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第1章 绪论 1

1.1 人体生物摩擦学的定义与研究对象 1

1.1.1 摩擦学的定义 1

1.1.2 生物摩擦学的定义 4

1.1.3 人体生物摩擦学的定义与研究对象 5

1.2 人体生物摩擦学中的天然摩擦副 7

1.2.1 关节摩擦副 7

1.2.2 软组织器官中的摩擦副 13

1.2.3 口腔中的摩擦副 14

1.3 人体生物摩擦学中的人工摩擦副 14

1.3.1 假体与植入物 14

1.3.2 人工表面与人体体内组织与介质构成的摩擦副 16

1.3.3 植入物内部的人工摩擦副 16

1.3.4 人工表面与人体体表组织构成的摩擦副 17

1.4 人体生物摩擦学中的基础理论问题 17

1.4.1 人体组织摩擦表面的特性与接触问题 18

1.4.2 人体组织摩擦面的摩擦力生成与润滑机理 25

1.4.3 摩擦与人体组织的损伤、变异和病理学反应 27

1.4.4 人体环境与摩擦效应的互动作用 30

1.4.5 人体组织微动界面的摩擦、磨损与长合机制 32

1.4.6 摩擦与人体中物质的微交换机制 35

1.5 假体与植入物摩擦学设计中的基本问题 36

1.5.1 人体生物力学分析 36

1.5.2 减摩与抗磨设计 38

1.5.3 润滑设计 39

1.5.4 界面的抗微动设计 39

1.6 人体生物摩擦学学科发展展望 40

参考文献 41

第2章 人体骨-肌-关节系统的运动与受力分析 46

2.1 人体骨-肌-关节系统中的生物力学问题 46

2.2 人体的运动测量 47

2.2.1 运动捕捉系统 47

2.2.2 人体肢体运动测量 50

2.2.3 人体咀嚼运动测量 53

2.3 人体的力学测量 55

2.3.1 肢体的力学测量 55

2.3.2 足底力测量 55

2.3.3 足底压力分布测量 57

2.3.4 ？力测量 59

2.4 肌电测量 60

2.4.1 肌肉的电生理特性 60

2.4.2 肌电仪及肌电测量 61

2.4.3 肢体肌肉群肌电测量 63

2.4.4 咀嚼肌肌电测量 63

2.5 肌肉力的理论计算 66

2.5.1 骨肌系统动力学仿真建模 66

2.5.2 基于骨肌系统模型的肌肉力优化计算法 68

2.5.3 步态下股骨肌肉群的肌肉力计算 71

2.5.4 下颌肌肉群的肌肉力计算 73

2.6 人体关节的运动与受力分析 73

2.6.1 下肢关节的运动与受力分析 73

2.6.2 上肢关节的运动与受力分析 81

2.6.3 脊柱的运动与受力分析 83

2.6.4 颞下颌关节的运动与受力分析 86

2.7 人体骨-肌-关节系统生物力学研究展望 87

参考文献 89

第3章 人体生物摩擦学中的生物材料 92

3.1 生物材料定义和分类 92

3.1.1 生物材料的定义 92

3.1.2 生物材料的分类 92

3.1.3 生物材料的基本要求 94

3.2 金属材料 96

3.2.1 不锈钢材料 97

3.2.2 钴基合金材料 98

3.2.3 钛及钛合金材料 100

3.2.4 其他金属材料 104

3.3 高分子材料 107

3.3.1 超高分子量聚乙烯 108

3.3.2 骨水泥 117

3.4 陶瓷材料 121

3.4.1 氧化铝陶瓷 123

3.4.2 氧化锆陶瓷 125

3.5 碳素材料 127

3.5.1 碳素材料的种类和性能 127

3.5.2 碳素材料的医学应用 129

3.6 表面涂层材料 131

3.6.1 多孔钛涂层 131

3.6.2 羟基磷灰石涂层 133

3.6.3 其他表面涂层 135

3.7 生物材料的评价标准与检测 136

3.7.1 生物材料的评价标准 136

3.7.2 生物材料的检测 137

3.7.3 生物材料的生物学评价标准和检测 142

3.8 人体生物摩擦学相关材料的研究展望 147

参考文献 149

第4章 人工关节的润滑分析 155

4.1 人工关节中的润滑 155

4.2 人工髋关节的EHL计算模型与基本方程 158

4.2.1 坐标系 158

4.2.2 人工髋关节的EHL计算模型 159

4.2.3 髋关节的运动与受力 161

4.2.4 润滑方程 162

4.2.5 膜厚方程 164

4.3 方程的无量纲化及弹性流体动力润滑的数值求解 169

4.3.1 方程的无量纲化 169

4.3.2 EHL数值解法的基本原理 171

4.3.3 基本方程的数值解法 174

4.4 人工髋关节非稳态EHL计算分析 178

4.4.1 “硬相-软相”的非稳态EHL计算分析 179

4.4.2 “硬相-软相”的纯挤压EHL计算分析 182

4.4.3 “硬相-硬相”的非稳态EHL计算分析 184

