生物力學(xué)課程骨骼力學(xué)

當前第1頁\共有96頁\編于星期四\19點

骨是堅硬而有生命的器官,是人體中能再生和能自我修復(fù)的組織。骨骼系統(tǒng)的功能主要有兩種：一.提供對動物體的支持、運動作用并保護內(nèi)臟器官、顱腔及骨髓的造血系統(tǒng)。二.參與機體鈣和磷的代謝。當前第2頁\共有96頁\編于星期四\19點

骨具有豐富的血供和良好的自我修復(fù)能力。它的結(jié)構(gòu)和性能隨著力學(xué)環(huán)境的改變而改變。例如：廢用或過度使用通常會伴隨骨密度的改變。當前第3頁\共有96頁\編于星期四\19點第一節(jié)

骨的結(jié)構(gòu)

當前第4頁\共有96頁\編于星期四\19點

一．人體共有206塊骨，依所在部位可分為:

顱骨、軀干骨和四肢骨。二．按其形狀又可分為:

長骨，如脛骨、股骨；

短骨，如腕骨、跗骨；

扁骨，如顱骨中的枕骨、頂骨；

不規(guī)則骨，如椎骨。當前第5頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第6頁\共有96頁\編于星期四\19點

這些形狀不同的骨，是長期自然演變的結(jié)果，它符合最優(yōu)化原則，即用最小的結(jié)構(gòu)材料承受最大的外力，同時還具有良好的功能適應(yīng)性。當前第7頁\共有96頁\編于星期四\19點三.骨的微觀結(jié)構(gòu)

在顯微鏡下，構(gòu)成骨的基本結(jié)構(gòu)單位稱之為骨單位，即哈佛氏系統(tǒng)。哈佛管：內(nèi)含神經(jīng)和血管。板層骨：

包繞在管的周圍。當前第8頁\共有96頁\編于星期四\19點

四.骨的宏觀結(jié)構(gòu)

骨分為密質(zhì)骨和松質(zhì)骨。

密質(zhì)骨一般位于骨的外層，松質(zhì)骨位于骨的內(nèi)層，由骨小梁形成篩狀結(jié)構(gòu)，小梁之間的空隙充滿了紅骨髓。

當前第9頁\共有96頁\編于星期四\19點密質(zhì)骨：疏松度為5—30%強度高變形能力差、變形超過2%就會產(chǎn)生斷裂

松質(zhì)骨：疏松度為30—90%

強度低應(yīng)變能力好，變形可達7%左右當前第10頁\共有96頁\編于星期四\19點松質(zhì)骨骨小梁當前第11頁\共有96頁\編于星期四\19點松質(zhì)骨:1.松質(zhì)骨具有多孔結(jié)構(gòu)，因而有較高的能量儲存能力。2.松質(zhì)骨內(nèi)膠原纖維的排列看似是紛亂的，但它并非無序，它是根據(jù)主要的受力狀態(tài)沿著主應(yīng)力的方向排列，形成最優(yōu)的受力結(jié)構(gòu)，即用最少的材料承受最大的外部載荷。當前第12頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第13頁\共有96頁\編于星期四\19點第二節(jié)骨的成分骨是由骨組織、骨膜和骨髓等構(gòu)成的堅硬器官。骨組織是骨的結(jié)構(gòu)主體，由細胞和鈣化的細胞外基質(zhì)組成。其特點是細胞外基質(zhì)有大量的骨鹽沉積，使骨組織成為人體最堅硬的組織之一。當前第14頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第15頁\共有96頁\編于星期四\19點一.骨基質(zhì)鈣化的骨組織的細胞外基質(zhì)。包括有機成份和無機成份,含水極少。當前第16頁\共有96頁\編于星期四\19點有機質(zhì)：

