生物材料学课件讲解

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结构多糖
多糖因其简单的化学合成和极其丰富的资源 而在商业上极具价值。纤维素、壳多糖、角叉菜 胶、琼脂等可用于建筑、造纸、食物稳定剂、纺 织以及染织等。
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生物软组织
柔韧的生物复合材料可认为是相对刚硬的 纤维或粒子填充在柔软的基质中而形成。
以海葵的骨架为例
加州海岸老年海葵中胶层的组成为： 盐 5% 胶原 6.7% 基质 2% 水 86%
塑性：当载荷超过限度时，则在载荷撤去后只能部分地复原 而残留一部分不能消失的变形。材料所具有的保持不可恢复 的变形的性质成为塑性。 不能消失而残留下来的那一部分变形称为塑性变形。 19
4.0 材料的基本力学性能

应力和应变（衡量材料力学性能时常使用应力和应变两个物理概念。）
应力：作用在单位面积上的载荷，单位N/m2
刚度 (Stiffness)：构件承受载荷作用而不发生过大弹性变
形的能力。（抵抗变形的能力）
稳定性 (Stability)：构件承受载荷作用而不发生平衡与变
形形式转变的能力。（保持原有平衡形式的能力）
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4.0 材料的基本力学性能
脆性：材料在破坏之前无明显变形的性质。 韧性：材料抵抗冲击的能力（KJ／m2） 弹性：材料在载荷作用下将发生变形，当载荷不超过一定 限度时，绝大部分的材料在载荷撤去后均能恢复原状。 卸除荷载后能够消失的变形称为弹性变形。
生物材料学
邢
航天与材料工程学院
新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室
欣
主要章节
Chapter 1：绪论
Chapter 2：结构蛋白质
Chapter 3：结构多糖及生物软组织 Chapter 4：生物复合纤维 Chapter 5：生物矿化及生物矿化原理 Chapter 6：生物相容性
Chapter 7：仿生和组织工程材料
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生物材料
•结构蛋白 •结构多糖 •生物软组织 •生物复合纤维 •生物矿物
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Chapter 3 结构多糖及生物软组织
3.1 糖
3.3 粘液
3.7 皮肤
3.9 泊松比
3.2 蛋白质与多糖的混合 3.8 应力-应变性质
3.4 柔性基质
3.5 海葵的骨架
3.10 断裂
3.11水产生的刚化
3.6 雌性蝗虫的节间膜
木材的弹性极限。在bc段， 应力应变关系不呈直线，
剪切变形
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4.0 材料的基本力学性能

变形类型
扭转变形
弯曲变形
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4.0 材料的基本力学性能

变形类型
研究方法
将构件变形形式分为四种基本变形： 轴向拉伸或压缩(拉压变形） 剪切变形 扭转变形 弯曲变形
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4.0 材料的基本力学性能

变形类型
轴向拉伸或压缩：在一对作用线与直杆轴线重合且 大小相等的外力作用下，直杆的主要变形是长度的 改变。
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4.0 材料的基本力学性能

变形类型
剪切变形：在一对相距很近的大小相等、方向相 反的横向外力作用下，杆件的横截面将沿外力方 向发生错动，这种变形称为剪切变形。
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4.0 材料的基本力学性能

变形类型
扭转变形：在一对大小相等、方向相反、位于垂直 杆轴线的两平面内的力偶作用下，杆的任意两横截 面将发生相对转动。这种变形称为扭转变形。
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4.0 材料的基本力学性能

变形类型
弯曲变形：在一对大小相等、方向相反、位于杆的 纵向平面内的力偶作用下，杆件将在纵向平面内发 生弯曲变形。
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4.0 材料的基本力学性能

应力和应变的关系 在弹性范围内，有
σ∝ε
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c
oa段为木材的弹性阶段，a 点对应的应力为木材的比
例极限，b点对应的应力为
如何设计满足力学性能要求的纤维复合材料 以及纤维组装增强机理
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Chapter 4：生物复合纤维
4.0 材料的基本力学性能 4.1 生物复合纤维实例与机理
4.2 硬度与脆性
4.3 基体硬化 4.4 叠层复合——改善韧性 4.5 加入填充剂的生物复合纤维 4.6 胞状材料
4.7 “材料”与“结构”的区别
Chapter 7：仿生和组织工程材料
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Chapter 4：生物复合纤维
柔性组织材料 = 柔软的基体+硬的纤维 纤维的作用：引入各向异性
（例如海葵的中胶层）
承受由内压产生的负荷（如软骨细胞） 承受沿长度方向上的载荷（如腱） 柔性组织材料不能承受弯曲和压缩载荷 → 纤维会发生取向或位移
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Chapter 4：生物复合纤维
3.4 柔性基质
3.5 海葵的骨架
3.10 断裂
3.11水产生的刚化
3.6 雌性蝗虫的节间膜
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生物材料
•结构蛋白 •结构多糖 •生物软组织 •生物复合纤维 •生物矿物
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主要章节
Chapter 1：绪论
Chapter 2：结构蛋白质
Chapter 3：结构多糖及生物软组织 Chapter 4：生物复合纤维 Chapter 5：生物矿化及生物矿化原理 Chapter 6：生物相容性
在较大的应力下，胶原纤维取向变化，中胶层在应 力方向变硬；载荷消失后，中胶层又能弹性地恢复 原形。
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海葵的中胶层：由不连续的胶原纤维和大量多糖组 7 成的简单结缔组织。
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Chapter 3 结构多糖及生物软组织
3.1 糖
3.3 粘液
3.7 皮肤
3.9 泊松比
3.2 蛋白质与多糖的混合 3.8 应力-应变性质
可承受弯曲和压缩载荷的途径： 增加基体的剪切刚度——使基体硬化，并实 现应力传递 选择生物陶瓷材料，如钙的碳酸盐或磷酸盐
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Chapter 4：生物复合纤维
硬材料的作用：
保护作用（软体动物的壳、头盖骨等）
成形并起支撑作用（如硅藻，节肢动物的外骨骼）
各类武器（如牙齿、刺等） 本章将探讨：
应力(s)
=
压力 横截面积
应力的基本类型：拉应力、压应力、剪应力
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4.0 材料的基本力学性能

应力和应变（衡量材料力学性能时常使用应力和应变两个物理概念。）
应变：物体对应于施加的载荷而产生的变形
应变(e)
=
变形后的长度—变形前的长度 变形前的长度
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4.0 材料的基本力学性能

变形类型
拉压变形
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4.0 材料的基本力学性能
承载能力：
在结构承受载荷或机械传递运动时，为保证各 构件或机械零件能正常工作，构件和零件必须符 合如下要求：具有足够的强度,具有足够的刚度,构 件不会失去稳定性.
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4.0 材料的基本力学性能
强度 (Strength)：构件承受载荷作用而不发生塑性变形或
断裂的能力。（抵御破坏的能力）