關節(jié)軟骨的生物力學

1、關節(jié)軟骨的生物力學2021-11-222 人體的關節(jié)分為人體的關節(jié)分為纖維狀關節(jié)、軟骨質(zhì)關節(jié)纖維狀關節(jié)、軟骨質(zhì)關節(jié)和滑膜關節(jié)和滑膜關節(jié)三種類型。三種類型。 其中，僅滑膜關節(jié)亦稱為動關節(jié)，允許較其中，僅滑膜關節(jié)亦稱為動關節(jié)，允許較大幅度的活動。在正常年輕關節(jié)內(nèi)，動關大幅度的活動。在正常年輕關節(jié)內(nèi)，動關節(jié)的關節(jié)骨末端覆蓋了節(jié)的關節(jié)骨末端覆蓋了一層厚一層厚1-6mm、致、致密且透明的白色結締組織密且透明的白色結締組織，稱為透明關節(jié)，稱為透明關節(jié)軟骨。軟骨。 關節(jié)軟骨是一種十分特殊的組織，在一般關節(jié)軟骨是一種十分特殊的組織，在一般人的壽命期內(nèi)都可以無損地承擔高負荷關人的壽命期內(nèi)都可以無損地承擔高負荷關

2、節(jié)運動。節(jié)運動。2021-11-223 但從生理學的角度上看，關節(jié)軟骨實際上是一種孤立的組織，沒有單獨的血液和淋巴供應。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血管的滲入。2021-11-224動關節(jié)的關節(jié)軟骨的功能 其主要功能是： 分散壓力。關節(jié)軟骨受壓時提供較大的接觸面以降低其上的壓力 關節(jié)面做動作時減少摩擦力，降低磨損。2021-11-225關節(jié)軟骨的組成成分關節(jié)軟骨層結構的簡要圖解關節(jié)軟骨層結構的簡要圖解2021-11-226關節(jié)軟骨的組成成分 膠原纖維 蛋白多糖 軟骨細胞 水分 顯微鏡下的關節(jié)軟骨顯微鏡下的關節(jié)軟骨2021-11-227膠原纖維 是體內(nèi)含

3、量最豐富的蛋白。 高度結構性的組織，可形成最佳的力學性能。 膠原為關節(jié)軟骨提供一種纖維狀超微結構，這種膠原網(wǎng)和多水的糖蛋白一起，共同抵抗關節(jié)的應力和應變。2021-11-228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或多個粘多糖（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，并把膠原纖維結合到一起。2021-11-229一個蛋白多糖大分子的簡圖 洗瓶刷模型洗瓶刷模型2021-11-2210軟骨細胞和水分軟骨細胞軟骨細胞2021-11-2211軟骨各成分間結構上的相互作用 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離子在生理ph溶液中被拉開，留下了

4、高濃度的固定負電荷產(chǎn)生分子內(nèi)與分子間的強電荷-電荷排斥力，使組織內(nèi)保持一種挺而伸展的狀態(tài)。 當軟骨面受力時，可發(fā)生瞬間變形，這主要是糖蛋白區(qū)的形狀改變所致，這種外加的應力使軟骨基質(zhì)中的內(nèi)壓超過了膨脹壓，引起液體從組織中外流。2021-11-2212軟骨各成分間結構上的相互作用2021-11-2213軟骨各成分間結構上的相互作用2021-11-2214關節(jié)軟骨的生物學性質(zhì) 滲透性 蠕變反應 潤滑2021-11-2215關節(jié)軟骨的生物學性質(zhì) 滲透性 表示液體流過多孔物質(zhì)的固體基質(zhì)時的摩擦阻力。 滲透性越低，承載時液體流動阻力越大。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

5、加，健康關節(jié)軟骨的滲透性大大降低。因此，關節(jié)軟骨具有一個機械反饋調(diào)節(jié)機制，阻止組織間液完全流出。 2021-11-2216 軟骨的蠕變反應 一個恒定的載荷瞬間施加于關節(jié)上，在載荷的作用下，軟骨的壓縮變形連續(xù)增加，直至獲得一個平穩(wěn)狀態(tài)或近似值，這就是“蠕變”。2021-11-2217蠕變?nèi)渥?021-11-2218界面潤滑 潤滑：界面潤滑和液膜潤滑 界面潤滑是依靠單層潤滑劑分子化學吸附到接觸的固體面上。作相對運動時，承載面受到互相滑動的潤滑劑分子保護，防止因表面粗糙發(fā)生的粘合和磨損。液膜潤滑 是一薄層的液膜將表面與表面分開，加載時液膜內(nèi)產(chǎn)生壓力支持載荷。 液膜潤滑的兩種典型模型：工程學上定義為動

