骨和鹿角骨都是由胶原蛋白、矿物、水和非胶原蛋白组成的具有多级分层结构的复合材料,两者皆为骨类材料的一部分。不同的是,鹿角骨的胶原和水的含量较多而矿物含量较少,从而使得鹿角骨更具韧性,因此鹿角骨是用来探究骨韧化机理的理想的骨类材料。在骨韧化机理的研究中,匹配骨的各级结构与力学性能之间的关系一直以来都是骨力学研究领域的热点。尤其是在微纳米尺度上,对骨的结构单元与力学之间的匹配研究,对揭示骨具有优异韧性、深入理解疾病引起的骨力学性能的下降,以及仿生结构材料的构建具有深远意义。目前,对于骨微纳米力学行为的原位研究主要有联用X射线衍射与原位力学测试以及计算机模拟等方法,这些方法使得我们对骨的增韧机理有了深刻的理解。然而,对于骨微纳米力学行为的直观原位表征数据却鲜有报导。为了进一步了解骨在应力状态下的微纳米力学行为信息,本文联用微型原位力学试验系统与原子力显微镜搭建成新型原位力学平台,对骨的微纳米增韧机理进行可视化表征,匹配宏观力学与骨微纳米力学行为之间的关系。论文的主要研究内容与结果如下:首先联用微型原位力学试验系统与原子力显微镜搭建成新型原位力学平台,该平台成像最大尺寸可以观察到骨的层板状结构,最小能够观察到胶原微纤维的D-周期结构。同时,平台能够对不同应力状态下的样品进行原位成像,获得与宏观应力应变相匹配的骨的微纳米力学行为信息。利用该平台对鹿角骨试样进行循环拉伸力学性能的量化,并对不同应变状态的拉伸试样与脱矿试样进行原位成像,成功观察到骨中的可逆与不可逆的纳米形貌变化并探究了胶原微纤维的特征D-周期与宏观应变的关系。骨中水的含量随着年龄的增加而减少,骨的力学性能也随之下降。为探究水对骨的增韧作用机制,利用该平台对含水骨和脱水骨的微纳米裂纹扩展过程进行原位追踪,首次实时观察到含水骨中矿化胶原微纤维从产生桥接到发生断裂的过程。实验结果表明,含水骨中,胶原相与矿物相之间以及矿化胶原微纤维之间的含水界面,能够有效促进两相之间以及矿化胶原微纤维之间的滑移,为骨提供优异的韧性。而脱水骨中的脱水界面导致矿化胶原微纤维在较低应变下直接断裂,矿化胶原微纤维之间相互滑移的增韧机理失效,骨的韧性显著下降。本研究有效探究了骨的基本组分——水,对骨增韧作用机制的影响,为与疾病和年龄相关骨的韧性下降的研究提供了借鉴意义,为探究骨的基本组分在骨中所起到的增韧作用机制提供了方法指导。