关节软骨作为人体关节处的重要组成部分,具有低弹性模量、高可变形性、优良的润滑和耐磨特性,可以有效减缓冲击、吸收振荡。由于人工髋/膝关节是人体承载最大的生物摩擦副,关节软骨要承受人体关节运动所致的周而复始的摩擦,使其不断的磨损和退化,导致骨关节炎疾病的发生,最终只能依靠人工关节置换重建关节功能。目前人工植入假体的接触形式主要以“硬-硬”和“硬-软”为主,存在耐磨性不够高等问题,迫切需要对天然关节软骨的结构和力学性能进行系统研究,从而为构建仿生关节软骨材料奠定基础。因此,本论文主要基于对天然关节软骨分层结构研究,仿生设计具有定向结构的仿生关节软骨材料,这对于解决现有人工关节材料的磨损,提高其使用寿命具有重要的研究意义。本文以牛膝关节软骨为研究对象,开展其静态力学、动态力学及生物摩擦学性能研究,分析软骨接触界面摩擦润滑机理,探究关节软骨的多层结构与其软骨力学承载的关系。结果表明,载荷越大,关节软骨应变速率越快,应变量越大;摩擦系数随载荷的增大呈现先减小后增大再减小的趋势。“硬-软”接触条件下,加载速度越大,变形率越大,在加载速度为0.3mm/s时,关节软骨围限压缩条件下浅表层的变形率可达80%;在相同的加载速度下,关节软骨不同层区的变形率不同,浅层区变形最大,中间层次之,深层区变形最小。对比非围限循环压缩试验,关节软骨在围限压缩时,各层区的变形率都比较大,而且关节软骨变形过程存在变形不连续性。基于对天然关节软骨分层结构的研究,仿生设计并制备了具有定向结构的仿生关节软骨水凝胶材料,探究了纳米粒子方向性分布对定向结构水凝胶静态和动态力学性能的影响。结果表明:定向结构水凝胶中Fe₃O₄纳米粒子竖直或水平分布时,Fe₃O₄纳米粒子含量越低,抗拉强度越高,最大可达2.209MPa,压缩弹性模量越低,蠕变量越大。Fe₃O₄纳米粒子含量相同时,竖直分布的定向结构水凝胶压缩弹性模量高于水平分布的,抗拉强度和蠕变量低于水平分布的。循环压缩条件下,Fe₃O₄纳米粒子含量相同时,水平分布的定向结构水凝胶变形率最大,最大可为45%,杂乱分布次之,垂直分布的变形率最小;Fe₃O₄纳米粒子分布方向相同时,含量越高,变形率越小。相对于非围限压缩,定向结构水凝胶在围限压缩时变形率都较大,而且变形连续。这表明,垂直分布的Fe₃O₄纳米粒子具有支撑作用,可用于减缓冲击、抵抗变形。