目錄
總序
前言
第1章緒論1
1.1生物醫用材料概述1
1.2生物醫用材料力學概述2
1.3生物醫用材料力學的研究內容4
1.4本書的主要內容8
參考文獻9
第2章應力與應變理論10
2.1連續介質模型10
2.2張量11
2.2.1指標記法11
2.2.2矢量13
2.2.3二階張量13
2.2.4二階實對稱張量的特征值與特征矢量16
2.2.5張量場17
2.3應力與主應力20
2.3.1應力張量20
2.3.2主應力與主軸22
2.3.3應力張量的邊界條件24
2.4應變與主應變26
2.4.1形變26
2.4.2應變張量27
2.4.3主應變29
2.4.4速度場與應變率30
2.5連續介質力學的基本方程31
2.5.1質量守恆方程32
2.5.2運動方程—線性動量原理33
2.5.3能量守恆方程34
2.5.4熱力-機械介質力學的完備方程組36
參考文獻38
第3章生物材料的力學性能描述39
3.1材料的力學性能39
3.2應力-應變曲線41
3.2.1脆性材料的應力-應變曲線41
3.2.2塑性材料的應力-應變曲線42
3.3彈性與剛度44
3.3.1Hooke定律44
3.3.2彈性模量46
3.3.3剛度48
3.3.4彈性應變能密度49
3.4塑性、強度與斷裂49
3.4.1強度指標50
3.4.2強度理論51
3.4.3塑性指標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線性黏彈性的經典力學模型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衝蝕磨損66
3.10.6微動磨損67
參考文獻67
第4章生物材料力學實驗技術69
4.1生物材料力學實驗的方案設計69
4.1.1實驗目標與意義70
4.1.2文獻調研與分析70
4.1.3科學假說和實驗目標71
4.1.4實驗方法與實驗內容71
4.1.5實驗設計72
4.1.6預實驗75
4.1.7數據的記錄與處理76
4.2生物材料拉伸實驗76
4.2.1實驗目的76
4.2.2實驗器材77
4.2.3實驗原理與方法77
4.2.4拉伸材料力學實驗操作規程80
4.3生物材料壓縮實驗81
4.3.1實驗目的81
4.3.2實驗器材82
4.3.3實驗原理與方法82
4.4生物材料彎曲實驗84
4.4.1實驗目的84
4.4.2實驗器材84
4.4.3實驗原理與方法84
4.5生物材料疲勞實驗86
4.5.1實驗目的87
4.5.2實驗器材87
4.5.3實驗原理與方法87
4.5.4動態材料力學實驗操作規程90
4.6生物材料衝擊實驗91
4.6.1Hopkinson壓杆測試繫統91
4.6.2自由落體衝擊繫統94
4.6.3擺錘測試繫統95
4.7生物材料硬度實驗96
4.7.1洛氏硬度測試96
4.7.2布氏硬度測試98
4.7.3維氏硬度測試100
4.7.4顯微硬度測試101
4.8生物材料納米壓痕實驗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109
4.8.4納米壓痕測試操作步驟111
4.9生物材料磨損實驗115
4.9.1實驗目的115
4.9.2實驗方法116
4.9.3實驗器材117
4.9.4磨損評估指標117
4.9.5磨損實驗舉例：人工膝關節假體磨損檢測實驗118
參考文獻122
第5章生物材料力學的數值仿真126
5.1生物材料力學建模126
5.1.1影像采集127
5.1.2幾何建模128
5.1.3網格劃分128
5.1.4加載與求解方法129
5.1.5結果後處理132
5.1.6生物材料力學建模和生物材料力學實驗對比133
5.2分析技術134
5.2.1簡介134
5.2.2計算力學的基礎135
5.2.3分析求解步驟137
5.2.4特點138
5.2.5分支139
5.2.6常用軟件141
5.2.7發展現狀及應用領域142
5.3數值仿真舉例1：頭頸部衝擊動力學分析143
5.3.1頭頸部幾何模型的建立143
5.3.2頭頸部多剛體動力學模型144
5.3.3頭頸模型151
5.3.4頭頸部衝擊仿真分析156
5.4數值仿真舉例2：足踝仿真與驗證分析159
5.4.1運用MIMICS對足踝部進行三維重建159
5.4.2足踝部實體模型構建162
5.4.3足踝模型構建及仿真分析164
5.5數值仿真舉例3：人工膝關節磨損的模擬168
5.5.1人工膝關節聚乙烯襯墊的磨損168
