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第1篇 骨科植入物基础理论 3

第1章 总论 3

1.1 人体骨肌系统 3

1.1.1 骨骼系统 3

1.1.2 关节与骨连接 7

1.1.3 关节软骨 14

1.1.4 肌肉 16

1.1.5 肌腱与韧带 18

1.1.6 人体骨肌系统 19

1.2 骨科手术与植入物 19

1.2.1 创伤手术与创伤类植入物 20

1.2.2 脊柱手术与脊柱类植入物 24

1.2.3 关节手术与人工关节 31

1.2.4 骨缺损修复术与骨修复体 39

1.2.5 韧带损伤修复术与人工韧带 45

1.3 骨科植入物工程学的背景学科与知识体系 49

1.3.1 人体生物力学 50

1.3.2 人体生物摩擦学 52

1.3.3 生物材料学 54

1.3.4 数字制造技术 60

1.3.5 生物医学制造技术 63

1.3.6 骨科植入物工程学的四个组成部分 65

1.4 骨科临床中的数字技术 65

1.4.1 骨科临床数字技术的组成与体系 65

1.4.2 计算机辅助术前手术规划 67

1.4.3 个体化植入物数字制造 69

1.4.4 实现精准手术的导板、导航和手术机器人技术 70

1.4.5 手术室信息集成技术 77

1.4.6 计算机辅助术后评估与康复规划 79

1.4.7 虚拟手术训练系统 81

参考文献 82

第2章 人体骨肌生物力学基本原理与方法 87

2.1 人体骨肌系统运动学与动力学基础 87

2.1.1 人体骨肌系统的生物力学仿真建模 87

2.1.2 人体运动测量与运动学仿真分析 97

2.1.3 人体动力学仿真分析 103

2.1.4 关节力与关节接触力 111

2.2 “骨-植入物系统”有限元分析方法 112

2.2.1 骨肌系统有限元计算模型的建立 112

2.2.2 有限元计算中的非线性问题 117

2.2.3 “骨-植入物”系统的有限元分析 119

2.2.4 基于Micro-CT的有限元细观建模与应力分析 121

2.3 应力与骨生长 124

2.3.1 Wolff定律与骨重建 124

2.3.2 “骨-植入物”系统中的应力遮挡与骨吸收 125

2.3.3 “骨-植入物”系统中骨重建的预测 129

参考文献 132

第3章 人体骨肌系统解剖结构与力学分析 137

3.1 人体脊柱解剖结构与生物力学分析 137

3.1.1 脊柱解剖结构与生物力学功能 137

3.1.2 脊柱的典型运动与活动度 142

3.1.3 脊柱生物力学仿真建模与典型运动的力学分析 143

3.1.4 脊柱典型运动的有限元分析 145

3.2 人体上肢解剖结构与生物力学分析 152

3.2.1 上肢骨肌系统解剖结构与生物力学功能 153

3.2.2 上肢的典型运动与活动度 160

3.2.3 中国人肱骨近端的几何特征统计 160

3.2.4 上肢生物力学仿真建模与典型运动的力学分析 164

3.2.5 上肢骨骼典型运动的有限元分析 172

3.3 人体下肢解剖结构与生物力学分析 177

3.3.1 下肢骨肌系统解剖结构与生物力学功能 177

3.3.2 下肢的典型运动与活动度 180

3.3.3 中国人体下肢典型运动统计测量与分析 186

3.3.4 下肢生物力学仿真建模与典型运动的力学分析 188

3.3.5 下肢骨骼典型运动的有限元分析 195

3.4 人体髋关节解剖结构与生物力学分析 198

3.4.1 髋关节及周边软组织解剖结构与生物力学功能 198

3.4.2 髋关节区段骨中的应力分布与骨小梁结构形态 200

3.4.3 中国人群髋关节解剖学参数测量与统计分析 201

3.4.4 天然髋关节的仿真建模与生物力学分析 205

3.5 人体膝关节解剖结构与生物力学分析 210

3.5.1 膝关节及周边软组织解剖结构与生物力学功能 210

3.5.2 膝关节生物力学基本特征参数 215

3.5.3 股胫关节生物力学 217

5.4 髌股关节生物力学 225

3.5.5 天然膝关节仿真建模与生物力学分析 226

3.5.6 中国人群膝关节解剖学参数统计测量与分析 230

3.6 人体足部和踝关节解剖结构与生物力学分析 232

3.6.1 足部骨肌系统解剖结构与生物力学功能 232

3.6.2 踝关节解剖结构与生物力学分析 239

参考文献 247

第4章 骨科植入物摩擦学 255

4.1 人工关节运动副中的摩擦学 255

4.1.1 摩擦学理论基础 255

4.1.2 人工关节摩擦学的理论研究 261

4.1.3 人工关节摩擦学的实验研究 264

4.2 人工髋关节滑动表面的摩擦学 266

4.2.1 人工髋关节的摩擦学环境及摩擦 267

4.2.2 人工髋关节的润滑 271

4.2.3 人工髋关节的磨损 274

4.3 人工膝关节滑动表面的摩擦学 280

4.3.1 人工膝关节的摩擦学环境及摩擦 280

4.3.2 人工膝关节的润滑 281

4.3.3 人工膝关节的磨损 282

4.4 骨科植入物固定界面中的摩擦学 286

4.4.1 骨科植入物与骨组织间界面 286

4.4.2 植入物与骨水泥固定界面 287

