關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)

關(guān)于關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)第1頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三人體的關(guān)節(jié)分為纖維狀關(guān)節(jié)、軟骨質(zhì)關(guān)節(jié)和滑膜關(guān)節(jié)三種類型。其中，僅滑膜關(guān)節(jié)亦稱為動(dòng)關(guān)節(jié)，允許較大幅度的活動(dòng)。在正常年輕關(guān)節(jié)內(nèi)，動(dòng)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)骨末端覆蓋了一層厚1-6mm、致密且透明的白色結(jié)締組織，稱為透明關(guān)節(jié)軟骨。關(guān)節(jié)軟骨是一種十分特殊的組織，在一般人的壽命期內(nèi)都可以無(wú)損地承擔(dān)高負(fù)荷關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。2023/2/272第2頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三但從生理學(xué)的角度上看，關(guān)節(jié)軟骨實(shí)際上是一種孤立的組織，沒有單獨(dú)的血液和淋巴供應(yīng)。它主要依賴軟骨下骨組織提供軟骨下部近1/3的血供，其余依賴滑膜周圍毛細(xì)血管的滲入。2023/2/273第3頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三動(dòng)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軟骨的功能其主要功能是：①分散壓力。關(guān)節(jié)軟骨受壓時(shí)提供較大的接觸面以降低其上的壓力②關(guān)節(jié)面做動(dòng)作時(shí)減少摩擦力，降低磨損。2023/2/274第4頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三關(guān)節(jié)軟骨的組成成分關(guān)節(jié)軟骨層結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要圖解2023/2/275第5頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三關(guān)節(jié)軟骨的組成成分

膠原纖維蛋白多糖軟骨細(xì)胞水分顯微鏡下的關(guān)節(jié)軟骨2023/2/276第6頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三膠原纖維是體內(nèi)含量最豐富的蛋白。高度結(jié)構(gòu)性的組織，可形成最佳的力學(xué)性能。膠原為關(guān)節(jié)軟骨提供一種纖維狀超微結(jié)構(gòu)，這種膠原網(wǎng)和多水的糖蛋白一起，共同抵抗關(guān)節(jié)的應(yīng)力和應(yīng)變。2023/2/277第7頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三蛋白多糖蛋白多糖是一種蛋白多糖大分子,由核心蛋白附著了一個(gè)或多個(gè)粘多糖（硫酸角質(zhì)素與硫酸軟骨素）組成。糖蛋白有一特殊部分與膠原密切相連，并把膠原纖維結(jié)合到一起。2023/2/278第8頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一個(gè)蛋白多糖大分子的簡(jiǎn)圖洗瓶刷模型2023/2/279第9頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三軟骨細(xì)胞和水分軟骨細(xì)胞2023/2/2710第10頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三軟骨各成分間結(jié)構(gòu)上的相互作用硫酸軟骨素與硫酸角質(zhì)素鏈上相距很近的硫酸基和羧基團(tuán)離子在生理PH溶液中被拉開，留下了高濃度的固定負(fù)電荷產(chǎn)生分子內(nèi)與分子間的強(qiáng)電荷-電荷排斥力，使組織內(nèi)保持一種挺而伸展的狀態(tài)。當(dāng)軟骨面受力時(shí)，可發(fā)生瞬間變形，這主要是糖蛋白區(qū)的形狀改變所致，這種外加的應(yīng)力使軟骨基質(zhì)中的內(nèi)壓超過(guò)了膨脹壓，引起液體從組織中外流。2023/2/2711第11頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三軟骨各成分間結(jié)構(gòu)上的相互作用2023/2/2712第12頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三軟骨各成分間結(jié)構(gòu)上的相互作用2023/2/2713第13頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三關(guān)節(jié)軟骨的生物學(xué)性質(zhì)滲透性蠕變反應(yīng)潤(rùn)滑2023/2/2714第14頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三關(guān)節(jié)軟骨的生物學(xué)性質(zhì)滲透性表示液體流過(guò)多孔物質(zhì)的固體基質(zhì)時(shí)的摩擦阻力。滲透性越低，承載時(shí)液體流動(dòng)阻力越大。與普通海綿的滲透性相比，健康軟骨的滲透性是很小的。隨著壓力和變形的增加，健康關(guān)節(jié)軟骨的滲透性大大降低。因此，關(guān)節(jié)軟骨具有一個(gè)機(jī)械反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，阻止組織間液完全流出。2023/2/2715第15頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三軟骨的蠕變反應(yīng)

