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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