1绪论：中国骨科生物力学的发展&戴尅戎 1
1.1 生物力学的传承及发展 1
1.2 骨科生物力学的现状及发展 2
1.3 骨与关节生物力学及力学生物学 3
1.4 运动生物力学 6
1.5 骨科计算生物力学 8
1.6 总结及展望 10
参考文献 11
2骨的生物学基础：骨的组成、发育和生长&汤亭亭 乔涵 13
2.1 骨组织的基本组成 13
2.1.1 有机成分 13
2.1.2 无机成分 14
2.2 骨骼的基本形态和结构 14
2.2.1 骨膜 15
2.2.2 骨单位 15
2.2.3 骨髓 16
2.2.4 骨的血液供应 17
2.3 骨内的主要细胞成分 17
2.3.1 成骨细胞 17
2.3.2 破骨细胞 19
2.3.3 骨细胞 20
2.3.4 衬细胞 21
2.4 人体骨骼的发育和调控 21
2.4.1 软骨的形成 22
2.4.2 骨的形成 22
2.4.3 骨的钙化和矿化 24
2.5 骨组织的基本生理活动：生长、改建、重建和代谢 24
2.5.1 骨的生长 24
2.5.2 骨改建 25
2.5.3 骨重建 25
2.5.4 骨代谢 27
2.5.5 骨的力学适应性 28
参考文献 29
3骨生物力学基础：骨力学与骨重建&张西正 李昊 31
3.1 力学基本理论 31
3.1.1 载荷与变形 31
3.1.2 应力与应变 31
3.1.3 强度与刚度 33
3.1.4 蠕变与松弛 34
3.1.5 疲劳 34
3.1.6 失效 35
3.2 骨组织力学性能评价 37
3.2.1 骨组织的（准）静态力学性能 37
3.2.2 骨组织动态力学性能 40
3.3 骨组织的力学适应性 42
3.3.1 骨组织力学适应性的早期理论 42
3.3.2 骨重建 43
3.3.3 骨组织疲劳损伤与定向骨重建 46
3.4 骨重建基本理论 48
3.4.1 应力大小理论 48
3.4.2 应变能-骨密度理论 48
3.4.3 骨表面重建理论 48
3.4.4 力-电效应理论 49
3.4.5 显微裂纹理论 49
参考文献 51
4宏观-细观-微纳观多层次骨结构形态和力学性能 55
4.1 细观骨结构及其力学性能&高甲子 宫赫 55
4.1.1 细观层次的骨结构形态 55
4.1.2 基于Micro-CT扫描的骨细观结构观测 55
4.1.3 细观骨力学性能 57
4.2 微纳观骨结构形态和力学性能观测方法&张睿 宫赫 58
4.2.1 扫描电镜观察骨微观结构形貌 58
4.2.2 原子力显微镜（AFM）观测骨材料的矿物相 59
4.2.3 纳米压痕实验测量骨材料的压痕模量和硬度 60
4.3 结合宏观-细观-微纳观多层次的骨结构形态和力学性能研究&高甲子 张睿 宫赫 60
4.3.1 老龄骨退化模式的宏观-细观-微纳观实验研究 60
4.3.2 利用宏观-细观-微纳观多层次的实验研究探讨不同间歇方式的高频率低载荷机械振动对于大鼠胫骨骨折愈合的影响 67
参考文献 70
5骨与关节生物力学实验技术 73
5.1 骨骼宏观基本力学参数和测试方法&张东升 73
5.1.1 长骨试样的夹持 73
5.1.2 单向拉伸和压缩实验 74
5.1.3 骨骼扭转实验 74
5.1.4 骨骼三点弯曲实验 75
5.2 皮质骨断裂力学行为的测试&张东升 75
5.2.1 纵向裂纹扩展的断裂韧度测试 77
5.2.2 横向裂纹扩展的断裂韧度测试 78
5.2.3 疲劳裂纹扩展行为 79
5.3 关节内应力的压敏片测量技术&张东升 80
5.3.1 化学式压敏片 81
5.3.2 电子式压敏片 85
5.4 应用显微CT技术实现骨内微观变形场的测量&汪爱媛 86
5.4.1 数字图像相关法 86
5.4.2 基于计算机断层数据的骨内三维变形测量 87
5.5 内固定器械力学测试技术&张东升 91
5.5.1 内固定器械的尸体标本实验 92
5.5.2 动态疲劳测试方法 93
参考文献 94
6骨折愈合和固定的生物力学研究 97
6.1 影响骨折愈合的生物力学因素&王晓庆 李晓东 97
6.2 骨折内固定的生物力学分析&王晓庆 李晓东 98
6.2.1 股骨骨折内固定的生物力学分析 98
6.2.2 胫骨骨折内固定的生物力学分析 100