4.5 人工髋关节稳态EHL计算分析 189

4.5.1 稳态下的EHL计算 189

4.5.2 几何参数对EHL的影响分析 191

4.6 人工髋关节二维轴对称纯挤压EHL数据库计算法 196

4.6.1 基本方程 196

4.6.2 方程的无量纲化 197

4.6.3 数据库的建立 198

4.6.4 基于数据库的人工髋关节EHL膜厚计算法 199

4.6.5 人工关节参数对纯挤压膜厚的影响 201

4.7 人工髋关节EHL膜厚的近似估算方法 202

4.7.1 挤压膜的简化公式 202

4.7.2 考虑曲率影响的中心膜厚计算公式 203

4.8 人体摩擦副润滑分析方法研究展望 204

4.9 主要符号 205

参考文献 207

第5章 人体环境中植入物的磨损问题 211

5.1 人体环境中的机械磨损 211

5.1.1 机械磨损类型 211

5.1.2 黏着磨损 212

5.1.3 磨粒磨损 214

5.1.4 疲劳磨损 215

5.1.5 冲蚀磨损 216

5.2 人体环境中的腐蚀磨损 221

5.2.1 腐蚀磨损概念 221

5.2.2 人体环境中各种金属植入物腐蚀磨损 223

5.3 人体环境中的微动磨损 229

5.3.1 微动及微动磨损概念 229

5.3.2 微动磨损机理 230

5.3.3 人体环境中的微动磨损问题 231

5.3.4 纯钛及钛合金植入物的微动磨损 233

5.3.5 不锈钢植入物的微动磨损 234

5.3.6 植入物表面HA涂层的微动磨损 235

5.3.7 植入物表面DLC涂层的微动磨损 237

5.4 人体环境中的磨损颗粒 238

5.4.1 磨损颗粒 238

5.4.2 磨损颗粒的分布与迁移 241

5.4.3 磨损颗粒的组织学反应 243

5.5 磨粒的物理化学分析 246

5.5.1 磨损产物观察方法 247

5.5.2 磨损颗粒的分离与辨别 252

5.6 人体环境中磨损问题研究展望 261

参考文献 261

第6章 人工关节摩擦学 272

6.1 天然活动关节的解剖学结构 272

6.1.1 下肢活动关节解剖学结构 274

6.1.2 上肢活动关节解剖学结构 277

6.1.3 颞下颌关节解剖学结构 280

6.2 人工关节的结构 281

6.2.1 人工关节概述 281

6.2.2 下肢人工关节的结构 282

6.2.3 上肢人工关节的结构 290

6.2.4 人工颞下颌关节的结构 294

6.3 人工关节的固定 296

6.3.1 骨水泥型人工关节的固定 296

6.3.2 非骨水泥型人工关节的固定 297

6.4 人工关节摩擦学 299

6.4.1 人工关节的磨损 299

6.4.2 UHMWPE人工关节的磨损 303

6.4.3 全金属人工关节的磨损 311

6.4.4 全陶瓷人工关节的磨损 314

6.5 人工关节松动的机理与对策 321

6.5.1 人工关节的无菌松动 322

6.5.2 人工关节无菌松动的机理 323

6.5.3 人工关节无菌松动的对策 325

6.6 人工关节摩擦学性能测试与评价 327

6.6.1 人工关节摩擦学性能评价参数 328

6.6.2 人工关节摩擦学常规试验设备 330

6.6.3 人工关节模拟磨损试验设备 332

6.6.4 人工关节摩擦学性能评价标准 339

6.7 人工关节摩擦学设计展望 346

参考文献 347

第7章 天然与人工软骨摩擦学 356

7.1 天然关节软骨的相关研究 356

7.1.1 天然关节软骨结构与特征 356

7.1.2 天然关节软骨的摩擦学机理 360

7.2 天然关节软骨的损伤与修复 364

7.2.1 天然关节软骨的损伤 364

7.2.2 修复技术 365

7.3 人工关节软骨 368

7.3.1 人工关节软骨的材料学研究 368

7.3.2 人工关节软骨的力学性能 369

7.3.3 人工关节软骨的摩擦学性能 375

7.3.4 组织工程化软骨 389

7.4 关节软骨的试验研究 392

7.4.1 摩擦实验装置 392

7.4.2 润滑液 394

7.5 关节软骨摩擦学的研究展望 400

参考文献 401

第8章 天然骨／植入物的微动磨损 411

8.1 天然骨／植入物的界面与微动 411

8.1.1 天然骨／植入物的界面 411

8.1.2 植入体-骨界面的微动 412

8.2 天然骨／植入物界面的力学分析 415

8.2.1 骨接触力学研究方法 416

8.2.2 数学模型 416

8.2.3 过盈量与应力分布 417

8.3 天然骨／金属植入物的微动磨损 421

8.3.1 TA2／人体股骨横断面的微动磨损 422

8.3.2 人体股骨纵断面的微动磨损 427

8.3.3 TA2／骨纵断面、TC4／骨纵断面两种不同摩擦副的微动损伤分析 431

