生物力學課程-骨骼力學18講解課件

1、骨的力學 性質骨的力學生物力學課程骨骼力學18講解課件 骨是堅硬而有生命的器官,是人體中能再生和能自我修復的組織。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。 骨是堅硬而有生命的器官,是人體中能再生和能自我修復的 骨具有豐富的血供和良好的自我修復能力。它的結構和性能隨著力學環(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。 骨具有豐富的血供和良好的自我修復能力。它的結構和性能第一節(jié) 骨的結構 第一節(jié) 骨的結構 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

2、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。 生物力學課程骨骼力學18講解課件 這些形狀不同的骨，是長期自然演變的結果，它符合最優(yōu)化原則，即用最小的結構材料承受最大的外力，同時還具有良好的功能適應性。 這些形狀不同的骨，是長期自然演變的結果，它符合最優(yōu)三.骨的微觀結構 在顯微鏡下，構成骨的基本結構單位稱之為骨單位，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。三.骨的微觀結構哈佛管：四.骨的宏觀結構 骨分為密質骨和松質骨。 密質骨一般位于骨的外層，松質骨位于骨的內(nèi)層，由骨小梁形成篩狀結構，小梁之間的空隙充滿了紅骨髓。四.骨的宏觀結構 骨

3、分為密質骨和松質骨。 密質骨： 疏松度為530% 強度高 變形能力差、變形超 過2%就會產(chǎn)生斷裂 松質骨： 疏松度為3090% 強度低 應變能力好，變形可達 7%左右密質骨：松質骨：松質骨骨小梁松質骨骨小梁松質骨:1. 松質骨具有多孔結構，因而有較高的能量 儲存能力。2. 松質骨內(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) 沿著主應力的方向排列，形成最優(yōu)的受力 結構，即用最少的材料承受最大的外部 載荷。松質骨:生物力學課程骨骼力學18講解課件第二節(jié) 骨的成分 骨是由骨組織、骨膜和骨髓等構成的堅硬器官。骨組織是骨的結構主體，由細胞和鈣化的細胞外基質組成。其特點是細胞外基質

4、有大量的骨鹽沉積，使骨組織成為人體最堅硬的組織之一。第二節(jié) 骨的成分 骨是由骨組織、骨膜和骨生物力學課程骨骼力學18講解課件一.骨基質 鈣化的骨組織的細胞外基質。包括有機成份和無機成份,含水極少。一.骨基質有機質： 膠原纖維（主要由型膠原蛋白構成） 無定形基質（蛋白多糖及其復合物）無機鹽：羥磷灰石 （3Ca3（PO4）2Ca（OH）2 ） 有機質： 羥磷灰石是針狀結晶體，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。膠原纖維不嚴格遵守胡克定律，其縱向彈性模量為1.24GPa。羥磷灰石是針狀結晶體，長約200A。晶體是

5、沿著膠原纖維長度生物力學課程骨骼力學18講解課件生物力學課程骨骼力學18講解課件生物力學課程骨骼力學18講解課件生物力學課程骨骼力學18講解課件 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合材料，它具有優(yōu)異的力學性能。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。 膠原纖維具有韌性和柔軟性，因此可以抵抗拉伸，并具有部二. 四種骨細胞 骨祖細胞 成骨細胞 骨細胞 破骨細胞 二. 四種骨細胞 四種細胞在不同的生物力學環(huán)境中能相互轉化，互相配合而吸收舊骨質，產(chǎn)生新骨質。骨祖細胞：骨組織的干細胞，位于骨膜內(nèi)，可

6、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。例如，當骨生長、改建或骨折修復時，骨祖細胞活躍，不斷分裂、分化為成骨細胞。 四種細胞在不同的生物力學環(huán)境中能相互轉化，互相配合而 成骨細胞的功能是合成分泌膠原、鈣化基質。 其數(shù)量、形狀、合成分泌功能受應力環(huán)境影響，如 應力的性質、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。 在有害應力或低應力環(huán)境下，骨折愈合遲緩，甚至不愈合，骨質疏松，強度下降。 成骨細胞的功能是合成分泌膠原、鈣化基質。 生物

