生物医用材料力学

本书为“生物材料科学与工程丛书”之一。生物材料与生物活组织的相互作用是材料学、力学、化学、医学、物理学等多学科交叉耦合的研究领域，是当代科学前沿的科研方向之一，具有很高的学术价值，所以本书试图把科学内容尤其是前沿的研究成果（包括作者自己的部分成果）与生物材料和生物力学的基础知识兼顾，在保证知识体系全面系统的基础上，突出科学研究的前沿专题，如啄木鸟头骨材料等材料的仿生力学，可降解生物医用材料的力学，植介入材料与宿主组织、细胞的相互作用等研究。

目录
总序
前言
第1章　绪论　1
1.1　生物医用材料概述　1
1.2　生物医用材料力学概述　2
1.3　生物医用材料力学的研究内容　4
1.4　本书的主要内容　8
参考文献　9
第2章　应力与应变理论　10
2.1　连续介质模型　10
2.2　张量　11
2.2.1　指标记法　11
2.2.2　矢量　13
2.2.3　二阶张量　13
2.2.4　二阶实对称张量的特征值与特征矢量　16
2.2.5　张量场　17
2.3　应力与主应力　20
2.3.1　应力张量　20
2.3.2　主应力与主轴　22
2.3.3　应力张量的边界条件　24
2.4　应变与主应变　26
2.4.1　形变　26
2.4.2　应变张量　27
2.4.3　主应变　29
2.4.4　速度场与应变率　30
2.5　连续介质力学的基本方程　31
2.5.1　质量守恒方程　32
2.5.2　运动方程—线性动量原理　33
2.5.3　能量守恒方程　34
2.5.4　热力-机械介质力学的完备方程组　36
参考文献　38
第3章　生物材料的力学性能描述　39
3.1　材料的力学性能　39
3.2　应力-应变曲线　41
3.2.1　脆性材料的应力-应变曲线　41
3.2.2　塑性材料的应力-应变曲线　42
3.3　弹性与刚度　44
3.3.1　Hooke定律　44
3.3.2　弹性模量　46
3.3.3　刚度　48
3.3.4　弹性应变能密度　49
3.4　塑性、强度与断裂　49
3.4.1　强度指标　50
3.4.2　强度理论　51
3.4.3　塑性指标　53
3.4.4　断裂　53
3.5　韧性　54
3.6　黏性　55
3.7　黏弹性　56
3.7.1　黏弹性特征　57
3.7.2　线性黏弹性的经典力学模型　57
3.8　硬度　60
3.9　疲劳　62
3.10　磨损　64
3.10.1　黏着磨损　64
3.10.2　磨粒磨损　65
3.10.3　疲劳磨损　65
3.10.4　腐蚀磨损　66
3.10.5　冲蚀磨损　66
3.10.6　微动磨损　67
参考文献　67
第4章　生物材料力学实验技术　69
4.1　生物材料力学实验的方案设计　69
4.1.1　实验目标与意义　70
4.1.2　文献调研与分析　70
4.1.3　科学假说和实验目标　71
4.1.4　实验方法与实验内容　71
4.1.5　实验设计　72
4.1.6　预实验　75
4.1.7　数据的记录与处理　76
4.2　生物材料拉伸实验　76
4.2.1　实验目的　76
4.2.2　实验器材　77
4.2.3　实验原理与方法　77
4.2.4　拉伸材料力学实验操作规程　80
4.3　生物材料压缩实验　81
4.3.1　实验目的　81
4.3.2　实验器材　82
4.3.3　实验原理与方法　82
4.4　生物材料弯曲实验　84
4.4.1　实验目的　84
4.4.2　实验器材　84
4.4.3　实验原理与方法　84
4.5　生物材料疲劳实验　86
4.5.1　实验目的　87
4.5.2　实验器材　87
4.5.3　实验原理与方法　87
4.5.4　动态材料力学实验操作规程　90
4.6　生物材料冲击实验　91
