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| 目錄：
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第一章 绪论 1
1.1 骨组织的多层次结构与功能 2
1.2 骨内液体流动 5
1.2.1 骨重建过程 5
1.2.2 骨的孔隙率 7
1.2.3 骨内渗透率 9
1.2.4 骨内孔隙压力 12
1.2.5 骨内液体流动的理论和数值模拟 14
1.3 骨的多孔弹性理论 16
1.3.1 控制方程 16
1.3.2 各向同性 17
1.3.3 横观各向同性 17
第二章 宏观尺度骨结构模型 20
2.1 引言 20
2.2 宏观理论模型的建立 21
2.2.1 控制方程及几何结构 21
2.2.2 模型解析解 22
2.3 宏观有限元模型的建立 30
2.4 宏观有限元计算结果与解析解对比 32
2.5 考虑骨髓腔压力的骨组织内部液体的流动行为研究 33
2.5.1 髓内压影响下的孔隙压力和流速 36
2.5.2 时程曲线 37
2.6 载荷强度对骨组织内多孔弹性力学行为影响 38
2.7 载荷频率对骨组织内多孔弹性力学行为影响 40
2.8 渗透率对骨组织内多孔弹性力学行为影响 42
2.9 讨论与结论 43
第三章 宏细观尺度模型 45
3.1 引言 45
3.2 基于多尺度结构的宏细观模型的建立 46
3.3 宏细观模型的边界条件和材料参数 47
3.4 有限元网格划分和收敛性分析 49
3.5 结果 50
3.5.1 宏细观模型的液体压力和流速的时程曲线 50
3.5.2 宏细观模型应力、应变、压力和流速的分布 52
3.5.3 渗透率对孔隙压力和流速的影响 53
3.5.4 宏观血管孔隙液体压力对宏细观骨陷窝-小管孔隙压力和流速的影响 53
3.5.5 载荷强度对孔隙压力和流速的影响 54
3.5.6 载荷频率对孔隙压力和流速的影响 54
3.5.7 宏细观骨单元层次的压力和流速 55
3.6 讨论与结论 56
第四章 细观尺度模型 59
4.1 引言 59
4.2 基于多尺度结构的细观骨单元有限元模型 61
4.3 骨板层弹性模量的不同对其多孔弹性行为的影响 62
4.4 骨板层渗透率的不同对其多孔弹性行为的影响 65
4.5 包含细观模型的宏细观模型截面 67
4.6 骨单元几何形态对其多孔弹性行为影响的有限元研究 68
4.6.1 骨单元几何形状和横截面曲率对其压力和流速的影响 68
4.6.2 骨单元横截面积对其压力和流速的影响 72
4.6.3 骨单元壁厚对其压力和流速的影响 74
4.7 讨论与结论 76
第五章 细微观尺度模型 81
5.1 引言 81
5.2 基于多尺度结构骨陷窝和骨小管的多孔弹性有限元模型 83
5.2.1 细微观模型的材料参数 84
5.2.2 细微观模型的边界条件和网格划分 87
5.3 渗透率对宏细观模型压力和流速的影响 88
5.4 宏细观模型与细微观模型的对比验证 89
5.5 细微观模型孔隙压力、流速和流体切应力 90
5.6 渗透率对细微观模型沿骨组织半径方向的影响 91
5.6.1 渗透率对骨组织半径方向压力的影响 91
5.6.2 渗透率对沿骨组织半径方向流速的影响 91
5.6.3 渗透率对沿骨组织半径方向切应力的影响 91
5.7 骨陷窝-骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响 95
5.7.1 基于骨单元微观结构计算其渗透率 95
5.7.2 基于骨陷窝形状计算其渗透率 97
5.7.3 基于骨陷窝方向计算其渗透率 100
5.8 骨单元控制方程及有限元模型的建立 101
5.8.1 控制方程 101
5.8.2 有限元模型的建立 101
5.9 骨陷窝形状和方向对其液体流动的影响 103
5.9.1 骨陷窝形状的影响 103
5.9.2 骨陷窝方向的影响 105
5.10 讨论与结论 106