5.5.2人工膝關節襯墊磨損模擬的算法研究169
5.5.3上樓梯對人工膝關節假體磨損影響研究172
參考文獻176
第6章活組織材料的力學182
6.1生物活組織材料的力學特點182
6.1.1生物活性183
6.1.2個體差異性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187
6.2.1哈佛氏繫統的力學性能190
6.2.2皮質骨的力學性能191
6.2.3松質骨的力學性能199
6.2.4骨的塑建與重建200
6.3關節軟骨組織材料的力學209
6.3.1關節軟骨的組成與結構210
6.3.2關節軟骨的黏彈性212
6.3.3關節軟骨的滲透性215
6.3.4關節軟骨的摩擦與潤滑216
6.4肌肉組織材料的力學216
6.4.1顫搐和強直217
6.4.2骨骼肌收縮機制218
6.4.3影響骨骼肌力量的因素219
6.4.4Hi素模型223
6.5韌帶組織材料的力學224
6.5.1韌帶的黏彈性224
6.5.2影響韌帶力學性質的因素225
參考文獻226
第7章生物醫用材料的力學229
7.1生物醫用金屬材料的力學229
7.1.1生物醫用金屬材料概述229
7.1.2生物醫用金屬材料的力學性能230
7.1.3生物醫用金屬材料的疲勞性能235
7.1.4生物醫用金屬材料腐蝕中的力學問題238
7.1.5其他材料242
7.1.6小結242
7.2生物醫用高分子材料的力學242
7.2.1生物醫用高分子材料概述242
7.2.2生物醫用高分子材料的力學性能248
7.2.3生物醫用高分子材料降解中的力學問題264
7.2.4小結277
7.3生物陶瓷材料的力學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性能280
7.3.3小結288
7.4生物納米材料的力學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性能290
7.4.3生物納米材料力學性能的影響因素295
7.4.4納米材料的力學對生物學性能的影響308
7.4.5小結312
參考文獻313
第8章材料仿生力學322
8.1仿生學與仿生材料322
8.1.1仿生學322
8.1.2仿生材料323
8.2啄木鳥頭骨材料的力學325
8.2.1啄木鳥的頭骨結構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特性332
8.2.4啄木鳥頭部抗衝擊機制及應用333
8.3堅果殼材料的力學334
8.3.1堅果殼的整體力學性能及其影響因素334
8.3.2堅果殼材料力學性質的研究336
8.3.3堅果殼的增強增韌機制339
8.4壁虎足部材料的力學343
8.4.1壁虎足部結構及單根剛毛黏附力343
8.4.2耦合剛毛力學、足部形態功能及爬行動力學的研究345
8.4.3壁虎足部黏附的機制346
8.4.4壁虎足部黏附機制的應用348
參考文獻349
第9章細胞、組織與材料相互作用的生物力學354
9.1細胞的力學行為355
9.1.1細胞在材料中的黏附與鋪展355
9.1.2細胞在材料中的遷移357
9.1.3細胞骨架重構響應細胞在材料中的力學行為359
9.1.4細胞核在細胞材料力學行為中的作用361
9.2組織工程材料的力學特性363
9.2.1組織工程材料的基本力學性能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組織工程材料的結構368
9.2.5組織工程材料改性中的力學372
9.2.6小結375
9.3生物材料力學對細胞的影響及機理375
9.3.1基底剛度對細胞增殖、遷移、黏附和分化的調控376
9.3.2基底黏性/黏彈性對細胞行為的調控378
9.3.3材料表面微拓撲結構對細胞行為的影響379
9.3.4細胞外基質蛋白/整合素在材料與細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386
9.4.1不同組織力學環境對生物材料力學性能的需求386
9.4.2生物力學環境對材料降解的作用388
9.4.3材料自身的力學特性對組織再生的作用390
9.4.4感染與炎癥中的力學391
9.5細胞對材料力學性能的影響399
9.5.1細胞外基質的分泌影響材料的力學性能400
9.5.2細胞對材料產生的牽引力400
參考文獻402