骨的力學(xué)性質(zhì)

骨的力學(xué)性質(zhì)第1頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨是有生命的器官?gòu)牧W(xué)角度講，骨是人體受力的主要載體分類部位形態(tài)第2頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的形態(tài)成人全身骨約占體重的20％，206塊。形態(tài)多樣，分為四類：

長(zhǎng)骨：主要分布于四肢，起支持和杠桿作用；長(zhǎng)骨中間部為骨干，呈長(zhǎng)管狀，骨干內(nèi)空腔為骨髓腔，兩端膨大，為骺。如肱骨。

短骨：形似立方形，多分布于既能承受壓力又能活動(dòng)的部位，如手的腕骨和足的跗骨；

第3頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的形態(tài)成人全身骨約占體重的20％，206塊。形態(tài)多樣，分為四類：扁骨：呈板狀，富有較大的彈性和堅(jiān)固性，圍成空腔對(duì)腔內(nèi)器官起保護(hù)作用，如頂骨、枕骨等；不規(guī)則骨：形狀不規(guī)則，如椎骨、蝶骨。

第4頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)骨的成分有機(jī)質(zhì)膠原纖維、無(wú)定形基質(zhì)四種骨組織細(xì)胞：骨祖細(xì)胞成骨細(xì)胞骨細(xì)胞破骨細(xì)胞無(wú)機(jī)鹽---主要是羥基磷灰石水第5頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第6頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四無(wú)機(jī)物堿性磷酸鈣為主的無(wú)機(jī)鹽類、碳酸鈣等。作用：使骨挺硬堅(jiān)實(shí)。有機(jī)物大量排列規(guī)則的骨膠原纖維束和粘多糖蛋白作用：作為骨支架，賦予骨彈性和韌性，使骨具有基本形態(tài)。第7頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)骨的構(gòu)造

骨膜：緊貼在除關(guān)節(jié)面以外的骨表面的一層致密纖維結(jié)締組織膜，很堅(jiān)韌，分為內(nèi)外兩層。內(nèi)層中有一些細(xì)胞可分化為成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。骨膜內(nèi)含有豐富的血管和神經(jīng)，對(duì)骨起營(yíng)養(yǎng)作用。骨由骨膜、骨質(zhì)和骨髓構(gòu)成，有豐富的血管和神經(jīng)?；铙w內(nèi)的每一塊骨都是一個(gè)活的器官。第8頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨膜

骨膜內(nèi)的成骨細(xì)胞在生長(zhǎng)發(fā)育期能形成新骨，使骨長(zhǎng)粗。成年以后則處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，但在骨折時(shí)，成骨細(xì)胞可再增生活動(dòng)，促進(jìn)骨的愈合。骨膜內(nèi)的破骨細(xì)胞能破壞骨質(zhì)。成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞對(duì)骨的發(fā)生、生長(zhǎng)改造、修復(fù)起著重要作用。第9頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨質(zhì)分骨密質(zhì)和骨松質(zhì)兩類。骨密質(zhì)：在骨的表面，由層層緊密排列的骨板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，抗壓、抗扭曲力強(qiáng)。第10頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨松質(zhì)骨松質(zhì)：骨松質(zhì)在骨密質(zhì)的內(nèi)面，結(jié)構(gòu)疏松，彈性較大，由許多片狀的骨小梁交織排列而成。呈蜂窩狀，骨小梁與壓力的傳遞方向一致，能承受很大的壓力。第11頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

骨密質(zhì)和骨松質(zhì)的分布

長(zhǎng)骨骨干：有很厚的骨密質(zhì)，骨干中央為骨髓腔。

長(zhǎng)骨骨骺及短骨：表面有一層薄的骨密質(zhì)，中央為骨松質(zhì)。

扁骨：內(nèi)外表面都是骨密質(zhì)形成的骨板，中央為骨松質(zhì)第12頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨髓在胎兒和幼兒時(shí)期全部都是紅骨髓，具有造血功能。隨著年齡的增長(zhǎng)(約5—7歲)，骨髓腔中的紅骨髓逐漸被脂肪組織所代替，顏色變黃稱為黃骨髓，失去造血功能。但當(dāng)大失血或嚴(yán)重貧血時(shí)，黃骨髓可再轉(zhuǎn)變?yōu)榧t骨髓，恢復(fù)造血功能。在骨骺、短骨及扁骨的骨松質(zhì)內(nèi)的紅骨髓終生保持造血功能。充填于骨髓腔和骨松質(zhì)的網(wǎng)眼內(nèi)。第13頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的顯微結(jié)構(gòu)

