摘要：研究生物硬组织材料的力学性质对于预防和治疗骨科和口腔疾病具有重要意义。同时,经过长期的进化,生物材料具有独特的力学性质,研究这些材料的结构与力学性质可以为工程材料的设计提供解决方案。与工程材料不同,生物材料的力学研究需要采用特殊的方法来准确描述其力学性质。本文针对生物硬组织材料力学性质的研究方法进行综述,包括生物硬组织材料的常规力学实验方法、断裂力学和压痕测试技术,以及微观和宏观力学数值模拟技术。

摘要：目的研究非自相似分层次结构对生物复合材料的断裂力学性质及裂纹在其中扩展的影响。方法利用ABAQUS软件进行建模,采用扩展有限元法分别模拟矿物晶体长轴方向与矿化胶原纤维长轴方向夹角θ=0°、20°、40°、60°、80°时矿化胶原纤维束的刚度以及裂纹在其中产生和扩展情况。结果当θ≤40°时,θ对材料刚度的影响很小;当θ>40°时,材料刚度随着θ增大而减小,其极限拉伸应变随着θ增大而增大。当θ>0°时,裂纹在增强项两侧蛋白质扩展过程中有不对称现象,矿物晶体长轴偏转的一侧裂纹相对更容易扩展。结论生物硬组织材料中的非自相似分层次结构使得材料中的裂纹分布变得不均匀,故硬组织材料中的非一致排列现象可使得材料在外载荷作用下发生局部破坏而非灾难性脆断。研究结果可为材料设计提供理论支持。

摘要：目的研究海龟背甲的多层结构引起的塑性能量耗散和损伤能量耗散机理。方法考虑海龟背甲的多层结构、角质层和胶原蛋白质层的塑性变形、角质层和胶原蛋白质层间界面脱黏、胶原蛋白质层和骨骼层间界面脱黏以及骨骼层的脆性断裂,建立海龟背甲的断裂力学模型,开展背甲在冲击载荷作用下的破坏力学行为的数值模拟。结果背甲的角质层和胶原蛋白质层的塑性变形与界面脱黏相互促进。在低冲击速度下,界面脱黏引起的损伤能量耗散与角质层和胶原蛋白质层的塑性耗散相等;两种耗散机理产生了相同的增韧效果。在高冲击速度下,角质层和胶原蛋白质层的塑性耗散大于界面脱黏的损伤能量耗散,表明塑性变形是背甲主要的增韧机理。另外,冲击速度会影响塑性耗散的程度;随着冲击速度的增加,塑性耗散呈现出先减小后增大的趋势。这一趋势与角质层和胶原蛋白质层的塑性变形模式有关。随着冲击速度的增加,两层中的塑性变形区逐渐减小且塑性应变值增大,表现出塑性应变局部化。冲击速度的进一步增大导致两层中塑性变形扩展,抑制了塑性应变局部化。结论本文揭示的海龟背甲多层结构中塑性耗散和界面脱黏引起的损伤能量耗散相互作用机理为设计高韧性、抗冲击的工程防护材料提供了理论依据。