牙周膜(PDL)是连接着牙齿和牙槽骨的结缔组织,具有缓冲和传递咀嚼咬合力的作用。在口腔正畸治疗中,力是牙齿移动的唯一外在物理诱因。研究表明正畸力作用下的牙周膜的生物力学响应直接影响牙槽骨的改建和牙齿移动。本文采用猪下颌骨中切牙为实验对象,设计研制了两套夹具,和M-100加载机配合,实现了牙周膜体外两种实验:其一为垂直于牙长轴方向的拉伸和压缩实验,其二为平行于牙长轴方向的剪切实验。牙周膜沿着牙长轴方向的非均质分布表现出不同的材料力学特性。对牙周膜沿牙长轴方向进行了分层研究,构建了牙周膜线性粘弹性固体本构模型,实验结果表明,沿着牙长轴方向的非均质性对牙周膜粘弹性力学响应有显著影响。较高的瞬时弹性模量导致较低的蠕变柔量和较高的松弛模量。广义开尔文模型和广义麦克斯韦模型能够较好地表征牙周膜的蠕变和松弛特性,且模型参数越多,拟合精度越高。牙周膜的松弛时间比蠕变推迟时间小一个数量级左右,说明牙周膜的松弛效应比蠕变效应持续时间短。为了对牙周膜在咀嚼和正畸移动过程中受到的动态力学响应有一个深刻的理解,我们通过平行于牙长轴方向的剪切实验研究了其动态粘弹性特性。发现了牙周膜表现出与频率和振幅无关的粘弹性流体特性。根据实验数据,我们定义牙周膜为粘弹性流体生物材料,并首次采用粘弹性流体本构模型表征其力学性能。动态剪切粘性系数大于静态剪切粘性系数,且随频率和振幅的增大而增大;与静态力相比,咀嚼等动态力提高了牙周膜的粘性系数,增强了固定牙齿的功能。这一结论可以直接应用于临床拔牙上。基于这个新发现,我们提出一个“牙周膜流动猜想”。此外,我们比较了拉伸、压缩、剪切三种体外实验方法,确定了体外压缩实验的失真特点。实验确认了牙周膜作为非线性粘弹性流体生物材料,但非线性粘弹性力学理论体系尚不够完善。我们基于已有的线性粘弹性理论的基础上,进行了理论创新。首次将瞬时超弹性和与时间相关的非线性粘弹性整合在一个系统模型中。即构建了广义沃伊特-开尔文超-粘弹性蠕变模型和广义金来-麦克斯韦超-粘弹性松弛模型。全面的从数学和物理两个角度表征了牙周膜的三大特征:瞬时弹性、蠕变和松弛。结果表明,牙周膜的蠕变柔量随着应力的增加而减小,而松弛模量随着应变的增加而增加。创新构建的超-粘弹性本构模型可以应用于其他的非线性粘弹性材料上。