要介紹生物醫(yī)用材料及其力學(xué)的基本概念，生物醫(yī)用材料力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，以及本書的主要內(nèi)容。 1.1生物醫(yī)用材料概述 生物醫(yī)用材料是通過接觸或植介入等方式與生物體發(fā)生相互作用，從而對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的材料，常常又被稱為生物材料[1-4]。生物材料學(xué)是研究生物材料及其與生物環(huán)境相互作用的科學(xué)，包括材料力學(xué)性能或植介入體表面改性等與材料科學(xué)相關(guān)的研究，以及免疫、毒理和創(chuàng)傷修復(fù)等過程的生物學(xué)研究[5]。 生物醫(yī)用材料的應(yīng)用可追溯到幾千年以前。人類在與各種疾病抗?fàn)幍倪^程中，生物醫(yī)用材料逐漸成為*有效的工具之一[4]。例如，公元前約3500年古埃及人就利用棉花纖維、馬鬃作為縫合線來縫合傷口，這些棉花纖維、馬鬃可被稱為原始的生物醫(yī)用材料。人們發(fā)現(xiàn)公元前2500年中國(guó)、埃及的墓葬中就有假牙、假鼻、假耳。但生物材料學(xué)作為一門較新的學(xué)科是在第二次世界大戰(zhàn)之后，隨著合成材料的廣泛應(yīng)用才得到迅速發(fā)展[1]。例如，人工髖關(guān)節(jié)（金屬材料和高分子材料）、腎透析儀（纖維素：天然高分子衍生物）等醫(yī)療器械在臨床應(yīng)用中的成功，極大地推動(dòng)了生物材料學(xué)的發(fā)展。 生物醫(yī)用材料本身不是藥物，其治療途徑是以與生物機(jī)體相互作用為基本特征，因此，生物醫(yī)用材料研究的*終目的是研發(fā)可以與人體接觸或能植介入人體的材料，并進(jìn)一步開發(fā)能有效用于臨床的醫(yī)療器械和人工器官等。隨著生物技術(shù)、臨床醫(yī)學(xué)和醫(yī)療器械等行業(yè)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用材料已成為各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。當(dāng)今，生物醫(yī)用材料占據(jù)了醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)非常大的市場(chǎng)，2022年生物醫(yī)用材料的市場(chǎng)規(guī)模超過3000億美元。*常見的以生物醫(yī)用材料為主體成分的醫(yī)療器械有人工心臟瓣膜、冠脈支架、人工血管、人工關(guān)節(jié)、心肺機(jī)和血液透析儀等[5]。 生物醫(yī)用材料按不同的方法可分為不同的種類[5， 6]。生物醫(yī)用材料按用途可分為骨骼-肌肉系統(tǒng)修復(fù)材料、軟組織醫(yī)用材料、心血管系統(tǒng)醫(yī)用材料、醫(yī)用膜材料、組織黏合劑和縫線材料、藥物釋放載體材料、生物傳感器材料等[5]。生物醫(yī)用材料按材料在生理環(huán)境中的生物化學(xué)反應(yīng)水平可分為生物惰性材料、生物活性材料、可降解和吸收生物材料等。生物醫(yī)用材料按材料的組成和性質(zhì)可分為生物醫(yī)用金屬材料（如不銹鋼、鈷鉻合金、鈦合金等）、生物醫(yī)用無機(jī)非金屬材料（如碳基材料、氧化鋯、生物活性陶瓷等）、生物醫(yī)用高分子材料（如聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸等）、生物衍生材料或稱生物再生材料（如經(jīng)過特殊處理的天然生物組織—膠原、絲蛋白、纖維素、殼聚糖等）、生物醫(yī)用復(fù)合材料。 生物醫(yī)用材料主要用在人體等生命系統(tǒng)中，對(duì)其在生物體內(nèi)的安全性、有效性和可靠性等要求嚴(yán)苛。一般生物醫(yī)用材料必須具有如下特性：①生物相容性。生物醫(yī)用材料和活體之間相互作用時(shí)，具有血液相容性和組織相容性，材料在生物體內(nèi)要求無不良反應(yīng)[7]，如不引起凝血、溶血、毒性、癌變等。②化學(xué)穩(wěn)定性。材料在體內(nèi)要能夠長(zhǎng)期使用，必須在發(fā)揮其醫(yī)療功能的同時(shí)滿足相應(yīng)的化學(xué)穩(wěn)定性要求，如耐腐蝕性、抗老化性等。③力學(xué)和物理性能。將材料加工制作成醫(yī)療器械并在生物體內(nèi)發(fā)揮作用（恢復(fù)或代替生物組織器官的功能等），所用材料必須具有合適的物理和力學(xué)性能，如導(dǎo)熱導(dǎo)電性、強(qiáng)度、剛度、韌性、疲勞性能、耐磨性等，以滿足傳熱、電信號(hào)傳導(dǎo)、抗變形、抗沖擊、抗疲勞、耐磨損等應(yīng)用的功能性要求。