7、力學課程骨骼力學18講解課件 成骨細胞是其中重要的感受與效應細胞。 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)外力學刺激，并將力學刺激信號轉化為細胞生物化學信號，介導力相關敏感基因表達，合成各種酶類等活性物質，激活信號網(wǎng)絡級聯(lián)反應，參與一系列復雜的生理病理活動。 成骨細胞是其中重要的感受與效應細胞。骨細胞：成骨細胞產(chǎn)生類骨質后，自身被包埋其中，分泌能力逐漸減弱，轉變?yōu)楣羌毎?。骨細胞：成骨細胞產(chǎn)生類骨質后，自身被包埋其中，分泌能力逐漸減破骨細胞：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，對失去應力的膠原進行溶解； 合成分泌多種水解酶,對羥基磷灰

8、石進行水解破壞； 其形狀、數(shù)量和合成功能受應力環(huán)境影響，在低應力區(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，骨質疏松，強度、剛度降低。破骨細胞：吞噬和分解非受力骨組織和壞死骨組織。 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，機械力學刺激是必不可少的條件之一。生物力學課程骨骼力學18講解課件 大量研究表明：機械力學刺激過低時，如宇航失重和長期臥床、肢體制動的人員均可導致骨密度、骨鈣含量、骨基質蛋白、骨形成速度的降低。 大量研究表明：機械力學刺激過低時，如宇航失重和長期臥第三節(jié) 骨的力學特性 具有很高的抗壓、抗拉性能，又有一定的硬度。 第三

9、節(jié) 骨的力學特性 從骨的結構而言，經(jīng)過生物優(yōu)化過程，具有最優(yōu)力學性能，即優(yōu)化為最大的強度、最省的材料、最輕的重量。如： 骨的空心結構，硬質骨（密質骨）集中在外面，密質骨的彈性模量比松質骨大10倍。 密質骨內(nèi)部的的哈佛氏孔可以阻止表面裂紋的向內(nèi)延伸。 松質骨的多孔結構可吸收、儲存能量。 從骨的結構而言，經(jīng)過生物優(yōu)化過程，具有最優(yōu)力學性能， 從力學和工程的角度看，人體無非是一種由生命材料（骨骼、肌肉）構成的結構而已，骨骼作為生物體上具有一定剛性的材料，起著構架和支撐的作用，是生物體造型的結構部分。在生物體存活時間，幾乎每時每刻都處于受力狀態(tài)，因此，和一般結構材料一樣，也有強度、變形、穩(wěn)定、疲勞等要

10、求，一旦超過了限度，就有災難性的后果。 從力學和工程的角度看，人體無非是一種由生命 在研究骨的力學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。 在研究骨的力學性能時必須考慮到它是一種有生命的材料，骨二、骨的材料力學性能特點 二、骨的材料力學性能特點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)于力學環(huán)境與骨的生長、發(fā)育、再造和吸收密切相關。為了適應不斷變化的力學環(huán)境，骨在不斷地進行結構的適應性改建和縮形。例如應力對骨的生長、吸收起著調(diào)節(jié)作用，每一塊骨都對應一個最適宜的應力范圍，應力過高、過低都會造成

11、骨的萎縮。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 其次骨的干、濕狀態(tài)影響其力學性質。 此外骨的強度、彈性模量還與年齡、性別和病理等因素有關。 其次骨的干、濕狀態(tài)影響其力學性質。2.骨與工程材料相比的第二個特點： 骨是一種非均勻的、各向異性的復合材料。骨是由膠原纖維和羥基磷灰石組成的復合材料，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，骨的力學性能都有很大的差別。2.骨與工程材料相比的第二個特點： 與其它生物材料相比，如肌肉、血管，骨的性能，如應力應變關系等，更接近工程材料。 與其它生物材料相比，如肌肉、血管，骨的性能，如應力 因此，工程學方法可以應用