一個(gè)恒定的載荷瞬間施加于關(guān)節(jié)上，在載荷的作用下，軟骨的壓縮變形連續(xù)增加，直至獲得一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)或近似值，這就是“蠕變”。2023/2/2716第16頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三蠕變2023/2/2717第17頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三界面潤(rùn)滑潤(rùn)滑：界面潤(rùn)滑和液膜潤(rùn)滑界面潤(rùn)滑是依靠單層潤(rùn)滑劑分子化學(xué)吸附到接觸的固體面上。作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，承載面受到互相滑動(dòng)的潤(rùn)滑劑分子保護(hù)，防止因表面粗糙發(fā)生的粘合和磨損。2023/2/2718第18頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三液膜潤(rùn)滑是一薄層的液膜將表面與表面分開，加載時(shí)液膜內(nèi)產(chǎn)生壓力支持載荷。液膜潤(rùn)滑的兩種典型模型：工程學(xué)上定義為動(dòng)態(tài)流體與擠壓液膜潤(rùn)滑。這些模型應(yīng)用于剛性承載面由相對(duì)不變形材料組成，如不銹鋼。2023/2/2719第19頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三動(dòng)態(tài)流體動(dòng)態(tài)流體潤(rùn)滑常發(fā)生于液膜潤(rùn)滑的不平行的剛性承重表面，彼此相對(duì)切線運(yùn)動(dòng)（即彼此滑動(dòng)），間隙內(nèi)液體形成楔狀。由于承載運(yùn)動(dòng)吸引液體進(jìn)入表面間的楔狀間隙，流體粘性產(chǎn)生一個(gè)支撐力。2023/2/2720第20頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三擠壓液膜發(fā)生于承載表面彼此垂直運(yùn)動(dòng)，流體的粘性抵抗力起到阻止流體從間隙中溢出，且形成液膜，生成支撐力。在短時(shí)間內(nèi)，擠壓液膜機(jī)制足以承受高負(fù)載，但是，液膜最終會(huì)變得很薄，使得兩個(gè)承受面的凸起部分（定點(diǎn)）接觸。2023/2/2721第21頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三動(dòng)關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑作用機(jī)制軟骨的近似無(wú)摩擦屬性與人造材料不同。用于解釋剛性非滲透性材料（如鋼鐵）的潤(rùn)滑作用的經(jīng)典理論不能完全解釋動(dòng)關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑作用機(jī)制。例如，當(dāng)承受材料是非剛性的，而是相對(duì)柔軟的，如關(guān)節(jié)表面所覆蓋的關(guān)節(jié)軟骨，會(huì)產(chǎn)生液膜潤(rùn)滑的動(dòng)態(tài)流體滑膜模型與擠壓潤(rùn)滑模型的不同。2023/2/2722第22頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三相對(duì)柔軟的表面承受滑動(dòng)（動(dòng)態(tài)流體）或擠壓液膜作用，且液膜內(nèi)的壓力使得表面明顯變形，這時(shí)的銳化稱為彈性動(dòng)態(tài)流體潤(rùn)滑。這樣的潤(rùn)滑增大了表面面積和一致性，改善了膜的幾何性質(zhì)。承載接觸面積的增大減少潤(rùn)滑劑從承載面之間流走，形成持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的潤(rùn)滑劑膜，從而關(guān)節(jié)的應(yīng)力降低而更持久。2023/2/2723第23頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三軟骨變性的生物力學(xué)關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)和再生能力有限，如果承受應(yīng)力太大，可能很快發(fā)生完全破壞。高接觸壓力會(huì)減少液膜潤(rùn)滑的可能性。固體表面凹凸不平點(diǎn)的接觸，可引起顯微應(yīng)力點(diǎn)的集中，使這些關(guān)節(jié)面材料發(fā)生磨損。關(guān)節(jié)總載荷頻率和數(shù)量的增加，可以解釋為什么某些職業(yè)的人員關(guān)節(jié)變性的發(fā)生率高。2023/2/2724第24頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如足球運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)，芭蕾舞演員的踝關(guān)節(jié)等。骨關(guān)節(jié)病也可以繼發(fā)于膠原蛋白-糖蛋白基質(zhì)的分子或微觀結(jié)構(gòu)損傷，如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等。2023/2/2725第25頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/2