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第1篇 骨科植入物基础理论3

第1章 总论3

1.1 人体骨肌系统3

1.1.1 骨骼系统3

1.1.2 关节与骨连接7

1.1.3 关节软骨14

1.1.4 肌肉16

1.1.5 肌腱与韧带18

1.1.6 人体骨肌系统19

1.2 骨科手术与植入物19

1.2.1 创伤手术与创伤类植入物20

1.2.2 脊柱手术与脊柱类植入物24

1.2.3 关节手术与人工关节31

1.2.4 骨缺损修复术与骨修复体39

1.2.5 韧带损伤修复术与人工韧带45

1.3 骨科植入物工程学的背景学科与知识体系49

1.3.1 人体生物力学50

1.3.2 人体生物摩擦学52

1.3.3 生物材料学54

1.3.4 数字制造技术60

1.3.5 生物医学制造技术63

1.3.6 骨科植入物工程学的四个组成部分65

1.4 骨科临床中的数字技术65

1.4.1 骨科临床数字技术的组成与体系65

1.4.2 计算机辅助术前手术规划67

1.4.3 个体化植入物数字制造69

1.4.4 实现精准手术的导板、导航和手术机器人技术70

1.4.5 手术室信息集成技术77

1.4.6 计算机辅助术后评估与康复规划79

1.4.7 虚拟手术训练系统81

参考文献82

第2章 人体骨肌生物力学基本原理与方法87

2.1 人体骨肌系统运动学与动力学基础87

2.1.1 人体骨肌系统的生物力学仿真建模87

2.1.2 人体运动测量与运动学仿真分析97

2.1.3 人体动力学仿真分析103

2.1.4 关节力与关节接触力111

2.2 “骨-植入物系统”有限元分析方法112

2.2.1 骨肌系统有限元计算模型的建立112

2.2.2 有限元计算中的非线性问题117

2.2.3 “骨-植入物”系统的有限元分析119

2.2.4 基于Micro-CT的有限元细观建模与应力分析121

2.3 应力与骨生长124

2.3.1 Wolff定律与骨重建124

2.3.2 “骨-植入物”系统中的应力遮挡与骨吸收125

2.3.3 “骨-植入物”系统中骨重建的预测129

参考文献132

第3章 人体骨肌系统解剖结构与力学分析137

3.1 人体脊柱解剖结构与生物力学分析137

3.1.1 脊柱解剖结构与生物力学功能137

3.1.2 脊柱的典型运动与活动度142

3.1.3 脊柱生物力学仿真建模与典型运动的力学分析143

3.1.4 脊柱典型运动的有限元分析145

3.2 人体上肢解剖结构与生物力学分析152

3.2.1 上肢骨肌系统解剖结构与生物力学功能153

3.2.2 上肢的典型运动与活动度160

3.2.3 中国人肱骨近端的几何特征统计160

3.2.4 上肢生物力学仿真建模与典型运动的力学分析164

3.2.5 上肢骨骼典型运动的有限元分析172

3.3 人体下肢解剖结构与生物力学分析177

3.3.1 下肢骨肌系统解剖结构与生物力学功能177

3.3.2 下肢的典型运动与活动度180

3.3.3 中国人体下肢典型运动统计测量与分析186

3.3.4 下肢生物力学仿真建模与典型运动的力学分析188

3.3.5 下肢骨骼典型运动的有限元分析195

3.4 人体髋关节解剖结构与生物力学分析198

3.4.1 髋关节及周边软组织解剖结构与生物力学功能198

3.4.2 髋关节区段骨中的应力分布与骨小梁结构形态200

3.4.3 中国人群髋关节解剖学参数测量与统计分析201

3.4.4 天然髋关节的仿真建模与生物力学分析205

3.5 人体膝关节解剖结构与生物力学分析210

3.5.1 膝关节及周边软组织解剖结构与生物力学功能210

3.5.2 膝关节生物力学基本特征参数215

3.5.3 股胫关节生物力学217

5.4 髌股关节生物力学225

3.5.5 天然膝关节仿真建模与生物力学分析226

3.5.6 中国人群膝关节解剖学参数统计测量与分析230

3.6 人体足部和踝关节解剖结构与生物力学分析232

3.6.1 足部骨肌系统解剖结构与生物力学功能232

3.6.2 踝关节解剖结构与生物力学分析239

参考文献247

第4章 骨科植入物摩擦学255

4.1 人工关节运动副中的摩擦学255

4.1.1 摩擦学理论基础255

4.1.2 人工关节摩擦学的理论研究261

4.1.3 人工关节摩擦学的实验研究264

4.2 人工髋关节滑动表面的摩擦学266

4.2.1 人工髋关节的摩擦学环境及摩擦267

4.2.2 人工髋关节的润滑271

4.2.3 人工髋关节的磨损274

4.3 人工膝关节滑动表面的摩擦学280

4.3.1 人工膝关节的摩擦学环境及摩擦280

4.3.2 人工膝关节的润滑281

4.3.3 人工膝关节的磨损282

4.4 骨科植入物固定界面中的摩擦学286

4.4.1 骨科植入物与骨组织间界面286