4.6.1　Hopkinson压杆测试系统　91
4.6.2　自由落体冲击系统　94
4.6.3　摆锤测试系统　95
4.7　生物材料硬度实验　96
4.7.1　洛氏硬度测试　96
4.7.2　布氏硬度测试　98
4.7.3　维氏硬度测试　100
4.7.4　显微硬度测试　101
4.8　生物材料纳米压痕实验　105
4.8.1　概述　105
4.8.2　基本原理和方法　106
4.8.3　问题与改进　109
4.8.4　纳米压痕测试操作步骤　111
4.9　生物材料磨损实验　115
4.9.1　实验目的　115
4.9.2　实验方法　116
4.9.3　实验器材　117
4.9.4　磨损评估指标　117
4.9.5　磨损实验举例：人工膝关节假体磨损检测实验　118
参考文献　122
第5章　生物材料力学的数值仿真　126
5.1　生物材料力学建模　126
5.1.1　影像采集　127
5.1.2　几何建模　128
5.1.3　网格划分　128
5.1.4　加载与求解方法　129
5.1.5　结果后处理　132
5.1.6　生物材料力学建模和生物材料力学实验对比　133
5.2　有限元分析技术　134
5.2.1　简介　134
5.2.2　计算力学的基础　135
5.2.3　有限元分析求解步骤　137
5.2.4　特点　138
5.2.5　分支　139
5.2.6　常用软件　141
5.2.7　发展现状及应用领域　142
5.3　数值仿真举例1：头颈部冲击动力学分析　143
5.3.1　头颈部几何模型的建立　143
5.3.2　头颈部多刚体动力学模型　144
5.3.3　头颈部有限元模型　151
5.3.4　头颈部冲击仿真分析　156
5.4　数值仿真举例2：足踝部有限元仿真与验证分析　159
5.4.1　运用MIMICS对足踝部进行三维重建　159
5.4.2　足踝部实体模型构建　162
5.4.3　足踝部有限元模型构建及仿真分析　164
5.5　数值仿真举例3：人工膝关节磨损的模拟　168
5.5.1　人工膝关节聚乙烯衬垫的磨损　168
5.5.2　人工膝关节衬垫磨损模拟的算法研究　169
5.5.3　上楼梯对人工膝关节假体磨损影响的有限元研究　172
参考文献　176
第6章　活组织材料的力学　182
6.1　生物活组织材料的力学特点　182
6.1.1　生物活性　183
6.1.2　个体差异性　183
6.1.3　非线性　184
6.1.4　非均匀性　184
6.1.5　各向异性　185
6.1.6　非定常性　185
6.1.7　耦合　186
6.2　骨组织材料的力学　187
6.2.1　哈佛氏系统的力学性能　190
6.2.2　皮质骨的力学性能　191
6.2.3　松质骨的力学性能　199
6.2.4　骨的塑建与重建　200
6.3　关节软骨组织材料的力学　209
6.3.1　关节软骨的组成与结构　210
6.3.2　关节软骨的黏弹性　212
6.3.3　关节软骨的渗透性　215
6.3.4　关节软骨的摩擦与润滑　216
6.4　肌肉组织材料的力学　216
6.4.1　颤搐和强直　217
6.4.2　骨骼肌收缩机制　218
6.4.3　影响骨骼肌力量的因素　219
6.4.4　Hill三元素模型　223
6.5　韧带组织材料的力学　224
6.5.1　韧带的黏弹性　224
6.5.2　影响韧带力学性质的因素　225
参考文献　226
第7章　生物医用材料的力学　229
7.1　生物医用金属材料的力学　229
7.1.1　生物医用金属材料概述　229
7.1.2　生物医用金属材料的力学性能　230
7.1.3　生物医用金属材料的疲劳性能　235
7.1.4　生物医用金属材料腐蚀中的力学问题　238
7.1.5　其他材料　242