8.4 研究展望 434

参考文献 434

第9章 天然与人工滑液 438

9.1 天然滑液 438

9.1.1 唾液 438

9.1.2 泪液 439

9.1.3 胃液 440

9.1.4 汗液 441

9.1.5 天然关节滑液 441

9.2 人工滑液 446

9.2.1 人工唾液 446

9.2.2 人工泪液 447

9.2.3 人工仿生关节滑液 447

9.2.4 医用外科辅助滑液 451

9.3 人工关节润滑系统 452

9.3.1 人工关节滑液系统及仿生关节囊 452

9.3.2 仿生关节囊性能测试 453

9.4 天然与人工滑液的试验研究 457

9.4.1 天然关节滑液的物理性能研究 457

9.4.2 复合滑液摩擦学性能测定 458

9.4.3 复合滑液生物相容性测定 461

9.5 人工滑液的研究展望 461

参考文献 462

第10章 牙齿摩擦学 467

10.1 牙齿的功能与解剖学结构 467

10.1.1 牙齿的功能 467

10.1.2 牙齿的解剖学结构 467

10.2 牙齿的摩擦学问题 475

10.2.1 口腔内的化学环境和咀嚼参数 475

10.2.2 牙齿的磨损起因 475

10.2.3 牙齿的磨损类型 476

10.3 人体天然牙的摩擦行为 478

10.3.1 健康恒牙的摩擦行为 478

10.3.2 天然牙摩擦行为的增龄性变化 480

10.3.3 四环素牙的摩擦行为 482

10.3.4 口腔环境因素对天然牙摩擦行为的影响 483

10.4 人体天然牙的磨损行为 485

10.4.1 健康恒牙釉质的磨损行为 485

10.4.2 健康恒牙本质和釉质牙本质界的磨损行为 494

10.4.3 天然牙磨损行为的增龄性变化 496

10.4.4 四环素牙的磨损行为 498

10.4.5 口腔环境因素对天然牙磨损行为的影响 500

10.4.6 牙齿磨损在考古学中的应用 502

10.4.7 小结 503

10.5 牙科修复材料摩擦学研究 504

10.5.1 金属材料 504

10.5.2 陶瓷材料 506

10.5.3 塑料义齿 510

10.5.4 种植牙 516

10.6 牙科材料的摩擦学性能测试 517

10.6.1 牙科材料的标准 517

10.6.2 牙科材料的摩擦学性能测试 518

10.7 牙齿摩擦学的研究展望 519

10.7.1 研究对象 520

10.7.2 研究方法 521

参考文献 521

第11章 人工心血管系统摩擦学 528

11.1 心脏瓣膜疾病及其治疗 528

11.1.1 心脏瓣膜功能及心脏瓣膜疾病 528

11.1.2 心脏瓣膜疾病的治疗 529

11.2 人工机械心脏瓣膜的结构与摩擦学问题 531

11.2.1 人工机械心脏瓣膜的分类及其结构 531

11.2.2 人工机械心脏瓣膜失效及其摩擦学问题 535

11.2.3 人工心脏瓣膜表面改性 545

11.3 心脏机械辅助循环装置——心室辅助装置和人工心脏 548

11.3.1 全人工心脏的发展及其结构 548

11.3.2 心室辅助装置 550

11.4 人工心脏与心室辅助装置的摩擦 551

11.4.1 人工心脏与心室辅助装置的失效和摩擦 551

11.4.2 人工心脏与心室辅助装置的摩擦行为 551

11.5 人工心血管系统摩擦学试验研究与性能检测 555

11.6 技术发展展望 557

参考文献 557

第12章 皮肤的摩擦学问题 561

12.1 天然皮肤的功能与结构 561

12.1.1 皮肤的功能 561

12.1.2 皮肤的结构 561

12.2 天然皮肤的摩擦学问题 563

12.2.1 皮肤的摩擦行为机制 564

12.2.2 皮肤摩擦运行机制的力学特征 570

12.2.3 皮肤的生理性反应 573

12.2.4 皮肤的病理性反应 577

12.2.5 自然因素对皮肤摩擦特性的影响 583

12.2.6 疤痕皮肤的摩擦学特性 586

12.2.7 介质对皮肤摩擦特性的影响 593

12.3 皮肤摩擦的实验方法 595

12.3.1 试验设备 595

12.3.2 试验材料 597

12.3.3 试验工况 597

12.3.4 表面分析方法 598

12.4 皮肤摩擦学的医学应用 598

12.4.1 假肢接受腔界面的设计 598

12.4.2 矫形支架的摩擦学设计 599

12.4.3 糖尿病人鞋及鞋垫的摩擦学设计 599

12.4.4 皮肤病理学的评定 600

12.5 皮肤摩擦学的工业应用 600

12.5.1 在护肤品和化妆品开发中的应用 600

12.5.2 在纺织面料开发中的应用 602

12.5.3 在日用品和劳动工具设计中的应用 602

12.6 皮肤摩擦学发展展望 602

参考文献 603