作用：骨組織與軟骨組織均屬于具有支持和保護(hù)作用的結(jié)締組織。骨質(zhì)、骨膜（血管、神經(jīng)）、骨髓骨組織骨細(xì)胞：多突起，位于骨陷窩內(nèi)，埋藏在固體狀態(tài)基質(zhì)中．基質(zhì)：基質(zhì)和纖維排列成緊密的骨板。具有一定的形狀和強(qiáng)大的堅(jiān)韌性和彈性。軟骨組織骨組織透明軟骨、彈力軟骨和纖維軟骨第14頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的顯微結(jié)構(gòu)第15頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)骨的力學(xué)特性具有很高的抗拉、壓性能有一定的硬度從骨的結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)過(guò)生物優(yōu)化過(guò)程，具有最優(yōu)的力學(xué)性能，既優(yōu)化為最大的強(qiáng)度、最省的材料、最輕的重量。第16頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的可塑性：在生長(zhǎng)、發(fā)育過(guò)程中，由于各種條件的影響使得骨的形態(tài)有所改變。骨的粘彈性：在外力作用下，骨產(chǎn)生的形變與時(shí)間相關(guān)。第17頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四力學(xué)性質(zhì)：極限強(qiáng)度：抗張強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度

剛度：

彈性模量：

韌性：應(yīng)力－應(yīng)變曲線：在此施加壓力在此拉伸體重的著力點(diǎn)人體股骨的應(yīng)力分布第18頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四應(yīng)力與應(yīng)變曲線STRESS骨密質(zhì)

骨松質(zhì)GreaterArea:AbsorbsmoreEnergy第19頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨骼及其力學(xué)性質(zhì)（極限壓縮強(qiáng)度和壓縮率）股骨切向顱骨徑向顱骨椎骨骨試件壓縮應(yīng)力——應(yīng)變曲線（σ－ε圖）第20頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨力學(xué)特性的基本概念力學(xué)性質(zhì)：（極限）強(qiáng)度：抵抗破壞的能力抗張強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度剛度：抵抗變形的能力穩(wěn)定性：保持相對(duì)位置的能力彈性模量：韌性：應(yīng)力－應(yīng)變曲線：第21頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的材料力學(xué)性能特點(diǎn)有生命非均勻、各向異性的復(fù)合材料接近于工程材料，用工程學(xué)方法分析骨的力學(xué)性能第22頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨材料力學(xué)試樣的選取單質(zhì)試樣選取單一種類的骨質(zhì)材料最為試樣（如只選取密致骨）多質(zhì)試樣多針對(duì)扁骨這樣的結(jié)構(gòu)整體骨骼試樣第23頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的材料力學(xué)性能拉伸壓縮剪切彎曲扭轉(zhuǎn)骨的疲勞性能骨的斷裂韌性第24頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的拉伸和壓縮成人濕潤(rùn)密質(zhì)骨試件的拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線（σ－ε圖）橈骨腓骨肱骨σ=117Mpaε=1.5%線彈性第25頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四年齡、部位、性別同一骨的不同方向的試樣濕骨和干骨加載速度σεσε第26頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的剪切受一對(duì)大小相等、方向相反，相距很近的力的作用。影響因素：干骨濕骨、性別、年齡等各向異性第27頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的彎曲骨在與軸垂直方向上受力會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，骨在彎曲時(shí)受到有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及剪應(yīng)力，情況較為復(fù)雜。長(zhǎng)骨---簡(jiǎn)化為等厚度的橢圓環(huán)形截面的直桿。第28頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)表明，骨的抗扭能力較差密致骨受壓能力最好、受拉性能其次、受剪性能最差。松質(zhì)骨各項(xiàng)強(qiáng)度均小的多第29頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的疲勞性能運(yùn)動(dòng)過(guò)程骨反復(fù)受力，當(dāng)作用超過(guò)某一限度，骨組織會(huì)發(fā)生損傷——疲勞損傷自行修復(fù)能力過(guò)度疲勞——永久損傷第30頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨受沖擊性能影響因素沖擊載荷大小沖擊載荷作用時(shí)間（能量）骨的結(jié)構(gòu)第31頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨的斷裂韌性斷裂韌性——某種材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，描述材料抵抗脆性破壞的能力。骨上存在孔洞、缺陷、裂隙等，降低了骨的斷裂韌性。第32頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)軟骨軟骨由軟骨組織及其周圍的軟骨膜構(gòu)成，軟骨組織由軟骨細(xì)胞、基質(zhì)及纖維構(gòu)成。根據(jù)軟骨組織內(nèi)所含纖維成分的不同，可將軟骨分為透明軟骨、彈性軟骨和纖維軟骨三種，其中以透明軟骨的分布較廣，結(jié)構(gòu)也較典型。軟骨是具有某種程度硬度和彈性的支持器管。第33頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、透明軟骨(HyalineCartilage)透明軟骨間質(zhì)內(nèi)僅含少量膠原原纖維，基質(zhì)較豐富，新鮮時(shí)呈半透明狀。主要分布于關(guān)節(jié)軟骨、肋軟骨等。二、纖維軟骨(FibrousCartilage)：纖維軟骨分布于椎間盤、關(guān)節(jié)盤及恥骨聯(lián)合等處?；|(zhì)內(nèi)富含膠原纖維束，呈平行或交錯(cuò)排列。軟骨細(xì)胞較小而少，成行排列于膠原纖維束之間。

