骨是人体重要的承力生物材料,为人体及内部器官提供力学支撑和保护,对个人生活质量至关重要。以骨质疏松症(Osteoporosis,OP)为代表的骨科慢性疾病以骨强度下降、骨折风险增加为主要特征,发病率极高,已成为全世界范围内的重要公共健康问题之一。随着我国人口结构的快速老龄化,骨科慢性病对于我国社会经济、公共健康和家庭生活的影响将日益凸显。针对当前对不同健康状态骨微纳米力学性能的描述框架、实验表征以及临床诊断标准的不足,本文采用“医工结合”学科交叉模式,综合利用医学影像、力学测试和表征手段,从骨量、微结构和骨材料三个方面系统研究了不同健康状态松质骨的力学性能及各因素的影响规律。具体工作总结如下:一、借鉴复合材料力学理论,提出了描述松质骨力学性能的“骨量-微结构-骨组织材料性能”三元框架,并在此框架下系统研究了“骨量”、“微结构”和“骨组织材料性能”对于松质骨力学性能的影响。具体地,我们制备了不同健康状态(健康、轻微骨质疏松症和严重骨质疏松症)的小鼠松质骨模型,利用高精度CT扫描和三维数字重建获得了不同健康状态松质骨的代表性微结构体元,利用纳米压痕技术测得了骨小梁尺度上材料的力学参数,在此基础上建立了有限元仿真计算模型,计算分析了各代表性体元的等效力学性能。在“骨量-微结构-骨组织材料性能”三元分析框架指导下,通过数字化建模技术解耦分析了“骨量”、“微结构”和“骨组织材料性能”单一因素对于松质骨力学性能的影响规律。研究发现:(1)与骨的轴向承载功能相对应,健康松质骨力学性能表现出明显的轴向优势,是健康松质骨拓扑微结构的一个重要特征;(2)骨质疏松症松质骨相对于健康骨,不仅骨量显著降低,拓扑微结构也发生劣化,力学性能的轴向优势遭到破坏;(3)三元因素的解耦分析发现,骨量对松质骨力学性能有着“量”的影响(例如模量的大小),微结构对松质骨的力学性能有着“质”的影响(例如各向异性、轴向优势),而骨组织材料性能的小范围变化对于松质骨性能的影响则相对较弱。二、提出了骨组织材料分布均匀度的概念,定义了材料分布均匀度参数和计算方法,统计分析发现该参数可有效地将松质骨微结构和其力学性能关联起来。具体地,基于高精度CT扫描数据计算分析了轴向及横向方向上各截面骨组织面积比随位置的变化曲线,定义骨组织材料分布均匀度为面积比随位置变化曲线的各点割线斜率的绝对值之和。随后,我们采用Kendallτ-b、Spearman和典型性相关性分析等统计方法开展了材料分布均匀度和力学性能的相关性分析,证实了骨组织材料分布均匀度与松质骨力学性能之间的相关性。三、利用动态纳米压痕测试技术,首次测量、绘制了不同健康状态单根骨小梁动态模量的高精度分布云图,空间分辨精度高达2微米(即测点间距低至2微米)。微纳尺度上骨小梁力学性能的准确测定,是松质骨力学性能有限元仿真分析和临床评估的重要基础,直接影响着分析和评估的精度或正确与否。为此,我们利用准静态及动态纳米压痕测试技术对松质骨基本单元——骨小梁进行了精细的力学实验表征,给出了不同健康状态单根骨小梁动态模量的高精度分布云图。根据我们的文献调研,本文实验首次给出单根骨小梁2微米空间分辨精度动态力学性能云图,为后续的实验、理论和计算工作提供了重要参考。数据结果表明,(1)Ⅰ型骨质疏松症对骨小梁的材料性能几乎没有影响;(2)骨小梁在低频载荷下粘弹性性能较好,与其生理功能一致。四、镍钛合金是骨科常用的生物材料之一,提高其抗磨损性能一直备受关注。为此,我们制备了具有纳米尺寸晶粒的镍钛合金,实验发现晶粒尺寸纳米化可以有效提高镍钛合金生物材料的抗磨损性能。具体地,通过多次冷轧与热处理,我们制备出了10nm、42nm、80nm晶粒尺寸的镍钛合金。利用纳米磨损测试技术,我们测试比较了在不同磨损正压力、不同磨损次数条件下各晶粒尺寸镍钛合金的纳米磨损程度,发现将晶粒尺寸细化至纳米尺度可提高镍钛合金抗磨损性能,并揭示了晶粒纳米化对镍钛合金的硬度与相变行为的影响规律。