6.2.3 跟骨骨折内固定的生物力学分析 100
6.2.4 骨盆骨折内固定的生物力学分析 101
6.2.5 锁骨和上肢骨折内固定的生物力学分析 101
6.3 骨质疏松性骨折愈合方式的研究&郝永强 103
6.3.1 骨质疏松骨折愈合的生物学特点 103
6.3.2 骨质疏松骨折愈合的生物力学特点 106
6.4 机械性显微损伤及其修复机制&于志锋 107
6.4.1 骨质疏松状态下植入物周围机械性显微损伤的产生和修复 107
6.4.2 显微损伤修复过程对骨力学性能的影响 110
参考文献 112
7软骨生物力学 115
7.1 关节的结构形态&张晓玲 黄研 115
7.1.1 关节软骨的结构 115
7.1.2 软骨下骨 117
7.2 关节软骨的力学性能&高丽兰 邱璐璐 张春秋 118
7.2.1 关节软骨的力学特性 119
7.2.2 关节软骨生物力学实验研究 120
7.2.3 关节软骨的数值模拟 128
7.3 关节软骨疾病与力学环境&黄研 张晓玲 130
7.3.1 骨关节炎的病理改变 131
7.3.2 关节软骨退变的原因 131
7.3.3 力学因素与骨关节炎 133
7.4 关节软骨损伤修复的生物力学研究&张春秋 邱璐璐 高丽兰 135
7.4.1 关节软骨不同损伤类型 135
7.4.2 关节软骨损伤部位及原因 135
7.4.3 力学环境对关节软骨的影响 136
7.4.4 关节软骨缺损的力学状态 138
7.4.5 缺损关节软骨修复后的力学状态 141
参考文献 143
8脊柱生物力学 147
8.1 颈椎的生物力学&陈教想 王向阳 147
8.1.1 颈椎解剖学 147
8.1.2 颈椎运动学 150
8.1.3 颈椎动力学 153
8.2 腰椎生物力学&张凯 赵杰 158
8.2.1 腰椎解剖学 158
8.2.2 腰椎运动学 161
8.2.3 腰椎动力学 163
8.2.4 腰椎单侧椎弓根螺钉内固定的生物力学研究 166
8.3 脊柱内固定的生物力学&钱蕾 欧阳钧 168
8.3.1 脊柱骨折内固定的生物力学分析方法 169
8.3.2 脊柱前路内固定 170
8.3.3 脊柱后路固定 171
8.3.4 骨质疏松脊柱的生物力学 173
8.3.5 非融合内固定的生物力学 175
参考文献 176
9髋关节生物力学 181
9.1 髋关节生物力学仿真建模与分析&王成焘 王冬梅 181
9.1.1 髋关节接触问题的仿真建模分析 181
9.1.2 髋关节软骨层间质流动力学仿真建模与分析 186
9.2 人工髋关节设计中的生物力学问题&王成焘 王冬梅 周海 189
2.1 人工髋关节的典型结构 189
9.2.2 人工髋关节设计中的运动学问题 190
9.2.3 人工髋关节球头 ——髋臼的摩擦、磨损与松动 193
9.2.4 人工髋关节柄设计中的生物力学问题的要求 198
9.3 人工髋关节生物力学试验&王成焘 王冬梅 202
9.3.1 人工髋关节柄部强度试验 202
9.3.2 人工髋关节磨损试验 202
9.4 髋关节相关疾病治疗中的若干生物力学问题&王成焘 王冬梅 朱东 204
9.4.1 人工髋关节临床失效的统计分析 204
9.4.2 人工髋关节失效的生物力学分析 206
9.4.3 股骨髋臼撞击综合征的生物力学分析及治疗 209
9.5 天然与人工髋关节生物力学研究展望&王冬梅 朱东 212
参考文献 213
10膝关节生物力学 215
10.1 膝关节的生物力学研究&王长江 陈维毅 郭媛 215
10.2 人工膝关节的设计和生物力学分析&王长江 陈维毅 郭媛 216
10.2.1 人工膝关节的受力和应力分析 217
10.2.2 人工膝关节的个性化设计 222
10.3 正常下肢对线特点及影响因素&岳冰 曾一鸣 225
10.3.1 常见正常下肢对线的基本概念 225
10.3.2 国人正常下肢对线测量研究 226
10.3.3 正常下肢对线特点对人工膝关节置换假体安放的指导意义 228
10.4 后交叉韧带保留型全膝关节置换功能分析&岳冰 曾一鸣 230
10.4.1 患者资料及实验设计 230
10.4.2 PCL体内运动学分析 231
10.4.3 研究结果及对临床的指导价值 232
参考文献 234
