第1章绪论
　　生物医用材料力学性能的定量描述与检测分析、影响因素的研究与调控、宏观性能与微观结构的关系，医用植介入材料与生物体细胞、组织的相互作用等的研究，不仅是生物材料学的重要研究领域，也是医疗器械在临床正确、安全使用的必要保障。
　　本章简要介绍生物医用材料及其力学的基本概念，生物医用材料力学的主要研究内容，以及本书的主要内容。
　　1.1生物医用材料概述
　　生物医用材料是通过接触或植介入等方式与生物体发生相互作用，从而对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料，常常又被称为生物材料[1-4]。生物材料学是研究生物材料及其与生物环境相互作用的科学，包括材料力学性能或植介入体表面改性等与材料科学相关的研究，以及免疫、毒理和创伤修复等过程的生物学研究[5]。
　　生物医用材料的应用可追溯到几千年以前。人类在与各种疾病抗争的过程中，生物医用材料逐渐成为最有效的工具之一[4]。例如，公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作为缝合线来缝合伤口，这些棉花纤维、马鬃可被称为原始的生物医用材料。人们发现公元前2500年中国、埃及的墓葬中就有假牙、假鼻、假耳。但生物材料学作为一门较新的学科是在第二次世界大战之后，随着合成材料的广泛应用才得到迅速发展[1]。例如，人工髋关节（金属材料和高分子材料）、肾透析仪（纤维素：天然高分子衍生物）等医疗器械在临床应用中的成功，极大地推动了生物材料学的发展。
　　生物医用材料本身不是药物，其治疗途径是以与生物机体相互作用为基本特征，因此，生物医用材料研究的最终目的是研发可以与人体接触或能植介入人体的材料，并进一步开发能有效用于临床的医疗器械和人工器官等。随着生物技术、临床医学和医疗器械等行业的蓬勃发展和重大突破，生物医用材料已成为各国科学家竞相研究和开发的热点。当今，生物医用材料占据了医疗卫生行业非常大的市场，2022年生物医用材料的市场规模超过3000亿美元。最常见的以生物医用材料为主体成分的医疗器械有人工心脏瓣膜、冠脉支架、人工血管、人工关节、心肺机和血液透析仪等[5]。
　　生物医用材料按不同的方法可分为不同的种类[5， 6]。生物医用材料按用途可分为骨骼-肌肉系统修复材料、软组织医用材料、心血管系统医用材料、医用膜材料、组织黏合剂和缝线材料、药物释放载体材料、生物传感器材料等[5]。生物医用材料按材料在生理环境中的生物化学反应水平可分为生物惰性材料、生物活性材料、可降解和吸收生物材料等。生物医用材料按材料的组成和性质可分为生物医用金属材料（如不锈钢、钴铬合金、钛合金等）、生物医用无机非金属材料（如碳基材料、氧化锆、生物活性陶瓷等）、生物医用高分子材料（如聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸等）、生物衍生材料或称生物再生材料（如经过特殊处理的天然生物组织—胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等）、生物医用复合材料。
　　生物医用材料主要用在人体等生命系统中，对其在生物体内的安全性、有效性和可靠性等要求严苛。一般生物医用材料必须具有如下特性：①生物相容性。生物医用材料和活体之间相互作用时，具有血液相容性和组织相容性，材料在生物体内要求无不良反应[7]，如不引起凝血、溶血、毒性、癌变等。②化学稳定性。材料在体内要能够长期使用，必须在发挥其医疗功能的同时满足相应的化学稳定性要求，如耐腐蚀性、抗老化性等。③力学和物理性能。将材料加工制作成医疗器械并在生物体内发挥作用（恢复或代替生物组织器官的功能等），所用材料必须具有合适的物理和力学性能，如导热导电性、强度、刚度、韧性、疲劳性能、耐磨性等，以满足传热、电信号传导、抗变形、抗冲击、抗疲劳、耐磨损等应用的功能性要求。④表面性能，即生物医用材料外表面的几个原子层所表现出来的性能。表面性能一般不同于材料的本体的性能（本体性能）。材料的生物响应在很大程度上受其表面附着（吸附）的蛋白质影响，而蛋白质在材料表面的吸附取决于生物医用材料的表面性能[5， 7]。表面性能包括化学性能（如亲水性和疏水性等）、物理和力学性能（如粗糙度和摩擦性能等）。⑤成型加工性能。材料一般需要制作成具有一定功能结构的医疗器械后再使用，因此材料要具有容易加工成型、容易消毒（如紫外灭菌、环氧乙烷气体消毒等）等特性。