4.4.3 生物组织间界面 287

4.4.4 改善措施 288

4.5 骨科植入物结构元件间的摩擦化学 288

4.5.1 摩擦腐蚀与金属生物膜 289

4.5.2 影响因素 291

4.5.3 应对措施 291

4.6 关节假体与软骨间的摩擦学 292

4.6.1 关节软骨的结构和力学特性 292

4.6.2 简单试验模型的研究 293

4.6.3 半髋置换假体与软骨间的摩擦学分析 296

4.6.4 人工膝关节假体与髌骨软骨间的接触和摩擦学分析 297

4.7 磨粒的生物学反应 298

4.7.1 假体无菌性松动与人工髋关节的生物学磨损寿命 298

4.7.2 植入物磨粒及组织学反应 299

4.7.3 假体无菌性松动的影响因素及应对措施 300

4.8 人工关节摩擦学的临床前测试 301

4.8.1 概述 301

4.8.2 人工关节临床前测试 302

4.8.3 人工关节临床前测试的发展趋势 304

参考文献 306

第1篇 结束语 骨科植入物基础理论的展望 329

第2篇 骨科植入物材料学 333

第5章 骨科植入物材料的性能要求 333

5.1 骨科植入物材料的生物学性能要求 333

5.1.1 生物相容性 333

5.1.2 生物活性 337

5.1.3 生物稳定性 338

5.1.4 生物降解性 338

5.1.5 抗菌性能 339

5.2 骨科植入物材料的机械性能要求 339

5.2.1 弹性模量与泊松比 339

5.2.2 静强度与疲劳强度 340

5.2.3 力学性能稳定性 340

5.2.4 摩擦与磨损性能 341

5.3 骨科植入物材料的化学性能要求 342

5.3.1 耐腐蚀性 342

5.3.2 电化学性能 343

5.4 骨科植入物材料的可消毒性能要求 343

5.4.1 植入物常用的消毒方式 343

5.4.2 植入物材料的可消毒性 344

参考文献 345

第6章 金属材料 347

6.1 医用不锈钢 347

6.1.1 医用不锈钢的发展过程 347

6.1.2 医用不锈钢的化学成分 347

6.1.3 医用不锈钢的使用性能 348

6.1.4 医用不锈钢的新发展 350

6.2 钴基合金 352

6.2.1 钴基合金的发展过程 352

6.2.2 钴基合金的化学成分 352

6.2.3 钴基合金的使用性能 354

6.3 钛基合金 355

6.3.1 钛合金的发展过程 355

6.3.2 钛合金的化学成分 356

6.3.3 钛与钛合金的使用性能 357

6.4 新型金属材料 358

6.4.1 可降解镁合金 358

6.4.2 钽 359

6.4.3 抗菌医用金属 361

参考文献 362

第7章 非金属材料 365

7.1 结构类医用高分子材料 365

7.1.1 植入级超高分子量聚乙烯 365

7.1.2 高交联超高分子量聚乙烯 368

7.1.3 含维生素E的超高分子量聚乙烯 371

7.1.4 充填型超高分子量聚乙烯 372

7.1.5 聚醚醚酮树脂 373

7.2 骨水泥 377

7.2.1 普通骨水泥的化学成分 377

7.2.2 骨水泥的使用性能 377

7.2.3 骨水泥临床应用技术 384

7.3 陶瓷材料 386

7.3.1 氧化物类生物陶瓷 386

7.3.2 磷酸盐类生物陶瓷 390

7.3.3 硅酸盐类生物陶瓷 393

7.4 碳素材料 395

参考文献 396

第8章 填充型人工骨 401

8.1 天然煅烧骨 401

8.2 多孔生物陶瓷 402

8.3 复合型人工骨材料 405

参考文献 406

第9章 表面处理与涂层材料 407

9.1 表面抗磨处理与涂层材料 407

9.1.1 氮化钛表层 407

9.1.2 金属陶瓷化处理表层 409

9.1.3 金刚石与类金刚石涂层 413

9.2 表面活性化处理与涂层材料 416

9.2.1 骨科植入物活性化的需求 416

9.2.2 骨传导性与骨诱导性 416

9.2.3 生物陶瓷涂层 417

9.2.4 钽涂层 417

9.3 基于多孔钛支架的植入物生物学技术研究 418

9.3.1 多孔钛支架的制备 418

9.3.2 多孔钛支架的生物学试验 420

参考文献 421

第10章 骨科植入物生物材料的评价标准与检测 427

10.1 生物材料的物理化学性能评价标准 427

10.1.1 国际标准 427

10.1.2 ASTM标准 429

10.1.3 国内标准 431

10.2 金相与物理性能评价标准与检测 432

10.2.1 金相显微组织 432

10.2.2 力学性能 432

10.2.3 硬度 433

10.3 化学性能评价标准与检测 435

10.4 表面缺陷的液体渗透检测 438

10.4.1 检测标准 438

10.4.2 液体渗透检验体系分类与选择 438

10.4.3 渗透检验的装置 441

10.4.4 渗透检验基本程序 441

10.4.5 显示的解释和缺陷评定 442

10.5 生物学性能评价标准与检测 443

参考文献 446

第2篇 结束语 骨科植入物材料的发展展望 447

参考文献 448

索引 449