膠原纖維（主要由Ⅰ型膠原蛋白構(gòu)成）

無定形基質(zhì)（蛋白多糖及其復(fù)合物）無機鹽：羥磷灰石（3Ca3（PO4）2Ca（OH）2）

當前第17頁\共有96頁\編于星期四\19點●羥磷灰石是針狀結(jié)晶體，長約200A。晶體是沿著膠原纖維長度方向排列的。非常堅硬,沿軸向的彈性模量為165GPa,與鋼的彈性模量200GPa相近?！衲z原纖維不嚴格遵守胡克定律，其縱向彈性模量為1.24GPa。當前第18頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第19頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第20頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第21頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第22頁\共有96頁\編于星期四\19點膠原纖維具有韌性和柔軟性，因此可以抵抗拉伸，并具有部分可延展性。可見骨是由膠原纖維和羥磷灰石組成的復(fù)合材料，它具有優(yōu)異的力學(xué)性能。因為：柔韌的膠原可阻止硬材料的脆性斷裂，而堅硬的硬材料又可阻止軟材料的屈服。當前第23頁\共有96頁\編于星期四\19點二.四種骨細胞骨祖細胞成骨細胞骨細胞破骨細胞當前第24頁\共有96頁\編于星期四\19點

四種細胞在不同的生物力學(xué)環(huán)境中能相互轉(zhuǎn)化，互相配合而吸收舊骨質(zhì)，產(chǎn)生新骨質(zhì)。骨祖細胞：骨組織的干細胞，位于骨膜內(nèi)，可分化成為成骨細胞和成軟骨細胞。分化方向取決于所處的部位和所受的刺激性質(zhì)。例如，當骨生長、改建或骨折修復(fù)時，骨祖細胞活躍，不斷分裂、分化為成骨細胞。當前第25頁\共有96頁\編于星期四\19點成骨細胞的功能是合成分泌膠原、鈣化基質(zhì)。其數(shù)量、形狀、合成分泌功能受應(yīng)力環(huán)境影響，如應(yīng)力的性質(zhì)、大小、頻率等，它還受年齡、遺傳、疾病、內(nèi)分泌的影響。在良好的力學(xué)環(huán)境下。成骨細胞數(shù)量增加，胞體增大，合成分泌功能明顯增強，因此可以加速骨折愈合，使骨密度增加，剛度明顯增加。在有害應(yīng)力或低應(yīng)力環(huán)境下，骨折愈合遲緩，甚至不愈合，骨質(zhì)疏松，強度下降。當前第26頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第27頁\共有96頁\編于星期四\19點

成骨細胞是其中重要的感受與效應(yīng)細胞。力敏感的離子通道、G蛋白與酪氨酸激酶、整合素受體與細胞骨架等多種途徑，感受體內(nèi)外力學(xué)刺激，并將力學(xué)刺激信號轉(zhuǎn)化為細胞生物化學(xué)信號，介導(dǎo)力相關(guān)敏感基因表達，合成各種酶類等活性物質(zhì)，激活信號網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)反應(yīng)，參與一系列復(fù)雜的生理病理活動。當前第28頁\共有96頁\編于星期四\19點骨細胞：成骨細胞產(chǎn)生類骨質(zhì)后，自身被包埋其中，分泌能力逐漸減弱，轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌毎．斍暗?9頁\共有96頁\編于星期四\19點破骨細胞：吞噬和分解非受力骨組織和壞死骨組織。

合成并分泌溶膠原酶，對失去應(yīng)力的膠原進行溶解；合成分泌多種水解酶,對羥基磷灰石進行水解破壞；其形狀、數(shù)量和合成功能受應(yīng)力環(huán)境影響，在低應(yīng)力區(qū)，破骨骨細胞數(shù)量增加，體積變大，骨組織以破壞、吸收為主，骨質(zhì)疏松，強度、剛度降低。當前第30頁\共有96頁\編于星期四\19點

正常骨骼處于一個吸收與生長重建的連續(xù)過程，成骨細胞與破骨細胞的生理活性保持著動態(tài)平衡，機械力學(xué)刺激是必不可少的條件之一。當前第31頁\共有96頁\編于星期四\19點