④表面性能，即生物醫(yī)用材料外表面的幾個(gè)原子層所表現(xiàn)出來的性能。表面性能一般不同于材料的本體的性能（本體性能）。材料的生物響應(yīng)在很大程度上受其表面附著（吸附）的蛋白質(zhì)影響，而蛋白質(zhì)在材料表面的吸附取決于生物醫(yī)用材料的表面性能[5， 7]。表面性能包括化學(xué)性能（如親水性和疏水性等）、物理和力學(xué)性能（如粗糙度和摩擦性能等）。⑤成型加工性能。材料一般需要制作成具有一定功能結(jié)構(gòu)的醫(yī)療器械后再使用，因此材料要具有容易加工成型、容易消毒（如紫外滅菌、環(huán)氧乙烷氣體消毒等）等特性。 1.2生物醫(yī)用材料力學(xué)概述 生物醫(yī)用材料力學(xué)研究生物醫(yī)用材料的力學(xué)行為及其力學(xué)性能與材料的生物功能、幾何結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、組成成分等因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示生物醫(yī)用材料性能的力學(xué)與物理機(jī)制[8]。生物醫(yī)用材料的力學(xué)行為多種多樣，影響因素也很多，因此生物醫(yī)用材料力學(xué)的研究?jī)?nèi)涵非常廣闊，涉及各種生理、病理與環(huán)境條件下生物醫(yī)用材料的本構(gòu)關(guān)系、斷裂、損傷與失效、流-固耦合、熱-力-電-生等多場(chǎng)耦合、多尺度關(guān)聯(lián)、表面與界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等諸多內(nèi)容[8]。 生物醫(yī)用材料的力學(xué)性能描述了生物醫(yī)用材料對(duì)力學(xué)載荷或變形的響應(yīng)行為，如生物醫(yī)用材料的彈性和塑性變形、黏彈性和時(shí)間依賴性、多軸載荷和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)、疲勞與磨損、屈服和失效、斷裂等。生物醫(yī)用材料的力學(xué)性能很大程度上受其理化性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)的影響。一般材料的力學(xué)行為可以根據(jù)力學(xué)載荷對(duì)材料內(nèi)部原子及缺陷運(yùn)動(dòng)的影響和材料學(xué)響應(yīng)來理解，因此對(duì)材料原子、缺陷及結(jié)構(gòu)的研究是理解材料力學(xué)行為的基礎(chǔ)。 一般生物醫(yī)用材料的力學(xué)性能采用材料的力學(xué)性能指標(biāo)來表述。材料的力學(xué)性能指標(biāo)是材料在載荷和環(huán)境因素作用下抵抗變形與破壞等的力學(xué)量化參量，是評(píng)定材料質(zhì)量的主要依據(jù)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選材的根據(jù)[9]。材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)有：①?gòu)椥裕侵覆牧显谕饬ψ饔孟卤３止逃行螤詈统叽绲哪芰Γ约霸谕饬θコ蠡謴?fù)固有形狀和尺寸的能力，表征的力學(xué)性能指標(biāo)如楊氏模量、泊松比、剪切模量等。②塑性，是指材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力，表征的力學(xué)性能指標(biāo)如延伸率、斷面收縮率等。③強(qiáng)度，是指材料對(duì)塑性變形和斷裂的抵抗能力，表征的力學(xué)性能指標(biāo)如材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等。④韌性，是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力，表征的力學(xué)性能指標(biāo)如靜力韌性、沖擊韌性、斷裂韌性等。⑤硬度，是指材料表面抵抗穿透的軟硬程度，表征的力學(xué)性能指標(biāo)如材料的布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。⑥疲勞，是指材料或構(gòu)件在周期循環(huán)外加應(yīng)力和環(huán)境作用下能夠安全、有效使用的期限，表征的力學(xué)性能指標(biāo)如疲勞裂紋擴(kuò)展壽命等。