　　1.2生物医用材料力学概述
　　生物医用材料力学研究生物医用材料的力学行为及其力学性能与材料的生物功能、几何结构、微观结构、组成成分等因素之间的内在联系，揭示生物医用材料性能的力学与物理机制[8]。生物医用材料的力学行为多种多样，影响因素也很多，因此生物医用材料力学的研究内涵非常广阔，涉及各种生理、病理与环境条件下生物医用材料的本构关系、断裂、损伤与失效、流-固耦合、热-力-电-生等多场耦合、多尺度关联、表面与界面效应、尺寸效应等诸多内容[8]。
　　生物医用材料的力学性能描述了生物医用材料对力学载荷或变形的响应行为，如生物医用材料的弹性和塑性变形、黏弹性和时间依赖性、多轴载荷和复杂应力状态、疲劳与磨损、屈服和失效、断裂等。生物医用材料的力学性能很大程度上受其理化性质及微观结构的影响。一般材料的力学行为可以根据力学载荷对材料内部原子及缺陷运动的影响和材料学响应来理解，因此对材料原子、缺陷及结构的研究是理解材料力学行为的基础。
　　一般生物医用材料的力学性能采用材料的力学性能指标来表述。材料的力学性能指标是材料在载荷和环境因素作用下抵抗变形与破坏等的力学量化参量，是评定材料质量的主要依据，是结构设计时选材的根据[9]。材料的主要力学性能指标有：①弹性，是指材料在外力作用下保持固有形状和尺寸的能力，以及在外力去除后恢复固有形状和尺寸的能力，表征的力学性能指标如杨氏模量、泊松比、剪切模量等。②塑性，是指材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力，表征的力学性能指标如延伸率、断面收缩率等。③强度，是指材料对塑性变形和断裂的抵抗能力，表征的力学性能指标如材料的屈服强度、断裂强度、疲劳强度等。④韧性，是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，表征的力学性能指标如静力韧性、冲击韧性、断裂韧性等。⑤硬度，是指材料表面抵抗穿透的软硬程度，表征的力学性能指标如材料的布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。⑥疲劳，是指材料或构件在周期循环外加应力和环境作用下能够安全、有效使用的期限，表征的力学性能指标如疲劳裂纹扩展寿命等。⑦缺口敏感性，是指材料对缺口（截面变化）的力学响应，表征的力学性能指标如应力集中系数、静拉伸缺口敏感性、疲劳缺口敏感系数等。⑧耐磨性，是指材料抵抗磨损的能力，表征的力学性能指标如线性磨损、质量磨损、体积磨损等。
　　材料的力学性能对生物医用材料来说非常重要。以生物医用材料为主体开发的医疗器械，在临床上主要用于骨科器械、心血管设备、牙科器械、康复辅具和软组织植入物等。医疗器械在生物体内的服役期间，其受力状态非常复杂，并在不断动态变化。例如，人体骨的力学性能因年龄、部位而异，评价骨和材料的力学性能最重要的指标有抗拉抗压强度、屈服强度、弹性模量、疲劳极限和断裂韧性等。对于承重并运动的人工关节，其材料的选择将对摩擦和磨损性能有非常高的要求，人工关节每年要承受超过百万次的且数倍于人体重量的载荷冲击和磨损，其耐久性能可用疲劳和磨损性能来表征，而硬度又能在很大程度上反映材料的耐磨性能。在人工关节的设计和临床应用中，力学性能的相容性也非常重要，生物医用材料的弹性模量或植入体的结构刚度要与宿主组织的弹性模量接近，以使得生物组织不会因为应力遮挡而发生吸收或退变。例如，骨科植入器械或材料的弹性模量不能过高或者过低。材料的弹性模量相对骨组织如果过高，在负载作用下，材料将承受大部分应力并产生较小的形变，骨组织承受的应力和发生的应变将低于生理应力或应变，将进一步引起骨组织的功能退化和吸收，有可能产生骨溶解而导致植入物的无菌性松动。同时，骨组织与医用材料在同样的应力作用下将产生不同的应变，引起植入体与骨组织接触面发生相对微动，如果微动太大就会影响植入体界面的骨整合，长时间下就会造成界面处的松动。当然，生物医用材料或医疗器械的弹性模量也不能太小，否则材料或器械的变形较大，起不到固定和支撑作用。