大量研究表明：機械力學(xué)刺激過低時，如宇航失重和長期臥床、肢體制動的人員均可導(dǎo)致骨密度、骨鈣含量、骨基質(zhì)蛋白、骨形成速度的降低。當前第32頁\共有96頁\編于星期四\19點第三節(jié)骨的力學(xué)特性具有很高的抗壓、抗拉性能，又有一定的硬度。

當前第33頁\共有96頁\編于星期四\19點從骨的結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)過生物優(yōu)化過程，具有最優(yōu)力學(xué)性能，即優(yōu)化為最大的強度、最省的材料、最輕的重量。如：

骨的空心結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)骨（密質(zhì)骨）集中在外面，密質(zhì)骨的彈性模量比松質(zhì)骨大10倍。

密質(zhì)骨內(nèi)部的的哈佛氏孔可以阻止表面裂紋的向內(nèi)延伸。松質(zhì)骨的多孔結(jié)構(gòu)可吸收、儲存能量。當前第34頁\共有96頁\編于星期四\19點

從力學(xué)和工程的角度看，人體無非是一種由生命材料（骨骼、肌肉）構(gòu)成的結(jié)構(gòu)而已，骨骼作為生物體上具有一定剛性的材料，起著構(gòu)架和支撐的作用，是生物體造型的結(jié)構(gòu)部分。在生物體存活時間，幾乎每時每刻都處于受力狀態(tài)，因此，和一般結(jié)構(gòu)材料一樣，也有強度、變形、穩(wěn)定、疲勞等要求，一旦超過了限度，就有災(zāi)難性的后果。當前第35頁\共有96頁\編于星期四\19點

在研究骨的力學(xué)性能時必須考慮到它是一種有生命的材料，骨不斷地完善并重建新的骨組織，吸收老的骨組織，而工程材料均不具有這個特性。當前第36頁\共有96頁\編于星期四\19點二、骨的材料力學(xué)性能特點

當前第37頁\共有96頁\編于星期四\19點1.骨與其它工程材料相比，其最大的特點在于:它是一個有生命的器官。這體現(xiàn)于力學(xué)環(huán)境與骨的生長、發(fā)育、再造和吸收密切相關(guān)。為了適應(yīng)不斷變化的力學(xué)環(huán)境，骨在不斷地進行結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性改建和縮形。例如應(yīng)力對骨的生長、吸收起著調(diào)節(jié)作用，每一塊骨都對應(yīng)一個最適宜的應(yīng)力范圍，應(yīng)力過高、過低都會造成骨的萎縮。當前第38頁\共有96頁\編于星期四\19點

其次骨的干、濕狀態(tài)影響其力學(xué)性質(zhì)。此外骨的強度、彈性模量還與年齡、性別和病理等因素有關(guān)。當前第39頁\共有96頁\編于星期四\19點2.骨與工程材料相比的第二個特點：骨是一種非均勻的、各向異性的復(fù)合材料。骨是由膠原纖維和羥基磷灰石組成的復(fù)合材料，表現(xiàn)出非均勻性和各向異性。在不同部位，即使在同一部位的不同方向，骨的力學(xué)性能都有很大的差別。當前第40頁\共有96頁\編于星期四\19點

與其它生物材料相比，如肌肉、血管，骨的性能，如應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系等，更接近工程

材料。

當前第41頁\共有96頁\編于星期四\19點

因此，工程學(xué)方法可以應(yīng)用于分析骨的力學(xué)性能。目前，骨實驗生物力學(xué)的測試技術(shù)為萬能實驗機測量法、電測法和光測法。當前第42頁\共有96頁\編于星期四\19點

四.骨的生物力學(xué)性能從力學(xué)角度講，骨組織是一種雙相的的復(fù)合材料，一相為無機物，另一相為膠原和無定形基質(zhì)，當堅固的脆性材料嵌入另一種力度較弱但柔韌性強的材料中后，復(fù)合材料的性能比其中任何一種單純材料更加堅韌。當前第43頁\共有96頁\編于星期四\19點