⑦缺口敏感性，是指材料對(duì)缺口（截面變化）的力學(xué)響應(yīng)，表征的力學(xué)性能指標(biāo)如應(yīng)力集中系數(shù)、靜拉伸缺口敏感性、疲勞缺口敏感系數(shù)等。⑧耐磨性，是指材料抵抗磨損的能力，表征的力學(xué)性能指標(biāo)如線性磨損、質(zhì)量磨損、體積磨損等。 材料的力學(xué)性能對(duì)生物醫(yī)用材料來說非常重要。以生物醫(yī)用材料為主體開發(fā)的醫(yī)療器械，在臨床上主要用于骨科器械、心血管設(shè)備、牙科器械、康復(fù)輔具和軟組織植入物等。醫(yī)療器械在生物體內(nèi)的服役期間，其受力狀態(tài)非常復(fù)雜，并在不斷動(dòng)態(tài)變化。例如，人體骨的力學(xué)性能因年齡、部位而異，評(píng)價(jià)骨和材料的力學(xué)性能*重要的指標(biāo)有抗拉抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量、疲勞極限和斷裂韌性等。對(duì)于承重并運(yùn)動(dòng)的人工關(guān)節(jié)，其材料的選擇將對(duì)摩擦和磨損性能有非常高的要求，人工關(guān)節(jié)每年要承受超過百萬次的且數(shù)倍于人體重量的載荷沖擊和磨損，其耐久性能可用疲勞和磨損性能來表征，而硬度又能在很大程度上反映材料的耐磨性能。在人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和臨床應(yīng)用中，力學(xué)性能的相容性也非常重要，生物醫(yī)用材料的彈性模量或植入體的結(jié)構(gòu)剛度要與宿主組織的彈性模量接近，以使得生物組織不會(huì)因?yàn)閼?yīng)力遮擋而發(fā)生吸收或退變。例如，骨科植入器械或材料的彈性模量不能過高或者過低。材料的彈性模量相對(duì)骨組織如果過高，在負(fù)載作用下，材料將承受大部分應(yīng)力并產(chǎn)生較小的形變，骨組織承受的應(yīng)力和發(fā)生的應(yīng)變將低于生理應(yīng)力或應(yīng)變，將進(jìn)一步引起骨組織的功能退化和吸收，有可能產(chǎn)生骨溶解而導(dǎo)致植入物的無菌性松動(dòng)。同時(shí)，骨組織與醫(yī)用材料在同樣的應(yīng)力作用下將產(chǎn)生不同的應(yīng)變，引起植入體與骨組織接觸面發(fā)生相對(duì)微動(dòng)，如果微動(dòng)太大就會(huì)影響植入體界面的骨整合，長(zhǎng)時(shí)間下就會(huì)造成界面處的松動(dòng)。當(dāng)然，生物醫(yī)用材料或醫(yī)療器械的彈性模量也不能太小，否則材料或器械的變形較大，起不到固定和支撐作用。 研究生物材料力學(xué)性能的*重要目標(biāo)是可以正確地、安全地使用生物醫(yī)用材料。在進(jìn)行醫(yī)療器械等構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)器械在生物體的服役條件，并按材料力學(xué)理論確定滿足使用要求的性能指標(biāo)（如強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度、脆性轉(zhuǎn)化溫度等），然后再挑選出合適的材料，這樣可以基本保證器械在服役期內(nèi)的安全運(yùn)行。同時(shí)，通過對(duì)生物醫(yī)用材料力學(xué)性能的研究，可以評(píng)價(jià)材料合成與加工工藝的有效性，并通過控制材料的成分、加工及顯微結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)性能。例如，合金化、加工硬化、表面處理等能有效地提高材料的本體及表面性能。此外，通過對(duì)生物醫(yī)用材料力學(xué)性能的研究，還可在生物材料力學(xué)理論的指導(dǎo)下，采用新的材料成分和結(jié)構(gòu)，或者新的加工和合成工藝，設(shè)計(jì)和開發(fā)出新材料，以滿足對(duì)生物醫(yī)用材料的更高需求。 1.3生物醫(yī)用材料力學(xué)的研究?jī)?nèi)容 生物醫(yī)用材料力學(xué)主要研究各種材料在外力和環(huán)境條件下發(fā)生變形和斷裂的行為過程與微觀機(jī)理，研究醫(yī)療器械所用材料與宿主組織的相互作用，評(píng)定材料的力學(xué)性能指標(biāo)及其力學(xué)、工程和臨床實(shí)用意義，以及研究力學(xué)性能指標(biāo)的離體和在體的測(cè)試原理、方法和影響因素，改善力學(xué)性能的方法和途徑等，主要內(nèi)容如下[9]。 1.