12、于分析骨的力學性能。目前，骨實驗生物力學的測試技術為萬能實驗機測量法、電測法和光測法。 因此，工程學方法可以應用于分析骨的力學性 四.骨的生物力學性能 從力學角度講，骨組織是一種雙相的的復合材料，一相為無機物，另一相為膠原和無定形基質，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，復合材料的性能比其中任何一種單純材料更加堅韌。 四.骨的生物力學性能 從功能上說，骨最重要的力學性質是它的強度、剛度和應力-應變關系。 通過骨在外力作用下的變形可得到。 從功能上說，骨最重要的力學性質是它的強度、剛度和應力由韌性材料組成的結構體的載荷-形變曲線強度剛度能量積累脆性由韌性材料組成的結構體的載荷

13、-形變曲線強度剛度能量積累脆性密質骨在拉伸實驗中的應力-應變曲線密質骨在拉伸實驗中的應力-應變曲線1.骨、金屬和玻璃的力學性質比較三種材料的應力-應變曲線1.骨、金屬和玻璃的力學性質比較三種材料的應力-應變曲線2.密質骨和松質骨的力學性能。密質骨松質骨壓縮實驗中的應力-應變關系2.密質骨和松質骨的力學性能。密質骨松質骨壓縮實驗中的應力-密質骨： 疏松度為530% 強度高 變形能力差、變形超 過2%就會產(chǎn)生斷裂 松質骨： 疏松度為3090% 強度低 應變能力好，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 兩者的力學性能差異很大密質骨：松質骨：兩者疏松度差別很大 兩者的力學性能差異很

14、大生物力學課程骨骼力學18講解課件3.骨的各向異性人股骨干密質骨四個方向加載實驗3.骨的各向異性人股骨干密質骨四個方向加載實驗4.肌肉的活動對骨應力分布的影響 骨在體內(nèi)受到復合時，附著于骨的肌肉會發(fā)生收縮，改變應力在骨內(nèi)的分布。肌肉收縮產(chǎn)生的壓應力能夠部分或完全抵消張應力的效應。這樣就降低或抵消了骨的張應力作用。4.肌肉的活動對骨應力分布的影響脛骨三點彎曲實驗脛骨三點彎曲實驗5.骨的應變率依賴性 骨是一種粘彈性材料，它的力學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。5.骨的應變率依賴性在體內(nèi)，應變每天都發(fā)生著相當大的變化。五

15、種應變率下皮質骨的應變率依賴性在體內(nèi)，應變每天都發(fā)生著相當大的變化。五種應變率下皮質骨的應 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。 在臨床上，了解加載速度是非常重要的。因為它能影響骨折人脛骨在高速扭轉力作用下發(fā)生骨折人脛骨在高速扭轉力作用下發(fā)生骨折 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 臨床上，根據(jù)骨折時能量的釋放將骨折分為三種類型：6.年齡相關性骨退化性 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。隨之的結果就是松質骨的數(shù)量顯著下降和皮質骨變薄。6.年

16、齡相關性骨退化性年輕年長年輕年長生物力學課程骨骼力學18講解課件骨量、年齡和性別之間的關系骨量、年齡和性別之間的關系拉伸實驗中年輕人和老年人脛骨的應力-應變曲線 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。拉伸實驗中年輕人和老年人脛骨的應力-應變曲線 兩者的骨 年齡相關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。 年齡相關的骨量丟失取決于很多因素，如年齡、性別、內(nèi)分7.骨的疲勞性能 人在不斷的運動的過程中，骨會反復受力，當這種反復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。 7.骨的疲勞性能疲勞曲線顯示載荷與

17、載荷反復次數(shù)之間的相互作用疲勞曲線顯示載荷與載荷反復次數(shù)之間的相互作用 骨的疲勞過程不僅僅受到載荷強度和反復次數(shù)的影響，還受到載荷頻率的影響。 體內(nèi)骨具有自我修復能力，只有在骨重建不足以彌補骨疲勞損傷才發(fā)生骨折。 骨的疲勞過程不僅僅受到載荷強度和反復次數(shù)的影響，還受 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受力。但是這種自行修復的能力也是有一定限度的，過度的疲勞導致永久性的損傷。 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 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，

18、收縮乏力，導致它們積累能量的能力和抵消應力的能力大大減弱。隨之發(fā)生的骨應力分布變化使骨受到的應力異常增高，疲勞損傷逐漸積累，最終導致骨折。 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。8.骨的受沖擊性能 沖擊能量越大，沖擊時間越短，造成骨的損傷程度越大。 沖擊能量越大，沖擊時間越短，造成骨的損傷程度越大。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，其結果只將骨打穿一個洞而不產(chǎn)生骨折。