從功能上說，骨最重要的力學(xué)性質(zhì)是它的強度、剛度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。通過骨在外力作用下的變形可得到。當前第44頁\共有96頁\編于星期四\19點由韌性材料組成的結(jié)構(gòu)體的載荷-形變曲線強度剛度能量積累脆性當前第45頁\共有96頁\編于星期四\19點密質(zhì)骨在拉伸實驗中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線當前第46頁\共有96頁\編于星期四\19點1.骨、金屬和玻璃的力學(xué)性質(zhì)比較三種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線當前第47頁\共有96頁\編于星期四\19點2.密質(zhì)骨和松質(zhì)骨的力學(xué)性能。密質(zhì)骨松質(zhì)骨壓縮實驗中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系當前第48頁\共有96頁\編于星期四\19點密質(zhì)骨：

疏松度為5—30%

強度高

變形能力差、變形超過2%就會產(chǎn)生斷裂

松質(zhì)骨：

疏松度為30—90%

強度低

應(yīng)變能力好，變形可達7%左右

積累能量的能力很強兩者疏松度差別很大→兩者的力學(xué)性能差異很大當前第49頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第50頁\共有96頁\編于星期四\19點3.骨的各向異性人股骨干密質(zhì)骨四個方向加載實驗當前第51頁\共有96頁\編于星期四\19點4.肌肉的活動對骨應(yīng)力分布的影響

骨在體內(nèi)受到復(fù)合時，附著于骨的肌肉會發(fā)生收縮，改變應(yīng)力在骨內(nèi)的分布。肌肉收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力能夠部分或完全抵消張應(yīng)力的效應(yīng)。這樣就降低或抵消了骨的張應(yīng)力作用。當前第52頁\共有96頁\編于星期四\19點脛骨三點彎曲實驗當前第53頁\共有96頁\編于星期四\19點5.骨的應(yīng)變率依賴性

骨是一種粘彈性材料，它的力學(xué)性能隨受到的加載速率的變化而發(fā)生改變。加載于骨的載荷速率越高，骨在骨折前表現(xiàn)的剛度就越高，能承受的載荷也就越高。當前第54頁\共有96頁\編于星期四\19點在體內(nèi)，應(yīng)變每天都發(fā)生著相當大的變化。五種應(yīng)變率下皮質(zhì)骨的應(yīng)變率依賴性當前第55頁\共有96頁\編于星期四\19點在臨床上，了解加載速度是非常重要的。因為它能影響骨折方式和軟組織損傷數(shù)量。當前第56頁\共有96頁\編于星期四\19點人脛骨在高速扭轉(zhuǎn)力作用下發(fā)生骨折當前第57頁\共有96頁\編于星期四\19點

臨床上，根據(jù)骨折時能量的釋放將骨折分為三種類型：

低能量：運動損傷，滑雪等高能量：車禍超高能量：高速的槍彈傷當前第58頁\共有96頁\編于星期四\19點6.年齡相關(guān)性骨退化性

隨著年齡的增加，骨密度會發(fā)生進行性降低，縱向骨小梁變細，橫向骨小梁被吸收。隨之的結(jié)果就是松質(zhì)骨的數(shù)量顯著下降和皮質(zhì)骨變薄。當前第59頁\共有96頁\編于星期四\19點年輕年長當前第60頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第61頁\共有96頁\編于星期四\19點骨量、年齡和性別之間的關(guān)系當前第62頁\共有96頁\編于星期四\19點拉伸實驗中年輕人和老年人脛骨的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

兩者的骨強度相近,但是老年人骨脆性更大，失去了形變能力。當前第63頁\共有96頁\編于星期四\19點年齡相關(guān)的骨量丟失取決于很多因素，如年齡、性別、內(nèi)分泌異常、活動減少、費用和鈣不足等。當前第64頁\共有96頁\編于星期四\19點7.骨的疲勞性能人在不斷的運動的過程中，骨會反復(fù)受力，當這種反復(fù)作用的力超過某一生理限度時會使骨組織受到損傷，這種循環(huán)載荷下造成骨的損傷為疲勞損傷。