11足踝生物力学 239
11.1 步态站立中期中足的载荷分配和力传导&牛文鑫 张明 239
11.1.1 足踝有限元建模 239
11.1.2 离体实验 241
11.1.3 站立相中足载荷再分配 242
11.2 高跟鞋对足踝影响的生物力学研究&余嘉 张明 244
11.2.1 研究平台 244
11.2.2 高跟鞋引起典型疾病的生物力学 246
11.3 跟骨骨折内固定术后即刻稳定性的生物力学&倪明 牛文鑫 248
11.3.1 离体生物力学实验 249
11.3.2 有限元分析 249
11.3.3 跟骨骨折不同固定方式的力学特点 250
参考文献 254
12低载荷机械振动对骨质疏松和骨折愈合的影响&朱东 257
12.1 低载荷机械振动对骨质疏松影响的实验研究 257
12.1.1 低载荷机械振动在对抗骨质疏松应用的国内外研究现状 257
12.1.2 低载荷机械振动对抗骨质疏松的动物实验研究 258
12.1.3 低载荷机械振动对抗骨质疏松的分子生物学实验研究 264
12.1.4 低载荷机械振动对抗骨质疏松的人体实验 265
12.2 低载荷机械振动对骨折愈合影响的研究 266
12.2.1 低载荷振动对骨折愈合影响研究及应用的国内外现状 266
12.2.2 持续与间歇低载荷机械振动对骨折愈合影响的宏观研究 268
12.2.3 持续与间歇低载荷机械振动对骨折愈合影响的微观研究 271
12.2.4 低载荷机械振动促进成骨的细胞学研究 273
12.3 低载荷机械振动对骨折愈合影响的总结与展望 276
参考文献 276
13微小RNA与骨组织力学生物学响应&郭勇 汪洋 279
13.1 miRNA概述 279
13.1.1 miRNA简介 279
13.1.2 miRNA在骨生物学方面的调节 作用 279
13.2 miRNA的力学响应 281
13.2.1 力学响应miRNAs调控软骨修复 281
13.2.2 力学响应miRNAs调控成骨分化 282
13.2.3 微重力环境下骨组织&细胞的miRNA响应 283
13.3 成骨细胞miRNA的力学响应研究 284
13.3.1 成骨分化miRNA和力学响应miRNA 285
13.3.2 成骨细胞miRNA的力学响应 285
13.3.3 力学响应miRNA靶基因的验证 287
参考文献 289
14原发性骨质疏松的力学生物学&吴江 李良 何学令 曾烨 293
14.1 原发性骨质疏松的诊断标准及生物力学考量 293
14.1.1 原发性骨质疏松的诊断标准及其意义 293
14.1.2 生物力学考量 294
14.2 原发性骨质疏松的生物力学防治策略 295
14.2.1 运动疗法在原发性骨质疏松中的研究应用 295
14.2.2 机械振动与原发性骨质疏松防治 296
14.3 原发性骨质疏松发病机理及临床的生物力学研究 297
14.3.1 原发性骨质疏松骨微结构病理学及生物力学特性改变 298
14.3.2 力学刺激对原发性骨质疏松细胞生物学活性的影响 301
14.4 原发性骨质疏松力学生物学研究的发展趋势 316
参考文献 318
15力学作用与药物耦合对骨质疏松症的影响 321
15.1 药物在骨质疏松症治疗的应用研究&王强松 321
15.1.1 药物对骨代谢中成骨细胞、破骨细胞活性的影响 321
15.1.2 类雌激素样药物对骨代谢的调节作用 322
15.1.3 药物对骨代谢中钙代谢调节系统的作用 322
15.1.4 药物对骨代谢中骨生物力学的影响 322
15.1.5 药物对骨代谢中细胞因子的影响 323
15.1.6 药物对骨代谢中信号通路的影响 323
15.2 力学刺激与药物耦合作用在骨质疏松症中治疗研究概述&王强松 刘璐 323
15.2.1 力学刺激联合药物在骨质疏松症中的治疗研究 324
15.2.2 力学刺激联合药物对成骨细胞的影响 325
15.2.3 结语 335
15.3 以组织工程技术为平台压缩载荷耦合药物的研究&刘璐 336
15.3.1 动态载荷与循环灌流反应器介绍和参数的设定 336
15.3.2 不同浓度α-ZAL对三维培养成骨细胞增殖能力的影响 337
15.3.3 α-ZAL对三维培养成骨细胞ALP活性的影响 337
