骨生物力學(xué)-韓教學(xué)講課稿

1、骨生物力學(xué)-韓教學(xué) 力負荷 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。1.應(yīng)力和應(yīng)變 應(yīng)力：骨骼某點內(nèi)力的強度，單位面積所 受的力 應(yīng)變：骨骼受力時，其內(nèi)部任何一點發(fā)生 變形，稱為該點的應(yīng)變。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） 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 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 屈服(失控) ： 應(yīng)力達到某一點時，提示骨小梁斷裂開始（屈服用Y點），且持續(xù)時間較長，骨小梁

2、斷裂逐漸增多（極限用U點）。 材料的硬度：彈性模量（應(yīng)力比應(yīng)變） 拉力和壓力作用于棒產(chǎn)生45剪應(yīng)力。3.彎曲 （長管狀骨） 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(橫切面)不會產(chǎn)生剪式應(yīng)力 2.三點彎曲：骨骼受力較常見.兩端支撐，對側(cè)受力。（受力點：彎矩） 應(yīng)力點(橫切面)會產(chǎn)生剪式應(yīng)力4.彎曲聯(lián)合軸向負荷 長管狀骨 受兩方向外力壓力負荷 彎曲負荷側(cè)張應(yīng)力 側(cè)壓應(yīng)力 壓力+彎曲=聯(lián)合負荷（常見） 5.扭轉(zhuǎn) 長管狀骨 不規(guī)則骨 扭轉(zhuǎn) 剪性應(yīng)變 橫向及縱向剪性應(yīng)變 聯(lián)合剪性應(yīng)力 骨折方向：斜形或螺旋形第二節(jié)：骨與關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué) 骨組織材料特性

3、 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度大，硬度也較強。（長骨長軸比橫軸更對抗應(yīng)力） 應(yīng)變率 表示骨受力過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10.0/S2.拉力、壓力和剪力 骨皮質(zhì)的拉力、壓力和剪力 與工程材料相似，骨皮質(zhì)有一定范圍的彈性變形能力 骨組織材料極限強度取決于負荷類型和承受負荷的

4、方向。 負荷作用下 拉力及壓力超過彈性變形范圍 發(fā)生骨折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)力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當(dāng)應(yīng)力達到一定程度，塑性應(yīng)變急劇增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。 屈服 ： 提示骨小梁斷裂開始，且持續(xù)時間較 長。骨小梁斷裂逐漸增多。 骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)標(biāo)本負荷應(yīng)變水平在0.036和0.5時有能量吸收現(xiàn)象，骨松質(zhì)能量吸收超過骨皮質(zhì)。

5、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.潤滑4.1 軟骨的負荷變形 軟骨的負荷變形 軟骨承受負荷時，發(fā)生瞬間變形 蠕動期（負荷恒定，壓痕增加） 去除負荷，恢復(fù)原形。 關(guān)節(jié)軟骨承受負荷2分鐘內(nèi)發(fā)生變形，去除負荷，90%可瞬間恢復(fù)。 軟骨的滲透性很低，通過壓力梯度和擠壓滲透。機械反芻調(diào)節(jié)機制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， 張力強度隨關(guān)節(jié)面下的深度增加而減少。4.3 關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力分布 90225kg/6.45c 使應(yīng)力分解，吸

6、收震蕩，避免軟骨下骨的應(yīng)力損傷 干骺部受力1.負重大時骨變形，2.骨松質(zhì)排列呈放射狀 軟骨損傷 軟骨下骨損傷 骨關(guān)節(jié)炎 骨壞死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。 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：通過機械作用去除固體表面的物質(zhì) 兩個方面：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4.6關(guān)節(jié)軟骨的潤滑作用 界面潤滑（玻尿酸鹽） 滑液潤滑：滑液嵌在滑動面之間，即

7、可發(fā)生液膜潤滑，又可產(chǎn)生界面潤滑 關(guān)節(jié)軟骨磨損兩種因素缺一不可 機械因素是軟骨磨損的主要因素 特別是骨外露 酶、化學(xué)因素、代謝因素可降低軟骨屈服 強度 軟骨組織：易疲勞性材料 周期性負荷時間過長導(dǎo)致軟骨膠原纖維疲勞短裂 軟骨負荷時，其內(nèi)部的膠原纖維方向與負荷相垂直。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)力超過極限強度，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)：比實心結(jié)構(gòu)承受彎曲及旋轉(zhuǎn) 應(yīng)力強 棒的壓力和張力和橫斷面面積成正比.

8、 面積 1 1 2 張力和壓力 100% 100% 200% 強度 彎曲和旋轉(zhuǎn) 100% 210% 495% 強度骨折原因 創(chuàng)傷 骨病 積累勞損 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 導(dǎo)致螺旋骨折 受力機制為剪應(yīng)力 旋轉(zhuǎn)軸45度時應(yīng)力最大。 軸向壓力 易在長管狀骨縱軸 方向形成最大的剪力 進而造成骨干斜行骨折 通常長管狀骨的軸向壓力 不是單一的。 骨病 骨腫瘤、骨缺損 造成：骨的幾何學(xué)改變 骨的強度改變 骨缺損部位產(chǎn)生應(yīng)力集中 （骨折機制）2.疲勞斷裂 疲勞斷裂 骨每天承受負荷，或長時間鍛煉，積累損傷，導(dǎo)致疲勞骨折 常見于長途行軍，從事長距離行走及長跑者 最常見于雙足第二趾骨遠端 疲勞： 材料在周期性和間歇負荷下發(fā)生的進

9、行性損傷(顯微鏡下?lián)p傷)，在周期性負荷條件下，材料負荷水平低于能引起的材料損傷的單次負荷時，就會發(fā)生損傷。 材料的疲勞極限（Fatigue limit） 任何材料具有一應(yīng)力水平，低于該水平疲勞壽命是無限的，該應(yīng)力水平稱疲勞極限。 疲勞極限是一個安全控制數(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，活動度難掌握。牢固固定，缺點骨愈合不牢固。 長骨骨折，因長力臂易移位。骨痂形成使骨折穩(wěn)定。 骨折愈合有利：一定活動量和允許小的剪力。不利：剪力或彎曲力過度。4.張力帶固定 張力來自：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。5.鋼板固定 骨折愈合后盡快去除內(nèi)固定。 牢固內(nèi)固定有利早期愈合，晚期不利用塑形。 牢固內(nèi)固定使板源骨質(zhì)減少，去除內(nèi)固定后再骨折。（骨折?。?鋼