19、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。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(2)骨承受沖擊能力的大小與骨的結構關系密切 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構，具有良好的承受外部載荷的能力。 (2)骨承受沖擊能力的大小與骨的結構關系密切 對于活體中的骨，耐沖擊能力還應考慮到骨周圍的肌肉、皮膚、內(nèi)臟器官組織等的影響，在進行實驗時應盡可能模擬真實情況以便獲得較為客觀的數(shù)據(jù)。 對于活體中的

20、骨，耐沖擊能力還應考慮到骨周圍的肌肉、皮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參數(shù)。 9.骨的斷裂韌性 由于骨內(nèi)骨質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雜，同時也降低了骨的斷裂韌性。 由于骨內(nèi)骨質分布的非均勻性以及骨內(nèi)存在著孔洞、缺陷和 骨的力學性質受到性別、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。

21、骨的力學性質受到性別、年齡、取材部位和方向、骨的狀態(tài)五.骨的重建 骨具有重建能力，通過改變其大小、形狀和結構來適應外界的力學要求。這種骨能夠隨著應力的作用水平變化而獲得或丟失松質骨和密質骨的現(xiàn)象稱為Wolff定律，說明機械應力能影響和調(diào)節(jié)骨的重建。五.骨的重建 骨具有重建能力，通過改變其大小、形狀和結 骨量和身體的重量呈正比關系，身體越重，對應的骨量越多。 相反長期處于失重狀態(tài)會導致承重骨發(fā)生骨量丟失。骨骼肌的活動重力骨骼加載 骨量和身體的重量呈正比關系，身體越重，對應的骨量越多。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廢用和活動減少狀態(tài)對骨骼是有害的。正常組和制

22、動組獼猴腰椎載荷 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。 第四節(jié) 骨的連接 （一）直接連接 骨與骨間借致密結締組織、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。 （一）直接連接 （二）間接連接 骨與骨之間通過關節(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。 （二）間接連接 生物力學課程骨骼力學18講解課件 每個關節(jié)都具有關節(jié)面、關節(jié)囊和關節(jié)腔三種基本構造。 每個關節(jié)都具有

23、關節(jié)面、關節(jié)囊和關節(jié)腔三種基本構造。關節(jié)面： 是構成關節(jié)的相對面，一骨的關節(jié)面隆凸，構成關節(jié)頭，另一骨的關節(jié)面凹陷，形成關節(jié)窩。關節(jié)面覆蓋一薄層透明軟骨，稱關節(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。關節(jié)面：關節(jié)囊： 為結締組織膜構成的囊，分內(nèi)、外兩層。外層為纖維層，由致密結締組織構成，厚而堅韌；內(nèi)層為滑膜層，由疏松結締組織構成，薄而柔軟，能分泌滑液。關節(jié)囊：關節(jié)腔： 是關節(jié)軟骨與滑膜圍成的密閉腔隙，內(nèi)含少量滑液，有潤滑關節(jié)以減小摩擦的作用。腔內(nèi)為負壓，增加了關節(jié)的穩(wěn)固性。關節(jié)腔： 除以上主要部分以外還有韌帶、關節(jié)盂緣、滑液囊等輔助結構，起加固關節(jié)和增加靈活性的作用。 關節(jié)的

24、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)轉等四種形式。 除以上主要部分以外還有韌帶、關節(jié)盂緣、滑液囊等輔助結第五節(jié) 關節(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成。 第五節(jié) 關節(jié)軟骨 (cartilage) 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節(jié)運動，但是從生理角度來看，關節(jié)軟骨屬于獨立的組織，無血管和淋巴管，也沒有神經(jīng)支配，而且軟骨細胞密度比其它組織少。 關節(jié)軟骨是一種十分特殊的組織，在一般人的壽 關節(jié)軟骨是一種多孔的粘彈性材料。 組織間隙中充滿著液體，應力作用下，液體可在組織中流進或流出。 當組織膨脹時液體流入組織； 當組織收縮時液體又流出來。 液體在壓力作用下的流動可能就是這種無血管組織