生物醫(yī)用材料力學(xué)

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)的研究內(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)對稱張量的特征值與特征矢量　16
2.2.5　張量場　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壓桿測試系統(tǒng)　91
4.6.2　自由落體沖擊系統(tǒng)　94
4.6.3　擺錘測試系統(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(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?！?26
5.1.1　影像采集　127
5.1.2　幾何建?！?28
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)對比　133
5.2　有限元分析技術(shù)　134
5.2.1　簡介　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)對細(xì)胞的影響及機(jī)理　375
9.3.1　基底剛度對細(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)境對材料降解的作用　388
9.4.3　材料自身的力學(xué)特性對組織再生的作用　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)胞對材料產(chǎn)生的牽引力　400
參考文獻(xiàn)　402