第34頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、彈性軟骨(ElasticCartilage)彈性軟骨分布于耳廓及會(huì)厭等處。結(jié)構(gòu)類似透明軟骨，僅在間質(zhì)中含有大量交織成網(wǎng)的彈性纖維，纖維在軟骨中部較密集，周邊部較稀少。這種軟骨具有良好的彈性。四、軟骨膜(Perichondrium)除關(guān)節(jié)面的軟骨表面以外，軟骨的周圍均覆有一層較致密的結(jié)締組織，即軟骨膜。其外層纖維較致密，主要為保護(hù)作用；內(nèi)層較疏松，富含細(xì)胞、神經(jīng)及一些小血管。在緊貼軟骨處的軟骨膜內(nèi)還有一種能形成骨或軟骨的幼稚細(xì)胞(干細(xì)胞)，呈梭形，可增殖分化為軟骨細(xì)胞。軟骨膜能保護(hù)及營(yíng)養(yǎng)軟骨，同時(shí)對(duì)軟骨的生長(zhǎng)有重要作用。第35頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四關(guān)節(jié)軟骨關(guān)節(jié)軟骨主要的功能是緩解壓力的作用，在壓力作用下，軟骨被壓縮，解除壓力，又可伸展，可以保護(hù)軟骨下的骨骼不受破壞，或者僅發(fā)生輕微的損傷。除此之外，關(guān)節(jié)軟骨還有潤(rùn)滑作用，使骨端滑動(dòng)。由于彈性作用，可迅速恢復(fù)原狀，因此關(guān)節(jié)軟骨的形狀改變而體積不變。在青年人，這種彈性作用較強(qiáng)，緩沖效果亦佳。然而老年人其纖維變性，彈性減弱，關(guān)節(jié)軟骨的延伸能力也減弱，且恢復(fù)原狀的能力也變得不如青年人，再加上老年人關(guān)節(jié)液減少，使關(guān)節(jié)軟骨變得干燥，因此老年人的關(guān)節(jié)軟骨易受損傷，經(jīng)常發(fā)生退行性骨關(guān)節(jié)病。第36頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)骨的連接直接連接韌帶連接軟骨結(jié)合骨結(jié)合間接連接關(guān)節(jié)第37頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四韌帶連接兩骨之間靠結(jié)締組織直接連結(jié)的叫韌帶連接。韌帶多呈膜狀、扁帶狀或束狀，由致密結(jié)締組織構(gòu)成。肉眼觀呈白色，有光澤，附著于骨的地方與骨膜編織在一起，很難剝除，有的韌帶由彈性結(jié)締組織構(gòu)成，肉眼觀呈淡黃色，叫做黃韌帶（如項(xiàng)韌帶）。一般的韌帶連接允許兩骨間有極微的動(dòng)度。但有些骨與骨之間，兩直線緣相對(duì)或互以齒狀緣相嵌，中間有少量結(jié)締組織纖維穿入兩側(cè)的骨質(zhì)中，使連結(jié)極為緊密，叫做縫，如顱骨的冠狀縫和人字縫。第38頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四軟骨結(jié)合相鄰兩骨之間以軟骨相連接叫軟骨結(jié)合。軟骨組織屬結(jié)締組織的一種，呈固態(tài)有彈性，由大量的軟骨細(xì)胞和間質(zhì)構(gòu)成，由于間質(zhì)的成分不同，又有透明軟骨、纖維軟骨和彈力軟骨的區(qū)分。第一助骨連于胸骨的軟骨屬透明軟骨，而相鄰椎骨椎體之間的椎間盤則由纖維軟骨構(gòu)成。由于軟骨具有一定彈性，所以能做輕微的活動(dòng)。有的軟骨結(jié)合保持終生，而大部分軟骨結(jié)合在發(fā)育過(guò)程中骨化變?yōu)楣墙Y(jié)合。第39頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨結(jié)合由軟骨結(jié)合經(jīng)骨化演變而成，完全不能活動(dòng)，如五塊骶椎以骨結(jié)合融為一塊骶骨。第40頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四關(guān)節(jié)盡管人體的關(guān)節(jié)有多種多樣，但其基本結(jié)構(gòu)不外有關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)腔。