7.1.6　小结　242
7.2　生物医用高分子材料的力学　242
7.2.1　生物医用高分子材料概述　242
7.2.2　生物医用高分子材料的力学性能　248
7.2.3　生物医用高分子材料降解中的力学问题　264
7.2.4　小结　277
7.3　生物陶瓷材料的力学　277
7.3.1　生物陶瓷材料概述　277
7.3.2　生物陶瓷材料的力学性能　280
7.3.3　小结　288
7.4　生物纳米材料的力学　289
7.4.1　生物纳米材料概述　289
7.4.2　生物纳米材料的力学性能　290
7.4.3　生物纳米材料力学性能的影响因素　295
7.4.4　纳米材料的力学对生物学性能的影响　308
7.4.5　小结　312
参考文献　313
第8章　材料仿生力学　322
8.1　仿生学与仿生材料　322
8.1.1　仿生学　322
8.1.2　仿生材料　323
8.2　啄木鸟头骨材料的力学　325
8.2.1　啄木鸟的头骨结构　326
8.2.2　啄木鸟头骨材料的成分分析　330
8.2.3　啄木鸟头骨材料的力学特性　332
8.2.4　啄木鸟头部抗冲击机制及应用　333
8.3　坚果壳材料的力学　334
8.3.1　坚果壳的整体力学性能及其影响因素　334
8.3.2　坚果壳材料力学性质的研究　336
8.3.3　坚果壳的增强增韧机制　339
8.4　壁虎足部材料的力学　343
8.4.1　壁虎足部结构及单根刚毛黏附力　343
8.4.2　耦合刚毛力学、足部形态功能及爬行动力学的研究　345
8.4.3　壁虎足部黏附的机制　346
8.4.4　壁虎足部黏附机制的应用　348
参考文献　349
第9章　细胞、组织与材料相互作用的生物力学　354
9.1　细胞的力学行为　355
9.1.1　细胞在材料中的黏附与铺展　355
9.1.2　细胞在材料中的迁移　357
9.1.3　细胞骨架重构响应细胞在材料中的力学行为　359
9.1.4　细胞核在细胞材料力学行为中的作用　361
9.2　组织工程材料的力学特性　363
9.2.1　组织工程材料的基本力学性能　363
9.2.2　组织工程材料的刚度　365
9.2.3　组织工程材料的黏弹性　367
9.2.4　组织工程材料的结构　368
9.2.5　组织工程材料改性中的力学　372
9.2.6　小结　375
9.3　生物材料力学对细胞的影响及机理　375
9.3.1　基底刚度对细胞增殖、迁移、黏附和分化的调控　376
9.3.2　基底黏性/黏弹性对细胞行为的调控　378
9.3.3　材料表面微拓扑结构对细胞行为的影响　379
9.3.4　细胞外基质蛋白/整合素在材料与细胞相互影响中的桥梁作用　383
9.4　生物材料与宿主组织相互作用的力学　386
9.4.1　不同组织力学环境对生物材料力学性能的需求　386
9.4.2　生物力学环境对材料降解的作用　388
9.4.3　材料自身的力学特性对组织再生的作用　390
9.4.4　感染与炎症中的力学　391
9.5　细胞对材料力学性能的影响　399
9.5.1　细胞外基质的分泌影响材料的力学性能　400
9.5.2　细胞对材料产生的牵引力　400
参考文献　402

本书为“生物材料科学与工程丛书”之一。生物材料与生物活组织的相互作用是材料学、力学、化学、医学、物理学等多学科交叉耦合的研究领域，是当代科学前沿的科研方向之一，具有很高的学术价值，所以本书试图把科学内容尤其是前沿的研究成果（包括作者自己的部分成果）与生物材料和生物力学的基础知识兼顾，在保证知识体系全面系统的基础上，突出科学研究的前沿专题，如啄木鸟头骨材料等材料的仿生力学，可降解生物医用材料的力学，植介入材料与宿主组织、细胞的相互作用等研究。