當前第65頁\共有96頁\編于星期四\19點疲勞曲線顯示載荷與載荷反復(fù)次數(shù)之間的相互作用當前第66頁\共有96頁\編于星期四\19點

骨的疲勞過程不僅僅受到載荷強度和反復(fù)次數(shù)的影響，還受到載荷頻率的影響。體內(nèi)骨具有自我修復(fù)能力，只有在骨重建不足以彌補骨疲勞損傷才發(fā)生骨折。當前第67頁\共有96頁\編于星期四\19點

在一般情況下，如果因疲勞而使骨產(chǎn)生細小裂紋時,由于活體骨骼具有自我修復(fù)能力,因而活骨的疲勞壽命要比尸骨長，從而保證人體可以長期運動和反復(fù)受力。但是這種自行修復(fù)的能力也是有一定限度的，過度的疲勞導(dǎo)致永久性的損傷。當前第68頁\共有96頁\編于星期四\19點

疲勞骨折往往發(fā)生在持續(xù)過度活動的部位，這種持續(xù)過度活動使肌肉疲勞，收縮乏力，導(dǎo)致它們積累能量的能力和抵消應(yīng)力的能力大大減弱。隨之發(fā)生的骨應(yīng)力分布變化使骨受到的應(yīng)力異常增高，疲勞損傷逐漸積累，最終導(dǎo)致骨折。當前第69頁\共有96頁\編于星期四\19點8.骨的受沖擊性能(1)骨在沖擊載荷作用下產(chǎn)生損傷的程度和損傷的形式，一方面取決于沖擊載荷具有的能量大小，另一方面還要取決于沖擊載荷的作用時間。當前第70頁\共有96頁\編于星期四\19點

沖擊能量越大，沖擊時間越短，造成骨的損傷程度越大。當前第71頁\共有96頁\編于星期四\19點例：當—顆高速飛行的子彈打人頭顱中去時，盡管子彈具有很大的動能，但在穿入骨中去的過程中能量大量被吸收，其結(jié)果只將骨打穿一個洞而不產(chǎn)生骨折。

但是用一鈍器猛擊頭部卻使顱骨破碎，這是因為在顱骨表面沖擊時間很短，沖擊能量來不及被吸收所致。當前第72頁\共有96頁\編于星期四\19點(2)骨承受沖擊能力的大小與骨的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切進行沖擊實驗比較，發(fā)現(xiàn)頭顱骨耐沖擊能力要比長骨高40%左右。原因：一方面在于顱骨為扁骨，內(nèi)外表面是密質(zhì)骨骨板，中間一層海綿骨，具有吸收沖擊能的作用。

另一方面顱骨呈薄殼狀結(jié)構(gòu)，具有良好的承受外部載荷的能力。

當前第73頁\共有96頁\編于星期四\19點對于活體中的骨，耐沖擊能力還應(yīng)考慮到骨周圍的肌肉、皮膚、內(nèi)臟器官組織等的影響，在進行實驗時應(yīng)盡可能模擬真實情況以便獲得較為客觀的數(shù)據(jù)。

當前第74頁\共有96頁\編于星期四\19點9.骨的斷裂韌性

所謂斷裂韌性是指某種材料阻止裂紋擴展的能力，一般用它描述材料抵抗脆性破壞的能力。

骨經(jīng)常全因受到某種損傷或內(nèi)在的缺陷而存在小的裂紋，此時必須要考慮這種裂紋對骨材料強度的影響以及骨材料所具有的抗裂能力，因而引進骨的斷裂韌性這—力學(xué)參數(shù)。當前第75頁\共有96頁\編于星期四\19點由于骨內(nèi)骨質(zhì)分布的非均勻性以及骨內(nèi)存在著孔洞、缺陷和裂紋等，使得對骨斷裂韌性的研究更為困難和復(fù)雜，同時也降低了骨的斷裂韌性。當前第76頁\共有96頁\編于星期四\19點

骨的力學(xué)性質(zhì)受到性別、年齡、取材部位和方向、骨的狀態(tài)（干骨或濕骨）、加載速度等因素的影響，會在某一范圍變化。當前第77頁\共有96頁\編于星期四\19點五.骨的重建

