Knochen ist ein natürlicher, hierarchisch aufgebauter Verbundwerkstoff, dessen mechanische Eigenschaften aus dem Zusammenspiel einer mineralischen Phase (vorwiegend Hydroxylapatit) und einer organischen Phase (vor allem Kollagen Typ I) resultieren. Diese Kombination bewirkt eine außergewöhnliche Kombination aus Steifigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, die im technischen Leichtbau als Referenz dient.

Auf nanoskaliger Ebene sind Kollagenfibrillen mit mineralischen Nanokristallen verstärkt. Diese Fibrillen organisieren sich zu Fasern und Lamellen, die in Osteonen und Trabekeln die mikroskopische Struktur bilden. Makroskopisch unterscheidet man kortikalen (kompakten) und trabekulären (spongiösen) Knochen, deren Porosität und Anisotropie die mechanischen Kennwerte stark beeinflussen.

Mechanisch zeigt Knochen ein ausgeprägt viskoelastisch‑plastisches Verhalten mit Spannungsrelaxation, Kriechen und Ratenabhängigkeit. Die Zähigkeit beruht auf extrinsischen und intrinsischen Schädigungsmechanismen wie Rissablenkung, Rissverzweigung und Mikrorissbildung. Mikrostruktur, Mineralisationsgrad und Kollagenvernetzung bestimmen Elastizitätsmodul, Härte und Bruchzähigkeit und ändern sich mit Alter, Erkrankung oder Bestrahlung.

Für die Werkstoffforschung sind Knochen und bones Modellmaterialien zur Entwicklung bioinspirierter Verbunde, zur Bewertung von Implantatwerkstoffen und zur mechanischen Charakterisierung pathologischer Zustände. Phänomene wie Osteosarkom oder Knocheninfiltration durch Tumore verändern die Mikrostruktur, schwächen die Tragfähigkeit und dienen als natürliches „Experiment“ zur Korrelation von Mikrostruktur, Zusammensetzung und Versagensverhalten.