　　研究生物材料力学性能的最重要目标是可以正确地、安全地使用生物医用材料。在进行医疗器械等构件的设计时，可根据器械在生物体的服役条件，并按材料力学理论确定满足使用要求的性能指标（如强度、塑性、韧性、硬度、脆性转化温度等），然后再挑选出合适的材料，这样可以基本保证器械在服役期内的安全运行。同时，通过对生物医用材料力学性能的研究，可以评价材料合成与加工工艺的有效性，并通过控制材料的成分、加工及显微结构，提高其力学性能。例如，合金化、加工硬化、表面处理等能有效地提高材料的本体及表面性能。此外，通过对生物医用材料力学性能的研究，还可在生物材料力学理论的指导下，采用新的材料成分和结构，或者新的加工和合成工艺，设计和开发出新材料，以满足对生物医用材料的更高需求。
　　1.3生物医用材料力学的研究内容
　　生物医用材料力学主要研究各种材料在外力和环境条件下发生变形和断裂的行为过程与微观机理，研究医疗器械所用材料与宿主组织的相互作用，评定材料的力学性能指标及其力学、工程和临床实用意义，以及研究力学性能指标的离体和在体的测试原理、方法和影响因素，改善力学性能的方法和途径等，主要内容如下[9]。
　　1.生物医用材料在生物体各种使用条件下的力学行为与性能
　　生物医用材料在人体或动物等生物体中使用，在不同服役条件下的力学行为和性能与材料或构件的种类、形状、外加载荷的形式和环境条件密切相关。
　　就生物材料的种类而言，材料的力学性能不仅包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、纳米材料等的共性力学行为，还包括各类材料力学性能的特殊性。
　　就生物医用材料构成的器械形状而言，在材料力学行为的研究中主要有三种不同形式的试件，即光滑试件、缺口试件和裂纹试件。在模拟在体使用的离体测试实验中，光滑试件主要用于材料基本力学性能的测定和失效机理与判据的研究；缺口试件主要用来模拟截面变化构建的力学行为；裂纹试件主要用于评价裂纹结构件的剩余强度和寿命。
　　根据外加载荷施加条件的不同，生物医用材料的力学性能可分为静载、冲击载荷和交变载荷下的力学性能。静载力学性能是指材料在缓慢加载条件下的力学行为，如单向拉伸、压缩、弯曲、扭转等；冲击载荷下的力学性能是指材料在高速加载条件下的力学行为，如撞击、冲击弯曲等；疲劳是材料在交变载荷条件下的破坏行为，如高周疲劳、低周疲劳、冲击疲劳等。
　　按环境条件的不同，材料的力学性能可区分为：不同温度下的力学行为，如高温下的蠕变和应力松弛等；不同化学介质中的断裂行为，如应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨损等；不同生物环境中的力学响应，如血液流动环境中的钙化、聚乙烯磨损颗粒所致的无菌性松动等。
　　当两种材料或构件相互接触并有相互运动或运动趋势时，将发生材料的摩擦与磨损行为，其力学性能可用摩擦副的摩擦系数和磨损量进行表征。例如，人工关节在不同步态运动下的摩擦与磨损等。
　　2.生物医用材料力学性能的测试技术
　　生物医用材料力学性能的研究是建立在实验基础上的，而材料的各种力学性能指标也需要通过实验来测定。因此，在生物医用材料力学性能研究中，必须重视材料力学性能的测试原理和方法，熟悉并掌握所用的各种实验仪器和实验步骤。只有这样，才能加深对力学性能理论的认识，正确地评价材料的力学性能。根据外加载荷和环境条件的不同，常用的材料力学性能的测试技术包括静载拉伸、压缩、弯曲、扭转、硬度、冲击、疲劳、黏弹性、磨损等。