第六章 总结与展望 111
6.1 工作总结 111
6.2 主要贡献及创新点 114
6.3 未来工作展望 116
参考文献118
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| 內容試閱：
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骨骼，作为人体内不可或缺的支撑结构，不仅承载着身体的重量，保护着内部器官，还参与了多种复杂的生理活动，如运动、血液生成以及矿物质代谢等。长久以来，骨骼被视为一种静态的、刚性的组织。然而，随着生物力学、材料科学以及分子生物学等领域的交叉融合，科学家们逐渐揭示了骨骼其实是一种高度动态、智能且多功能的生物材料。《骨的多孔弹性与液流机械传导》一书，正是基于这一背景，深入探讨了骨骼的多孔弹性特性及其内部液体流动如何影响骨骼的生理功能与适应性变化。
骨骼的复杂层级结构是其多孔特性的直接体现。从宏观的股骨、胫骨等长骨，到微观的骨单元（哈弗氏系统）、骨陷窝-小管系统，每一层级都展现了自然界精妙的设计。这种多孔结构不仅赋予了骨骼轻质而高强度的特性，还为其内部液体的流动提供了通道。骨内液体，包括血液、组织液等，通过这些孔隙结构在骨骼内部循环，为骨细胞提供必要的营养物质，同时带走代谢废物，维持着骨骼的生理平衡。
多孔弹性理论，作为描述固液耦合多孔材料行为的重要工具，为理解骨骼的力学特性提供了理论基础。该理论综合考虑了固体骨架的变形与孔隙内液体的流动，通过建立控制方程来描述两者之间的相互作用。在骨骼中，这一理论的应用不仅揭示了骨骼在受力时的弹性响应，还阐明了骨内液体流动如何受到外部载荷的影响，进而影响骨骼的生理功能。例如，在人体日常活动中，骨骼受到周期性载荷的作用，导致骨内液体产生压力梯度，驱动液体在骨陷窝-小管系统内流动，这一过程对于骨细胞的营养供应和代谢废物的排出至关重要。
液流机械传导，作为骨骼适应性变化的重要机制，近年来受到了广泛关注。研究表明，骨内液体的流动不仅为骨细胞提供了必要的生存环境，还通过产生流体剪切应力、流动电位等物理信号，直接作用于骨细胞，调控其生物学行为。这些物理信号能够激活骨细胞内的信号转导通路，促进成骨细胞的增殖与分化，抑制破骨细胞的活性，从而维持骨骼的稳态。特别是在骨骼受到外力作用时，液流机械传导机制能够迅速响应，通过调整骨内液体的流动模式，引导骨骼发生适应性重建，以应对外界环境的变化。
骨骼的复杂结构与功能要求我们在研究其力学特性与生理机制时，必须采用多尺度建模的方法。从宏观的骨骼整体结构，到细观的骨单元、骨板层，再到细微观的骨陷窝-小管系统，每一尺度都有其独特的力学特性与生理功能。通过建立跨尺度的有限元模型，我们可以模拟不同尺度下骨骼的力学响应与液体流动行为，揭示其背后的物理机制与生物学意义。这种多尺度建模的方法不仅提高了我们对骨骼复杂行为的理解，还为骨骼疾病的诊断与治疗提供了新的思路。
随着对骨骼多孔弹性与液流机械传导机制的深入理解，我们正逐步揭开骨骼适应性与再生能力的奥秘。未来，这些基础研究成果将有望转化为临床应用，为骨骼疾病的预防、诊断与治疗提供新的策略。例如，通过调控骨内液体的流动模式，我们可以促进骨折的愈合，防止骨质疏松的发生；通过模拟骨骼在特定力学环境下的响应，我们可以设计出更加符合人体工学的植入物，提高手术的成功率与患者的康复质量。此外，随着纳米技术、生物材料学等领域的快速发展，我们还将有望开发出具有智能响应特性的新型骨骼修复材料，进一步推动骨骼医学的进步。
总之，《骨的多孔弹性与液流机械传导》一书不仅为我们揭示了骨骼复杂而精妙的力学特性与生理机制，还为我们探索骨骼疾病的防治之道提供了宝贵的理论基础。在未来的研究中，我们有理由相信，随着对骨骼多孔弹性与液流机械传导机制的深入探索，我们将开启骨骼医学的新篇章，为人类的健康事业做出更大的贡献。
编著者
2025 年8 月
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