1、關(guān)節(jié)面：各骨相互接觸處的光滑面叫關(guān)節(jié)面。關(guān)節(jié)面為一層軟骨覆蓋稱關(guān)節(jié)軟骨。

2、關(guān)節(jié)囊：由結(jié)締組織組成，它附著于關(guān)節(jié)面周圍的骨面上?？煞譃閮?nèi)外兩層，外層為纖維層，由致密結(jié)締組織構(gòu)成；內(nèi)層為滑膜層，由薄層疏松結(jié)締組織構(gòu)成，可分泌滑液，起到潤(rùn)滑作用。

3、關(guān)節(jié)腔：就是關(guān)節(jié)軟骨和關(guān)節(jié)囊間所密閉的腔隙。第41頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第六節(jié)骨的功能適應(yīng)性原理Wolf定律：活體骨按其所受應(yīng)力而改變成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外部形態(tài)——重建（內(nèi)部重建、表面重建）第42頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第七節(jié)骨折不同受力形式下的骨折拉伸力壓縮力彎曲力扭轉(zhuǎn)力復(fù)合力外力作用性質(zhì)和骨折靜力沖擊力交變載荷骨折愈合的力學(xué)環(huán)境骨痂愈合過(guò)程直接骨愈合接觸愈合間隙愈合影響骨折愈合的力學(xué)環(huán)境第43頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四不同受力形式下的骨折不同受力形式下的骨折拉伸力壓縮力常發(fā)生于脊柱，原因是破壞性的壓縮力彎曲力骨折常先發(fā)生于張應(yīng)力一側(cè)扭轉(zhuǎn)力常見(jiàn)于長(zhǎng)骨，骨折形狀表現(xiàn)為螺旋形復(fù)合力第44頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四外力作用性質(zhì)和骨折外力作用性質(zhì)和骨折靜力沖擊力造成骨折的主要原因交變載荷第45頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨折愈合的力學(xué)環(huán)境骨折愈合的力學(xué)環(huán)境骨痂愈合過(guò)程直接骨愈合接觸愈合間隙愈合第46頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四骨痂愈合過(guò)程固定穩(wěn)定性較差的骨折，在多個(gè)方向應(yīng)力刺激下，通過(guò)骨痂的形成和改建、塑