骨具有重建能力，通過改變其大小、形狀和結(jié)構(gòu)來適應(yīng)外界的力學(xué)要求。這種骨能夠隨著應(yīng)力的作用水平變化而獲得或丟失松質(zhì)骨和密質(zhì)骨的現(xiàn)象稱為Wolff定律，說明機械應(yīng)力能影響和調(diào)節(jié)骨的重建。當前第78頁\共有96頁\編于星期四\19點

骨量和身體的重量呈正比關(guān)系，身體越重，對應(yīng)的骨量越多。相反長期處于失重狀態(tài)會導(dǎo)致承重骨發(fā)生骨量丟失。骨骼肌的活動重力骨骼加載當前第79頁\共有96頁\編于星期四\19點廢用和活動減少狀態(tài)對骨骼是有害的。正常組和制動組獼猴腰椎載荷－變形曲線圖當前第80頁\共有96頁\編于星期四\19點

第四節(jié)骨的連接

骨與骨之間的連接裝置稱骨連接，按連接形式及連接組織不同，分直接連接和間接連接兩種。當前第81頁\共有96頁\編于星期四\19點

（一） 直接連接骨與骨間借致密結(jié)締組織、軟骨或骨直接連接，其間無腔隙，稱直接連接，包括纖維連接、軟骨連接和骨性結(jié)合三種形式。其特點是活動幅度小或不能活動。如顱骨之間的骨縫、椎骨之間的椎間盤等，這種連接形式其活動范圍很小。當前第82頁\共有96頁\編于星期四\19點

（二） 間接連接骨與骨之間通過關(guān)節(jié)相連。它是全身骨的主要連接方式，其活動范圍大，可完成各種不同的運動。

當前第83頁\共有96頁\編于星期四\19點當前第84頁\共有96頁\編于星期四\19點

每個關(guān)節(jié)都具有關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)腔三種基本構(gòu)造。當前第85頁\共有96頁\編于星期四\19點關(guān)節(jié)面：是構(gòu)成關(guān)節(jié)的相對面，一骨的關(guān)節(jié)面隆凸，構(gòu)成關(guān)節(jié)頭，另一骨的關(guān)節(jié)面凹陷，形成關(guān)節(jié)窩。關(guān)節(jié)面覆蓋一薄層透明軟骨，稱關(guān)節(jié)軟骨，其表面光滑，有彈性，可減少運動時的摩擦，并緩沖震蕩。當前第86頁\共有96頁\編于星期四\19點關(guān)節(jié)囊：為結(jié)締組織膜構(gòu)成的囊，分內(nèi)、外兩層。外層為纖維層，由致密結(jié)締組織構(gòu)成，厚而堅韌；內(nèi)層為滑膜層，由疏松結(jié)締組織構(gòu)成，薄而柔軟，能分泌滑液。當前第87頁\共有96頁\編于星期四\19點關(guān)節(jié)腔：是關(guān)節(jié)軟骨與滑膜圍成的密閉腔隙，內(nèi)含少量滑液，有潤滑關(guān)節(jié)以減小摩擦的作用。腔內(nèi)為負壓，增加了關(guān)節(jié)的穩(wěn)固性。當前第88頁\共有96頁\編于星期四\19點

除以上主要部分以外還有韌帶、關(guān)節(jié)盂緣、滑液囊等輔助結(jié)構(gòu)，起加固關(guān)節(jié)和增加靈活性的作用。關(guān)節(jié)的運動主要分為屈和伸、內(nèi)收和外展、旋內(nèi)和旋外遺跡環(huán)轉(zhuǎn)等四種形式。當前第89頁\共有96頁\編于星期四\19點第五節(jié)關(guān)節(jié)軟骨(cartilage)

軟骨略有彈性，能承受壓力并耐摩擦，有一定的支持和保護作用。軟骨由軟骨組織及其周圍的軟骨膜構(gòu)成。

當前第90頁\共有96頁\編于星期四\19點