Tribology and Biophysics of Artificial Joints pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Pinchuk, George

出品人:

页数:375

译者:

出版时间:2005-12

价格:$ 265.55

装帧:HRD

isbn号码:9780444521620

丛书系列:

图书标签:

Tribology
Biophysics
Artificial Joints
Biomechanics
Wear
Lubrication
Joint Replacement
Surface Science
Materials Science
Biomaterials

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具体描述

Joint endoprosthetics - the science of implanting artificial joints into the human body - has been around since the 1960's, and consistent advancements are leading to better practice, materials and mechanics. The present book is devoted to the biophysics and effect of wear, friction and lubrication on artificial joints. The important aspects of biocompatibility and wear resistance are reviewed and a retrospective analysis of modern joint endoprosthetic designs is presented. Data on clinical aspects of endoprosthetics are cited in support of the text. Advancements in genetic engineering, and promising new techniques of designing bone and cartilage transplants are explored, and a critical comparison between tribological mechanisms of operation and natural joint functioning are made. An exceptional resource for all specialists in orthopedy, biophysics, immunology and engineers engaged in developing artificial joints.

机械磨损与生物界面：探寻人工关节的极限与未来图书简介本书深入探讨了人工关节设计、材料选择、制造工艺以及生物界面相互作用等前沿领域，旨在为提高人工关节的长期可靠性、功能恢复和患者生活质量提供全新的理论基础与实践指导。我们聚焦于那些超越传统摩擦学范畴，将材料科学、生物力学、表面工程与细胞生物学紧密结合的复杂问题。第一部分：先进材料与表面工程的革命人工关节的性能在很大程度上取决于其承载表面的特性。本卷着重剖析了新一代超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的改性技术及其在耐磨损方面的突破。我们详细阐述了辐射交联、固态交联以及纳米填料增强等策略，如何显著提高聚合物的抗蠕变性和抗磨损能力，并探讨了氧化诱导老化对材料长期性能的影响及相应的稳定化处理方法。在金属合金方面，本书超越了传统的钴铬钼合金，转而深入研究了增材制造（AM）技术对钛合金和镍钛形状记忆合金（SMA）在航空航天级零部件制造中的应用。重点分析了选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）工艺参数对微观结构、晶粒尺寸分布以及残余应力状态的精确控制，这些因素直接决定了植入物的疲劳寿命和抗断裂韧性。特别地，我们对基于反应性材料设计的自修复金属基复合材料进行了前瞻性探讨，旨在引入材料层面的损伤容限机制。表面工程是实现低摩擦和高生物相容性的关键。本书详细评述了类金刚石碳（DLC）涂层、氮化钛（TiN）以及羟基磷灰石（HA）等生物活性涂层在润滑界面上的表现。研究聚焦于如何通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等技术，实现涂层厚度、内应力与界面粘结强度的精确调控，以应对高频次、高负荷下的动态载荷环境。第二部分：润滑机制的拓扑学解析人工关节的润滑体系是一个复杂的流固耦合系统，远非简单的边界润滑或流体润滑模型所能概括。本书首次提出了“分形润滑界面”的概念，强调了关节表面微观粗糙度（拓扑结构）对润滑剂膜形成与维持的决定性作用。我们利用原子力显微镜（AFM）和光学轮廓仪对磨损表面进行三维形貌重构，量化了摩擦学接触区域的赫兹接触椭圆与局部微观结构单元之间的耦合关系。通过建立基于非平衡态统计力学的润滑模型，本书解释了在低速、高接触压力下的“挤出效应”和“吸附诱导润滑”，这些效应在传统牛顿流体模型中是无法捕捉的。润滑液体的选择也面临革新。除了探讨传统合成全氟聚醚（PFPE）在特定低摩擦条件下的性能外，本书将大量篇幅用于研究新型生物基润滑剂和仿生体液润滑体系。特别关注了从自然界（如软体动物黏液）中提取灵感而设计的智能响应性流体，这些流体能够在压力或剪切速率变化时动态调节其粘弹性，从而在不同运动阶段提供最优化的润滑保护。第三部分：生物力学与界面修复动力学人工关节的失败往往源于磨屑的积累和随之引发的炎症反应。本书突破了单纯的机械性能评估，将研究重点放在了磨损产物与宿主组织之间的分子层级相互作用。我们深入分析了微小磨屑（sub-micron wear debris）的尺寸分布、形貌特征及其在滑液中的分散动力学。通过结合有限元分析（FEA）和计算流体力学（CFD），模拟了磨屑在关节间隙中的迁移路径及其进入周围软组织和淋巴系统的效率。在生物相容性方面，本书详细阐述了“无磨损植入物”的理念。我们考察了如何通过调控植入物表面的化学势和表面能，来影响蛋白质的吸附模式——特别是那些与骨整合和炎症反应相关的因子。例如，研究表明，特定的表面纹理可以“指导”成骨细胞的定向生长，同时抑制巨噬细胞的激活，从而实现炎症驱动的骨溶解（Osteolysis）的源头控制。我们还引入了“生物力学诱导的界面重塑”理论，探讨了植入物在长期使用中，其微动（Micromotion）如何通过机械信号转导途径影响骨小梁的重构。这要求设计者必须在提供足够稳定性的同时，预留出一定的“可控松动空间”，以维持健康的骨骼生物力学信号。第四部分：诊断、预测与个性化维护实现人工关节的“终生服役”需要先进的实时监测技术。本书评估了新一代无损检测技术在早期磨损识别中的潜力。我们研究了嵌入式微型传感器（MEMS）在关节内部监测温度、压力分布和电化学活性方面的应用，以及如何利用机器学习算法处理这些高频、多源数据流，以预测潜在的失效模式。此外，本书还探讨了基于患者特定生物力学模型的“个性化寿命预测”。通过结合术前影像学数据（CT/MRI）和术后运动学数据，建立动态负荷模型，预测植入物在个体患者的活动水平下的应力-应变历史，从而实现定制化的随访和维护计划。结论与展望本书的贡献在于提供了一个多学科交叉的框架，将传统上孤立研究的摩擦学、材料科学与组织生物学整合起来。未来的研究方向在于开发具有自适应功能和生物响应性的智能植入物，它们不仅能抵抗磨损，还能主动与宿主环境进行良性互动，最终目标是使人工关节的长期存留成为常态。