骨生物力學(xué)韓課件

骨生物力學(xué)第一節(jié)：生物力學(xué)概念人體活動(dòng)對(duì)骨骼的三種力1作用于骨的外力2肌肉收縮和韌帶的張力對(duì)骨骼的內(nèi)力3骨的內(nèi)反應(yīng)力（負(fù)荷）力—負(fù)荷作用于骨骼可使骨發(fā)生形變微觀—顯微骨折—青枝骨折—骨折骨折因素：1.力的大小方向面積和幾何學(xué)。2.骨的材料特性。兩種應(yīng)力：正常應(yīng)力：垂直于所給平面的單位面積的力（使立方體前面變薄變長(zhǎng)）剪式應(yīng)力：平行于所給平面的單位面積的力（使立方體變?yōu)槠叫辛骟w）2.拉力和壓力骨骼系統(tǒng)的特點(diǎn)幾何學(xué)復(fù)雜：管狀骨、不規(guī)則骨、扁骨等力的類型復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)變復(fù)雜3.彎曲（長(zhǎng)管狀骨）1.純彎曲：凹側(cè)-壓應(yīng)變（力），凸側(cè)-張應(yīng)變（力），中位軸-應(yīng)變（力）為0.壓力點(diǎn)(橫切面)不會(huì)產(chǎn)生剪式應(yīng)力2.三點(diǎn)彎曲：骨骼受力較常見.兩端支撐，對(duì)側(cè)受力。（受力點(diǎn)：彎矩）應(yīng)力點(diǎn)(橫切面)會(huì)產(chǎn)生剪式應(yīng)力

4.彎曲聯(lián)合軸向負(fù)荷

長(zhǎng)管狀骨受兩方向外力壓力負(fù)荷

彎曲負(fù)荷—側(cè)張應(yīng)力側(cè)壓應(yīng)力壓力+彎曲=聯(lián)合負(fù)荷（常見）第二節(jié)：骨與關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)骨組織材料特性

硬組織應(yīng)力--應(yīng)變關(guān)系骨折—取決于其材料特性骨成分：基質(zhì)膠原—骨小梁結(jié)構(gòu)：皮質(zhì)骨（骨干）（骨孔5%-30%），松質(zhì)骨（骨端）（骨孔30%-90%）1.骨皮質(zhì)骨皮質(zhì)其材料特性取決于骨組織負(fù)荷或變形率。骨皮質(zhì)快速受力較緩慢受力吸收的能量大。骨組織應(yīng)力-應(yīng)變特征：骨皮質(zhì)縱向骨小梁排列比橫向強(qiáng)度大，硬度也較強(qiáng)。（長(zhǎng)骨長(zhǎng)軸比橫軸更對(duì)抗應(yīng)力）應(yīng)變率表示骨受力過(guò)程中變形迅速的程度（單位/S）如正常骨低于0.01/S骨折瞬間超過(guò)10.0/S不同載荷造成的骨折類型

拉力壓力旋轉(zhuǎn)彎曲壓力成人股骨骨皮質(zhì)極限程度負(fù)荷類型極限程度（MPa）縱向拉力133壓力193剪力（縱向扭轉(zhuǎn)）68橫向拉力51壓力1333.骨松質(zhì)骨松質(zhì)：多孔硬度較皮質(zhì)骨差屈服：當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限后，變形增加較快，此時(shí)除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度，塑性應(yīng)變急劇增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。4.關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)

