骨骼作为人体最重要的支撑部分,生物进化赋予其良好的刚度和韧性,而这些都归功于其特殊的生物活性和高度有序的微结构特征。综合考虑骨组织在不同尺度下的微结构特征和生物活性物质的组成方式,研究其对骨组织力学行为的影响具有明显的实际意义。研究结果不仅可以深化对骨组织天然生物材料的科学认识,而且对指导人体骨组织修复以及人工骨材料的开发和应用有重大意义。本论文首先试验研究水分对离体骨组织生物摩擦学行为的影响和损伤机理,然后建立多尺度有限元模型,模拟实际工况下水分对骨组织应力分布的影响。此外,建立了纳米尺度下三维矿化胶原纤维有限元模型和微观尺度下单个密质骨骨板的RVE有限元模型。研究胶原相和矿物相的体积分数和交联键数量对微纤维的力学性能的影响,探讨矿物晶体尺寸、排列组合方式和界面类型对骨板力学性能和失效强度的影响。主要结论如下:(1)水分会影响骨组织的生物摩擦学行为:骨组织样品在新鲜状态下有很好的摩擦磨损性能,塑性和韧性均良好,磨屑黏性较强,其主要磨损机制为粘着磨损;失水后骨组织表面硬化,磨屑出现粉末化现象且易于排出,其摩擦学性能明显下降。(2)多尺度有限元分析表明:随着载荷的增大,应力集中区域逐渐扩大,哈佛氏管、同心骨板和间骨板组织处均存在应力集中现象,应力的剧烈变化和不停的变形更易致使骨组织裂纹的萌生和扩展,并最终导致骨组织的剥落和磨损。细观尺度下,干燥削弱了骨板介质对应力的吸收和打断作用,诱发孔隙损伤向内部延伸,使磨损加剧。微观尺度下,骨小管的孔壁附近均有较大的应力和应力梯度,尤其是骨陷窝和骨小管交叉处有明显的应力集中。干燥后组织硬化,孔隙率上升导致骨组织的高应力状态,更易发生损伤,加剧磨损现象。(3)拉伸应变载荷下,矿化程度越高,矿化胶原微纤维非线性趋势越明显。一方面,胶原相的引入增大了微纤维的整体韧性,使其在相对较高的应变载荷下才完全失效,一旦原胶原分子受水分影响收缩,将直接影响整体刚度和失效行为;另一方面,交联键可以增强整体力学性能,但容易造成骨组织的脆性破坏。随着胶原相体积分数的减少,交联键对整体力学性能影响更大,但当交联键数量大于30以后,整体的力学性能对其数量不再敏感。(4)矿物晶体的尺寸和其空间排列组合方式对骨板整体的力学性能有很大的影响:晶体长度的增加会导致骨组织刚度的上升并且有利于提高整体的拉伸屈服强度;空间取向的差异影响了骨板在各方向的力学性能;相邻晶体长度方向的间距对整体刚度的影响较小,而其宽度方向上间距的影响较明显。计算结果表明,矿物相和胶原相刚度的差异导致两者变形量的不同,这是引发相邻界面分层与脱离直至失效的重要原因;界面类型的不同很大程度的改变了密质骨骨板的拉伸屈服强度和韧性,但是对整体刚度的影响并不明显。