15.3.4 α-ZAL对三维动态培养成骨细胞OPG/RANKL比值的影响 338
参考文献 339
16骨髓间充质干细胞的力学生物学&黄艳 樊瑜波 341
16.1 骨髓间充质干细胞的力学特性 341
16.1.1 骨髓间充质干细胞黏弹特性 342
16.1.2 骨髓间充质干细胞与分化成熟细胞的力学特性比较 342
16.1.3 基底硬度影响干细胞的分化 342
16.2 力学载荷对骨髓间充质干细胞生物学行为的影响 345
16.2.1 剪切应力对骨髓间充质干细胞的影响 346
16.2.2 张应力对骨髓间充质干细胞的影响 348
16.2.3 重力因素对骨髓间充质干细胞的影响 349
16.2.4 压应力对骨髓间充质干细胞的影响 350
16.2.5 联合加载对骨髓间充质干细胞的影响 351
16.3 力学载荷调控骨髓间充质干细胞命运的机制研究 354
16.3.1 整合素 354
16.3.2 力敏感离子通道 355
16.3.3 胞内信号转导通路 355
参考文献 356
17成骨细胞的力学响应&冷雪 王亮 359
17.1 成骨细胞对力学载荷的响应 359
17.1.1 成骨细胞对不同力学加载强度的响应 360
17.1.2 成骨细胞对不同力学加载时间的响应 362
17.2 Wnt/β-catenin信号通路与成骨细胞力学信号响应 366
17.2.1 Wnt/β-catenin信号通路 366
17.2.2 Wnt/β-catenin信号通路与成骨细胞力学信号响应 366
17.3 BMPs信号通路与成骨细胞力学信号响应 367
17.3.1 BMPs信号通路 367
17.3.2 BMPs信号通路与成骨细胞力学信号响应 368
17.4 Smurf1及蛋白酶体途径与成骨细胞力学信号响应 373
17.4.1 Smurf1及蛋白酶体途径 373
17.4.2 Smurf1及蛋白酶体途径与成骨细胞力学信号响应 374
17.5 Notch信号通路与成骨细胞力学信号响应 378
17.5.1 Notch信号通路 378
17.5.2 Notch信号通路与成骨细胞力学信号响应 378
参考文献 379
18力学作用下成骨细胞的组学研究&闫玉仙 吕琪 383
18.1 拉伸应变作用下成骨细胞的基因组学研究 383
18.1.1 拉伸应力作用下骨组织细胞的基因组学研究 384
18.1.2 拉伸应变对成骨细胞的力学作用机制 387
18.2 拉伸应变作用下成骨细胞的蛋白质组学研究 397
18.2.1 蛋白质样品制备 398
18.2.2 蛋白定量 398
18.2.3 双向凝胶电泳 398
18.2.4 数据统计分析 400
18.2.5 结果 400
参考文献 406
19力学作用下多种骨细胞的相互影响&李建宇 409
19.1 多种骨组织细胞共培养体系的建立 409
19.1.1 成骨细胞与破骨细胞的共培养体系 409
19.1.2 其他骨组织相关细胞的共培养体系 412
19.1.3 关于骨组织细胞共育体系中存在的问题 412
19.2 骨重建中骨形成与骨吸收过程的多向调控 412
19.2.1 骨重建中成骨细胞的调控通路 413
19.2.2 骨重建中破骨细胞的调控通路 413
19.2.3 骨重建中骨细胞的调控通路 415
19.3 不同力学载荷作用下多种骨组织细胞间的交互作用 415
19.3.1 力学环境下成骨细胞与破骨细胞间的相互作用 416
19.3.2 力学环境下以骨细胞为核心的调控作用 421
19.4 力学作用下骨组织细胞间相互作用的研究前景及存在问题 422
参考文献 422
20破骨细胞的力学生物学&霍波 王淑容 高颜 425
20.1 破骨细胞的基本性质 425
20.2 破骨细胞不同分化阶段的力致钙响应及机制 426
20.2.1 破骨前体细胞的分化诱导 426
20.2.2 流体剪应力引起破骨细胞的钙响应 427
20.2.3 破骨细胞分化晚期力致钙响应的敏感性减弱 430
20.2.4 流体剪应力引起破骨细胞钙响应的主要通路 431
20.3 流体剪应力作用下破骨细胞迁移的机制研究 435
20.3.1 流体剪应力引起破骨前体细胞的定向迁移 435
20.3.2 钙响应通路参与调节 流体剪应力引起的破骨前体细胞迁移 438