6、態(tài)流體與擠壓液膜潤滑。這些模型應用于剛性承載面由相對不變形材料組成，如不銹鋼。2021-11-2219動態(tài)流體動態(tài)流體 動態(tài)流體潤滑常發(fā)生動態(tài)流體潤滑常發(fā)生于液膜潤滑的于液膜潤滑的不平行不平行的剛性承重表面的剛性承重表面，彼，彼此相對切線運動（即此相對切線運動（即彼此滑動），間隙內(nèi)彼此滑動），間隙內(nèi)液體形成楔狀。液體形成楔狀。 由于承載運動吸引液由于承載運動吸引液體進入表面間的楔狀體進入表面間的楔狀間隙，流體粘性產(chǎn)生間隙，流體粘性產(chǎn)生一個支撐力。一個支撐力。2021-11-2220擠壓液膜擠壓液膜 發(fā)生于承載表面彼此垂直運動發(fā)生于承載表面彼此垂直運動，流體的粘性抵抗力起到阻止，流體的粘性抵抗力

7、起到阻止流體從間隙中溢出，且形成液流體從間隙中溢出，且形成液膜，生成支撐力。膜，生成支撐力。 在短時間內(nèi)，擠壓液膜機制足在短時間內(nèi)，擠壓液膜機制足以承受高負載，但是，液膜最以承受高負載，但是，液膜最終會變得很薄，使得兩個承受終會變得很薄，使得兩個承受面的凸起部分（定點）接觸。面的凸起部分（定點）接觸。2021-11-2221動關節(jié)的潤滑作用機制動關節(jié)的潤滑作用機制 軟骨的近似無摩擦屬性與人造材料不同。軟骨的近似無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）的用于解釋剛性非滲透性材料（如鋼鐵）的潤滑作用的經(jīng)典理論不能完全解釋動關節(jié)潤滑作用的經(jīng)典理論不能完全解釋動關節(jié)的潤滑作用機制。

8、的潤滑作用機制。 例如，當承受材料是非剛性的，而是相對例如，當承受材料是非剛性的，而是相對柔軟的，如關節(jié)表面所覆蓋的關節(jié)軟骨，柔軟的，如關節(jié)表面所覆蓋的關節(jié)軟骨，會產(chǎn)生液膜潤滑的動態(tài)流體滑膜模型與擠會產(chǎn)生液膜潤滑的動態(tài)流體滑膜模型與擠壓潤滑模型的不同。壓潤滑模型的不同。2021-11-2222 相對柔軟的表面承受滑動（動態(tài)流體）或相對柔軟的表面承受滑動（動態(tài)流體）或擠壓液膜作用，且液膜內(nèi)的壓力使得表面擠壓液膜作用，且液膜內(nèi)的壓力使得表面明顯變形，這時的銳化稱為明顯變形，這時的銳化稱為彈性動態(tài)流體彈性動態(tài)流體潤滑潤滑。 這樣的潤滑增大了表面面積和一致性，改這樣的潤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善了膜的幾何性質(zhì)。承載接觸面積的增大減少潤滑劑從承載面之間流走，形成持續(xù)減少潤滑劑從承載面之間流走，形成持續(xù)較長時間的潤滑劑膜，從而關節(jié)的應力降較長時間的潤滑劑膜，從而關節(jié)的應力降低而更持久。低而更持久。2021-11-22232021-11-2224軟骨變性的生物力學 關節(jié)軟骨的修復和再生能力有限，如果承受應力太大，可能很快發(fā)生完全破壞。 高接觸壓力會減少液膜潤滑的可能性。 固體表面凹凸不平點的接觸，可引起顯微應力點的集中，使這些關節(jié)面材料發(fā)生磨損。 關節(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)的人員關節(jié)變性的發(fā)生