骨骼作为人体重要的承力器官,具有保护内部脏器,支持人体稳定运动的功能。骨骼具有典型的多级结构特征,不同尺度下的结构单元其组成与相互间的协同作用决定了骨骼的力学性能。对骨骼基本结构单元的力学研究一直以来是骨力学研究的热点。尤其是对骨骼微纳米尺度下结构单元的研究,对于揭示骨骼优良力学性能尤其是高断裂韧性、更深入理解疾病对骨力学行为的影响机理、研发仿生骨修复材料具有非常重要的作用。随着微观力学测试技术的发展,骨微纳米尺度力学研究有了较大进展,例如X射线同步辐射拉伸、原位Micro-CT、分子动力学模拟计算等间接试验方法与模拟计算技术的应用,使我们对骨的力学行为与韧化机理的理解有重要进展,但对骨结构单元的进行直接力学研究仍少见报道。为了更深入理解骨骼微纳米尺度的力学行为,本文结合原子力显微镜与电动力学拉伸系统,成功研发了一种新型原位力学测试装置,并对骨的微纳米尺度力学行为进行了研究,评价了游离水与键合水对于骨骼韧性的影响,研究了不同种类裂纹对骨骼韧性的贡献。研发的原位测试装置能稳定实时地表征材料结构与受力情况;原位力学测试证明了研发的原位测试平台的有效性,并揭示了骨骼的微观韧化机理;骨力学研究证明游离水和键合水的存在能使骨骼增韧;对不同类型裂纹扩展过程中表面能的研究表明,穿过骨单元的表面能对骨骼断裂韧性贡献更大。利用原位力学测试方法,成功记录到骨断裂过程中,裂纹扩张时骨骼纳米尺度基本结构单元,钙化胶原蛋白微纤维的滑移、断裂等行为,并首次原位观察到Micro-bridging微桥接现象。骨力学研究表明,游离水与键合水的去除,能够降低骨的韧性,提高骨力学行为的各向同性;通过对于真空脱水骨样品力学行为的研究,我们认为其力学行为的改变是由于游离水和键合水在钙化胶原蛋白纤维系统中构成的氢键的大量减少,导致骨单元区域与骨水泥线区域的活化能接近,从而使裂纹扩展趋向平直,降低了骨骼韧性而导致的。对不同类型裂纹扩展过程中表面能的研究,进一步阐明了相较于沿水泥线扩展裂纹,横穿骨单元裂纹在扩展中能量吸收和耗散更大,对应的对骨骼宏观断裂韧性贡献更大。