20.3.3 对于分化后破骨细胞，钙响应信号通路不参与调控流体剪应力引起的细胞迁移 441
20.4 结语 442
参考文献 443
21骨细胞的力学生物学响应&商澎 续惠云 王哲 杨鹏飞 447
21.1 单骨细胞的力学响应 447
21.1.1 单细胞力学研究方法和手段 447
21.1.2 单骨细胞的静态力学 450
21.1.3 单骨细胞的动态力学 451
21.2 骨细胞对压力、拉力的响应 453
21.2.1 压力对骨细胞的影响 454
21.2.2 应变对骨细胞的影响 454
21.2.3 基底刚度对骨细胞的影响 454
21.2.4 拉力对骨细胞的影响 455
21.2.5 振动对骨细胞的影响 455
21.3 骨细胞对流体剪切力的响应 456
21.3.1 骨细胞的流体微环境 456
21.3.2 流体剪切力对骨细胞的影响 457
21.3.3 骨细胞转导和传递流体剪切力信号的相关功能分子 458
21.4 微重力环境下骨细胞的力学生物学研究 460
参考文献 463
22力学载荷对干细胞成骨分化和组织工程骨构建的影响 467
22.1 力学刺激对间充质干细胞成骨分化的影响&石玉 戴尅戎 467
22.1.1 间断和连续周期性牵张应力对间充质干细胞成骨分化的不同影响 468
22.1.2 连续周期性牵张应力抑制干细胞成骨分化的机制 470
22.2 三维动态灌注培养构建组织工程化骨的研究&谢幼专 孙晓江戴尅戎 473
22.2.1 三维动态灌注培养对干细胞在载体内存活和增殖的影响 474
22.2.2 三维动态灌注培养时不同灌注速度对间充质干细胞增殖及成骨分化的影响 477
22.2.3 三维动态灌注法构建大段组织工程化骨修复羊胫骨干节 段性缺损 482
参考文献 484
23骨与软骨组织工程支架材料生物力学&李瑞欣 李晖 孟昊业 徐成 487
23.1 骨组织工程支架材料 487
23.1.1 生物衍生骨 487
23.1.2 无机材料 488
23.1.3 天然高分子材料及其复合材料 488
23.1.4 合成高分子材料及其复合材料 488
23.1.5 支架成型方法 488
23.2 力学作用对骨组织工程支架及工程化骨的影响 489
23.2.1 力学作用对骨组织工程支架及体外工程化骨的影响 489
23.2.2 力学作用对在体工程化骨的影响 494
23.3 软骨组织工程支架材料 498
23.3.1 天然高分子材料及其复合材料 499
23.3.2 合成高分子材料及其复合材料 499
23.4 力学作用对软骨组织工程支架及工程化软骨组织的影响 499
23.5 骨、软骨一体化支架材料的研究 503
23.5.1 骨、软骨界面的生物力学特征 503
23.5.2 一体化支架的构建 504
23.5.3 一体化支架材料力学性能测试 504
23.5.4 力学作用下骨软骨组织的构建 506
参考文献 507
24软骨组织工程的生物力学&卫小春 陈维毅 王小虎 张全有 511
24.1 正常软骨在生长、成熟与退化过程中的细胞力学特性 512
24.2 软骨组织工程中种子细胞传代后生物力学特性的变化 515
24.3 力学作用对软骨细胞的体外扩增与细胞表型的影响 516
24.4 力学环境对间充质干细胞（MSCS）向软骨细胞诱导分化的研究 517
24.5 基质刚度对软骨细胞生物力学特性的影响 517
24.6 总结 522
参考文献 522
25骨与软骨组织工程的力学作用和生物反应器&张春秋 李可 高丽兰 张西正 525
25.1 骨与软骨组织工程及其力学环境 525
25.1.1 力学刺激对骨与软骨组织的影响 526
25.1.2 骨与软骨组织工程 527
25.1.3 几种典型的骨与软骨组织工程生物反应器 528
25.2 通过液体媒介加载的生物反应器 529
25.3 通过固体媒介加载的生物反应器 532
25.3.1 压缩载荷 532
25.3.2 压缩叠加剪切载荷 536
25.4 通过其他媒介加载的生物反应器 540
25.5 力学载荷与生化刺激在生物反应器中的协同作用 541
25.6 骨与软骨组织工程生物反应器现存问题与发展方向 543
参考文献 545
索引 549