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出版者:Springer Verlag

作者:Martin, R. Bruce/ Burr, David B./ Sharkey, Neil A.

出品人:

页数:412

译者:

出版时间:1998-10

价格:$ 168.37

装帧:HRD

isbn号码:9780387984742

丛书系列:

图书标签:

• 骨骼组织力学
• 生物力学
• 骨骼
• 力学
• 材料力学
• 生物材料
• 组织工程
• 骨骼疾病
• 建模
• 有限元分析

骨组织生物力学：结构、功能与疾病的整合视角 （一）引言：生物力学在骨骼科学中的核心地位 本书旨在全面深入地探讨骨骼组织生物力学这一跨学科领域的核心概念、研究方法和临床应用。骨骼不仅仅是身体的支撑框架，更是一个动态的、不断重塑的活组织，其结构与功能深受机械载荷、微环境以及遗传因素的调控。理解骨骼如何感知、传递和响应机械刺激，是揭示骨骼发育、成熟、适应性重塑（Remodeling）乃至病理过程（如骨质疏松、骨折不愈合）的关键。本书将从基础的材料科学视角出发，逐步过渡到复杂的组织、器官及系统层面，为生物医学工程、生物力学、运动科学以及骨科临床研究人员提供一个坚实的理论框架和实用的技术指南。 本书不涉及《Skeletal Tissue Mechanics》的具体内容，而是聚焦于构建一个独立、完整、深入的骨组织生物力学知识体系。 （二）骨骼的生物力学基础：材料特性与结构层次 第一部分奠定理论基础，详细剖析骨骼的多尺度结构及其对应的生物力学特性。 1. 骨骼的微观结构与各向异性： 骨组织并非均匀的各向同性材料。我们将深入解析皮质骨（Cortical Bone）和松质骨（Trabecular Bone）的微观结构，包括： 皮质骨： 哈氏系统（Haversian System）的构造、骨单位（Osteon）的排列方向与加载方向的关系。探讨在不同应力状态下（拉伸、压缩、剪切、扭转）的应力-应变曲线差异，强调其粘弹性（Viscoelasticity）和各向异性（Anisotropy）对骨骼疲劳寿命和损伤阈值的影响。 松质骨： 梁（Strut）和板（Plate）的拓扑结构（Topology）如何决定其高比表面积和较低的杨氏模量。分析孔隙率（Porosity）和连通性（Connectivity）对承载能力和流体动力学行为（Fluid Flow Dynamics）的决定性作用。 2. 骨材的本构关系与损伤力学： 详细阐述描述骨骼力学响应的本构模型，包括线性粘弹性模型（如Voigt和Maxwell模型）和更复杂的非线性超弹性模型。重点讨论骨骼的失效准则（Failure Criteria），区分微裂纹的萌生与扩展以及宏观尺度的骨折（Fracture）。我们将介绍如何利用数字图像相关技术（DIC）和有限元分析（FEA）来量化应力集中区域和损伤累积过程。 （三）信号转导机制：骨骼的机械感知与适应 第二部分聚焦于骨骼的动态特性——骨重塑（Bone Remodeling），特别是机械刺激如何被转化为生物化学信号，调控成骨细胞（Osteoblasts）、破骨细胞（Osteoclasts）和骨细胞（Osteocytes）的行为。 1. 骨细胞网络（The Osteocyte Lacuno-Canalicular Network, LCN）： 骨细胞被认为是骨骼中的主要机械感受器。本书将详尽阐述LCN如何充当传感器和信号枢纽： 流体剪切应力（Fluid Shear Stress）： 机械载荷导致骨孔隙液流动，这种流动产生的剪切力如何被骨细胞的纤毛（Cilia）和细胞骨架感知。 机械信号的分子通路： 探讨从机械刺激到信号转导的关键分子机制，包括钙离子信号、整合素（Integrin）介导的细胞外基质连接，以及Wnt/$eta$-catenin通路在机械负荷下的调控作用。 2. 荷载效应的生物学响应： 区分适度负荷（Loading）、过载（Overloading）和失载（Unloading）对骨骼代谢的精确影响。例如，分析低频、高幅度的振动负荷（如机械振动疗法）如何选择性地刺激成骨作用，以及微重力环境（失重）如何引发破骨作用的失衡。 （四）生物力学模型与工程技术 第三部分介绍用于量化和预测骨骼力学行为的先进计算和实验工具。 1. 结构分析与有限元模型（FEA）： 详述如何根据CT或HR-pQCT扫描数据建立个性化的骨骼有限元模型。重点讨论网格划分策略、材料参数的导入（尤其是松质骨的各向异性赋值）以及边界条件的设置。我们将通过实际案例分析，展示FEA如何预测不同植入物（如人工关节、钉板系统）与骨骼的应力遮挡效应（Stress Shielding），并优化生物力学匹配。 2. 活体生物力学测量技术： 回顾非侵入性的体内力学评估方法： 双能X射线吸收法（DXA）与体外力学参数的关联： 讨论如何通过测量区域骨密度（aBMD）间接推算骨的结构强度。 定量外周计算机断层扫描（qCT）与三维形态学分析： 如何结合骨的小梁拓扑参数（如结构模型指数 SMI）来提高对骨折风险的预测精度。 动态生物力学测试： 介绍仪器化测试平台（如万能材料试验机）在体外评估新鲜或固定骨标本的极限载荷、刚度与韧性（Toughness）。 （五）临床与病理生物力学 最后一部分将理论与实践相结合，探讨生物力学在骨科疾病诊断和治疗中的应用。 1. 骨质疏松症的生物力学风险评估： 超越单纯的T评分，介绍如何利用生物力学指标（如骨小梁的厚度、间距、连接度）来更精确地评估老年患者的骨折脆性（Fragility）。分析骨骼微架构退化如何系统性地降低材料的韧性，即使在没有明显载荷的情况下也容易发生椎体和髋部骨折。 2. 骨折愈合与修复的生物力学控制： 骨折愈合是一个复杂的生物力学调控过程。本书将讨论非稳定固定（Relative Motion）如何促进软骨内成骨，而完全固定（Rigid Fixation）则倾向于皮质骨的直接愈合。重点分析骨缺损（Bone Defects）修复中，生物活性支架（Scaffolds）的力学设计（如孔隙率、弹性模量匹配）如何引导间充质干细胞的向骨系分化。 3. 骨科植入物的生物力学考量： 从材料相容性到机械性能的匹配，探讨人工关节（髋、膝）的界面稳定性。分析磨损颗粒（Wear Debris）的生物力学效应——它们如何进入骨界面，诱发炎症反应，并最终导致植入物周围的应力遮挡性骨溶解（Stress-Shielding Osteolysis）。 结论：整合生物力学驱动的骨骼未来 本书强调，对骨骼生物力学的研究必须是跨尺度的、多学科整合的。未来的研究将更依赖于计算模型与实验数据的闭环验证，从而实现个性化的力学干预和更有效的骨骼疾病管理。本书为读者搭建了一个坚实的桥梁，连接基础材料科学与尖端的临床转化医学。

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