生物醫(yī)用材料在生物體各種使用條件下的力學(xué)行為與性能 生物醫(yī)用材料在人體或動(dòng)物等生物體中使用，在不同服役條件下的力學(xué)行為和性能與材料或構(gòu)件的種類、形狀、外加載荷的形式和環(huán)境條件密切相關(guān)。 就生物材料的種類而言，材料的力學(xué)性能不僅包括金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料、納米材料等的共性力學(xué)行為，還包括各類材料力學(xué)性能的特殊性。 就生物醫(yī)用材料構(gòu)成的器械形狀而言，在材料力學(xué)行為的研究中主要有三種不同形式的試件，即光滑試件、缺口試件和裂紋試件。在模擬在體使用的離體測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，光滑試件主要用于材料基本力學(xué)性能的測(cè)定和失效機(jī)理與判據(jù)的研究；缺口試件主要用來模擬截面變化構(gòu)建的力學(xué)行為；裂紋試件主要用于評(píng)價(jià)裂紋結(jié)構(gòu)件的剩余強(qiáng)度和壽命。 根據(jù)外加載荷施加條件的不同，生物醫(yī)用材料的力學(xué)性能可分為靜載、沖擊載荷和交變載荷下的力學(xué)性能。靜載力學(xué)性能是指材料在緩慢加載條件下的力學(xué)行為，如單向拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等；沖擊載荷下的力學(xué)性能是指材料在高速加載條件下的力學(xué)行為，如撞擊、沖擊彎曲等；疲勞是材料在交變載荷條件下的破壞行為，如高周疲勞、低周疲勞、沖擊疲勞等。 按環(huán)境條件的不同，材料的力學(xué)性能可區(qū)分為：不同溫度下的力學(xué)行為，如高溫下的蠕變和應(yīng)力松弛等；不同化學(xué)介質(zhì)中的斷裂行為，如應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、腐蝕磨損等；不同生物環(huán)境中的力學(xué)響應(yīng)，如血液流動(dòng)環(huán)境中的鈣化、聚乙烯磨損顆粒所致的無菌性松動(dòng)等。 當(dāng)兩種材料或構(gòu)件相互接觸并有相互運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，將發(fā)生材料的摩擦與磨損行為，其力學(xué)性能可用摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損量進(jìn)行表征。例如，人工關(guān)節(jié)在不同步態(tài)運(yùn)動(dòng)下的摩擦與磨損等。 2.生物醫(yī)用材料力學(xué)性能的測(cè)試技術(shù) 生物醫(yī)用材料力學(xué)性能的研究是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，而材料的各種力學(xué)性能指標(biāo)也需要通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。因此，在生物醫(yī)用材料力學(xué)性能研究中，必須重視材料力學(xué)性能的測(cè)試原理和方法，熟悉并掌握所用的各種實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)步驟。只有這樣，才能加深對(duì)力學(xué)性能理論的認(rèn)識(shí)，正確地評(píng)價(jià)材料的力學(xué)性能。根據(jù)外加載荷和環(huán)境條件的不同，常用的材料力學(xué)性能的測(cè)試技術(shù)包括靜載拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、硬度、沖擊、疲勞、黏彈性、磨損等。 生物醫(yī)用材料離體力學(xué)性能檢測(cè)的關(guān)鍵也是*主要的難點(diǎn)就是，如何模擬在體材料或醫(yī)療器械在生物體內(nèi)使用的近生理性環(huán)境，不僅是復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)加載環(huán)境（如人工膝關(guān)節(jié)在體運(yùn)動(dòng)時(shí)具有的軸向載荷、屈曲運(yùn)動(dòng)，脛骨扭矩或旋轉(zhuǎn)，前后加載或運(yùn)動(dòng)等，再如不同部位血管支架的血液流動(dòng)流場(chǎng)特征、壓強(qiáng)
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