4.4.2 植入物与骨水泥固定界面287

4.4.3 生物组织间界面287

4.4.4 改善措施288

4.5 骨科植入物结构元件间的摩擦化学288

4.5.1 摩擦腐蚀与金属生物膜289

4.5.2 影响因素291

4.5.3 应对措施291

4.6 关节假体与软骨间的摩擦学292

4.6.1 关节软骨的结构和力学特性292

4.6.2 简单试验模型的研究293

4.6.3 半髋置换假体与软骨间的摩擦学分析296

4.6.4 人工膝关节假体与髌骨软骨间的接触和摩擦学分析297

4.7 磨粒的生物学反应298

4.7.1 假体无菌性松动与人工髋关节的生物学磨损寿命298

4.7.2 植入物磨粒及组织学反应299

4.7.3 假体无菌性松动的影响因素及应对措施300

4.8 人工关节摩擦学的临床前测试301

4.8.1 概述301

4.8.2 人工关节临床前测试302

4.8.3 人工关节临床前测试的发展趋势304

参考文献306

第1篇 结束语 骨科植入物基础理论的展望329

第2篇 骨科植入物材料学333

第5章 骨科植入物材料的性能要求333

5.1 骨科植入物材料的生物学性能要求333

5.1.1 生物相容性333

5.1.2 生物活性337

5.1.3 生物稳定性338

5.1.4 生物降解性338

5.1.5 抗菌性能339

5.2 骨科植入物材料的机械性能要求339

5.2.1 弹性模量与泊松比339

5.2.2 静强度与疲劳强度340

5.2.3 力学性能稳定性340

5.2.4 摩擦与磨损性能341

5.3 骨科植入物材料的化学性能要求342

5.3.1 耐腐蚀性342

5.3.2 电化学性能343

5.4 骨科植入物材料的可消毒性能要求343

5.4.1 植入物常用的消毒方式343

5.4.2 植入物材料的可消毒性344

参考文献345

第6章 金属材料347

6.1 医用不锈钢347

6.1.1 医用不锈钢的发展过程347

6.1.2 医用不锈钢的化学成分347

6.1.3 医用不锈钢的使用性能348

6.1.4 医用不锈钢的新发展350

6.2 钴基合金352

6.2.1 钴基合金的发展过程352

6.2.2 钴基合金的化学成分352

6.2.3 钴基合金的使用性能354

6.3 钛基合金355

6.3.1 钛合金的发展过程355

6.3.2 钛合金的化学成分356

6.3.3 钛与钛合金的使用性能357

6.4 新型金属材料358

6.4.1 可降解镁合金358

6.4.2 钽359

6.4.3 抗菌医用金属361

参考文献362

第7章 非金属材料365

7.1 结构类医用高分子材料365

7.1.1 植入级超高分子量聚乙烯365

7.1.2 高交联超高分子量聚乙烯368

7.1.3 含维生素E的超高分子量聚乙烯371

7.1.4 充填型超高分子量聚乙烯372

7.1.5 聚醚醚酮树脂373

7.2 骨水泥377

7.2.1 普通骨水泥的化学成分377

7.2.2 骨水泥的使用性能377

7.2.3 骨水泥临床应用技术384

7.3 陶瓷材料386

7.3.1 氧化物类生物陶瓷386

7.3.2 磷酸盐类生物陶瓷390

7.3.3 硅酸盐类生物陶瓷393

7.4 碳素材料395

参考文献396

第8章 填充型人工骨401

8.1 天然煅烧骨401

8.2 多孔生物陶瓷402

8.3 复合型人工骨材料405

参考文献406

第9章 表面处理与涂层材料407

9.1 表面抗磨处理与涂层材料407

9.1.1 氮化钛表层407

9.1.2 金属陶瓷化处理表层409

9.1.3 金刚石与类金刚石涂层413

9.2 表面活性化处理与涂层材料416

9.2.1 骨科植入物活性化的需求416

9.2.2 骨传导性与骨诱导性416

9.2.3 生物陶瓷涂层417

9.2.4 钽涂层417

9.3 基于多孔钛支架的植入物生物学技术研究418

9.3.1 多孔钛支架的制备418

9.3.2 多孔钛支架的生物学试验420

参考文献421

第10章 骨科植入物生物材料的评价标准与检测427

10.1 生物材料的物理化学性能评价标准427

10.1.1 国际标准427

10.1.2 ASTM标准429

10.1.3 国内标准431

10.2 金相与物理性能评价标准与检测432

10.2.1 金相显微组织432

10.2.2 力学性能432

10.2.3 硬度433

10.3 化学性能评价标准与检测435

10.4 表面缺陷的液体渗透检测438

10.4.1 检测标准438

10.4.2 液体渗透检验体系分类与选择438

10.4.3 渗透检验的装置441

10.4.4 渗透检验基本程序441

10.4.5 显示的解释和缺陷评定442

10.5 生物学性能评价标准与检测443

参考文献446

第2篇 结束语 骨科植入物材料的发展展望447

参考文献448

索引449