關(guān)節(jié)軟骨功能：1.減少接觸應(yīng)力2.潤(rùn)滑4.1軟骨的負(fù)荷變形軟骨的負(fù)荷變形軟骨承受負(fù)荷時(shí)，發(fā)生瞬間變形蠕動(dòng)期（負(fù)荷恒定，壓痕增加）去除負(fù)荷，恢復(fù)原形。關(guān)節(jié)軟骨承受負(fù)荷2分鐘內(nèi)發(fā)生變形，去除負(fù)荷，90%可瞬間恢復(fù)。軟骨的滲透性很低，通過(guò)壓力梯度和擠壓滲透。機(jī)械反芻調(diào)節(jié)機(jī)制4.2軟骨的張力特性軟骨主要抗張力成分----膠原纖維（軟骨張力硬度取決于膠原纖維含量多少和排列次序）張力繼發(fā)于壓力軟骨表面膠原纖維的主要排列方向與壓力垂直關(guān)節(jié)產(chǎn)生的最大表面張力相一致，張力強(qiáng)度隨關(guān)節(jié)面下的深度增加而減少。4.4關(guān)節(jié)軟骨的粘彈性蛋白多糖含有水分，調(diào)節(jié)水的流動(dòng)。膠原組成基質(zhì)內(nèi)的張力，維持蛋白多糖的含量。軟骨承受負(fù)荷基質(zhì)內(nèi)液體壓變化水分由基質(zhì)孔流出（海綿）產(chǎn)生非線性形變粘彈性（有賴于應(yīng)變率的形變）變形與承受外力速度有關(guān)。4.5關(guān)節(jié)軟骨的磨損力學(xué)關(guān)節(jié)軟骨的磨損力學(xué)磨損：通過(guò)機(jī)械作用去除固體表面的物質(zhì)兩個(gè)方面：承載面之間互相作用引起界面磨損接觸體變形引起的疲勞性磨損軟骨組織：易疲勞性材料周期性負(fù)荷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致軟骨膠原纖維疲勞短裂軟骨負(fù)荷時(shí)，其內(nèi)部的膠原纖維方向與負(fù)荷相垂直。分解應(yīng)力，軟骨損害。軟骨疲勞性磨損破壞的成分：1.膠原纖維，2.蛋白多糖大分子網(wǎng)，3.纖維和原纖維基質(zhì)之間界面。第三節(jié)骨折與固定生物力學(xué)

骨折與固定的生物力學(xué)1.骨折力學(xué)原理骨某一區(qū)域應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度，發(fā)生骨折。骨結(jié)構(gòu)(彎曲)本身：減低彎應(yīng)力骨空心結(jié)構(gòu)：比實(shí)心結(jié)構(gòu)承受彎曲及旋轉(zhuǎn)應(yīng)力強(qiáng)棒的壓力和張力和橫斷面面積成正比.面積112張力和壓力100%100%200%強(qiáng)度彎曲和旋轉(zhuǎn)100%210%495%強(qiáng)度骨折原因創(chuàng)傷骨病積累勞損扭轉(zhuǎn)應(yīng)力導(dǎo)致螺旋骨折受力機(jī)制為剪應(yīng)力旋轉(zhuǎn)軸45度時(shí)應(yīng)力最大。軸向壓力易在長(zhǎng)管狀骨縱軸方向形成最大的剪力進(jìn)而造成骨干斜行骨折通常長(zhǎng)管狀骨的軸向壓力不是單一的。骨病骨腫瘤、骨缺損造成：骨的幾何學(xué)改變骨的強(qiáng)度改變骨缺損部位產(chǎn)生應(yīng)力集中（骨折機(jī)制）2.疲勞斷裂疲勞斷裂骨每天承受負(fù)荷，或長(zhǎng)時(shí)間鍛煉，積累損傷，導(dǎo)致疲勞骨折常見于長(zhǎng)途行軍，從事長(zhǎng)距離行走及長(zhǎng)跑者最常見于雙足第二趾骨遠(yuǎn)端疲勞：材料在周期性和間歇負(fù)荷下發(fā)生的進(jìn)行性損傷(顯微鏡下?lián)p傷)，在周期性負(fù)荷條件下，材料負(fù)荷水平低于能引起的材料損傷的單次負(fù)荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生損傷。材料的疲勞極限（Fatiguelimit）任何材料具有一應(yīng)力水平，低于該水平疲勞壽命是無(wú)限的，該應(yīng)力水平稱疲勞極限。疲勞極限是一個(gè)安全控制數(shù)據(jù)，只要應(yīng)力低于它，不管周期數(shù)目多少是不會(huì)短裂的。骨單位密度較高的骨，抗疲勞性能較好，有助于防止骨折-因骨的膠接線及中央管制止裂隙擴(kuò)展。3.骨折治療生物力學(xué)接骨原則：1.血供。2.維持骨生理和力學(xué)環(huán)境。彈性固定好，活動(dòng)度難掌握。牢固固定，缺點(diǎn)骨愈合不牢固。長(zhǎng)骨骨折，因長(zhǎng)力臂易移位。骨痂形成使骨折穩(wěn)定。骨折愈合有利：一定活動(dòng)量和允許小的剪力。不利：剪力或彎曲力過(guò)度。4.張力帶固定張力來(lái)自：彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，肌力。骨折固定于張力側(cè)-使骨保持原有序列和對(duì)抗張力。張力帶用于：髕骨，尺骨鷹咀，大粗隆，內(nèi)外踝。張力帶和張力帶板。