先进口腔疾病治疗手段的发现涉及材料学、生物学以及力学等多学科的交叉,其中力学往往起着主要作用。例如口腔颌面部可由于先天发育缺陷、肿瘤和外伤等造成组织缺损。颌面修复与正畸治疗需要具有良好生物相容性及抗菌性的支架材料,并涉及与颌面部耦合作用的力学结构。这些材料与结构的设计需要在微纳米尺度理解细胞与材料界面的相互作用,在宏观尺度研究大变形柔韧结构(如牙齿正畸矫治弓丝)与具有复杂生物结构且一直处于生长变化状态的颌面部组织的力学耦合。因而对口腔医学中存在的相关生物力学问题的研究通常都具有较大难度。本论文主要围绕颌面部修复与正畸中涉及的组织工程支架材料和正畸矫治装置的设计,通过利用固体力学、细胞生物学与纳米材料学等多领域理论与实验手段,研究了石墨烯纳米材料对细胞毒性作用的尺寸与浓度效应,并因此发现并制备了一种具有良好医学性能的新型支架材料;定量分析了牙齿正畸中矫治弓丝与颌面部组织间的相互作用规律,提出了实现前牙整体内收这一正畸治疗难题的方式;给出了计算机辅助生成个体化弓形的新技术,并编制了相关计算机软件,获得了软件著作权与相关专利权。本论文的具体创新性结果如下:(1)基于激光共聚焦显微镜与生物型原子力显微镜等先进的细胞生物力学实验设备,研究了不同尺寸与浓度的氧化石墨烯微纳米颗粒溶液对正常细胞和两种癌细胞的细胞活性、细胞形态、细胞骨架结构及其力学性质的影响。结果显示:不同尺寸氧化石墨烯颗粒对细胞存活率的影响有明显差异,小尺寸纳米颗粒具有较大细胞毒性;氧化石墨烯颗粒对细胞形态与力学性质方面的影响体现为:不同细胞的表面粗糙度在纳米颗粒作用下均减小,其尺寸依赖关系与细胞种类有关。不同细胞的杨氏模量均随纳米颗粒尺寸的减小而增大;同时,纳米颗粒浓度对细胞存活率也具有很大影响。(2)由于聚乳酸与聚氨酯具有良好力学性能与生物相容性,因此已成为组织工程领域具有较好应用前景的生物聚合物。但组织工程应用中的支架材料除需要具有良好的生物相容性外,还要有优异的抗菌性。为了弥补聚乳酸与聚氨酯聚合物材料的这一不足,同时基于微米尺寸氧化石墨烯颗粒对组织细胞无毒性,但对细菌有毒性的发现,本文将聚乳酸、聚氨酯与微米尺寸的氧化石墨烯颗粒复合材料通过静电纺丝技术制备成纳米纤维支架。发现这一新型材料支架可促进正常组织细胞的粘附、增殖与分化,表现出良好的生物相容性,同时对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌具有很好的抑制作用。(3)在口腔正畸学临床实践中,双颌前突及上颌前突患者的治疗需要使一组牙齿整体平行移动,而这一目标是较难实现的。针对这一现状,本研究通过建立考虑上颌牙列、牙周膜、牙槽骨与矫治弓丝之间耦合作用的三维弹性体有限元模型,基于仿真计算,分析获得了可实现前牙整体内收的条件。并依此设计出了一种新型矫治装置,可以较为简便地实现上颌前牙的整体内收。(4)在牙齿正畸治疗中,矫治弓丝加载于牙齿的力值大小会直接影响治疗效果。临床医生多是根据对弓丝材料的理解和自身经验来估计该力的可能大小。而如果由于经验不足,医生对力值估计不准确,则可能会导致出现牙根吸收等副作用。为了解决这一问题,获得矫治弓丝产生的精确力值,本文通过将弓丝看作一弹性曲梁,分析得到了矫治弓丝材料,结构与施加于牙体上力值之间的定量函数关系,计算并制成临床应用表格以帮助医生获得精准的施加力值;开发出了“正畸患者矫治弓丝的个体化弓形生成软件”。该软件可帮助医生便捷、高效的获得直观的牙弓弓形图形以用于临床治疗。