關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)

關(guān)于關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日人體的關(guān)節(jié)分為纖維狀關(guān)節(jié)、軟骨質(zhì)關(guān)節(jié)和滑膜關(guān)節(jié)三種類型。其中，僅滑膜關(guān)節(jié)亦稱為動關(guān)節(jié)，允許較大幅度的活動。在正常年輕關(guān)節(jié)內(nèi)，動關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)骨末端覆蓋了一層厚1-6mm、致密且透明的白色結(jié)締組織，稱為透明關(guān)節(jié)軟骨。關(guān)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(dān)高負(fù)荷關(guān)節(jié)運(yùn)動。2022/12/162第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日但從生理學(xué)的角度上看，關(guān)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(yīng)。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(xì)血管的滲入。2022/12/163第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日動關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軟骨的功能其主要功能是：①分散壓力。關(guān)節(jié)軟骨受壓時提供較大的接觸面以降低其上的壓力②關(guān)節(jié)面做動作時減少摩擦力，降低磨損。2022/12/164第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日關(guān)節(jié)軟骨的組成成分關(guān)節(jié)軟骨層結(jié)構(gòu)的簡要圖解2022/12/165第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日關(guān)節(jié)軟骨的組成成分

膠原纖維蛋白多糖軟骨細(xì)胞水分顯微鏡下的關(guān)節(jié)軟骨2022/12/166第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日膠原纖維是體內(nèi)含量最豐富的蛋白。高度結(jié)構(gòu)性的組織，可形成最佳的力學(xué)性能。膠原為關(guān)節(jié)軟骨提供一種纖維狀超微結(jié)構(gòu)，這種膠原網(wǎng)和多水的糖蛋白一起，共同抵抗關(guān)節(jié)的應(yīng)力和應(yīng)變。2022/12/167第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日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(jié)合到一起。2022/12/168第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日一個蛋白多糖大分子的簡圖洗瓶刷模型2022/12/169第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日軟骨細(xì)胞和水分軟骨細(xì)胞2022/12/1610第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日軟骨各成分間結(jié)構(gòu)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(tuán)離子在生理PH溶液中被拉開，留下了高濃度的固定負(fù)電荷產(chǎn)生分子內(nèi)與分子間的強(qiáng)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(dāng)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(yīng)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。2022/12/1611第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日軟骨各成分間結(jié)構(gòu)上的相互作用2022/12/1612第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日軟骨各成分間結(jié)構(gòu)上的相互作用2022/12/1613第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日關(guān)節(jié)軟骨的生物學(xué)性質(zhì)滲透性蠕變反應(yīng)潤滑2022/12/1614第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日關(guān)節(jié)軟骨的生物學(xué)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加，健康關(guān)節(jié)軟骨的滲透性大大降低。因此，關(guān)節(jié)軟骨具有一個機(jī)械反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，阻止組織間液完全流出。2022/12/1615第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日軟骨的蠕變反應(yīng)

一個恒定的載荷瞬間施加于關(guān)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”。2022/12/1616第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日蠕變2022/12/1617第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日界面潤滑潤滑：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(xué)吸附到接觸的固體面上。作相對運(yùn)動時，承載面受到互相滑動的潤滑劑分子保護(hù)，防止因表面粗糙發(fā)生的粘合和磨損。2022/12/1618第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日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(xué)上定義為動態(tài)流體與擠壓液膜潤滑。這些模型應(yīng)用于剛性承載面由相對不變形材料組成，如不銹鋼。2022/12/1619第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日動態(tài)流體動態(tài)流體潤滑常發(fā)生于液膜潤滑的不平行的剛性承重表面，彼此相對切線運(yùn)動（即彼此滑動），間隙內(nèi)液體形成楔狀。由于承載運(yùn)動吸引液體進(jìn)入表面間的楔狀間隙，流體粘性產(chǎn)生一個支撐力。2022/12/1620第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日擠壓液膜發(fā)生于承載表面彼此垂直運(yùn)動，流體的粘性抵抗力起到阻止流體從間隙中溢出，且形成液膜，生成支撐力。在短時間內(nèi)，擠壓液膜機(jī)制足以承受高負(fù)載，但是，液膜最終會變得很薄，使得兩個承受面的凸起部分（定點）接觸。2022/12/1621第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日動關(guān)節(jié)的潤滑作用機(jī)制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）的潤滑作用的經(jīng)典理論不能完全解釋動關(guān)節(jié)的潤滑作用機(jī)制。例如，當(dāng)承受材料是非剛性的，而是相對柔軟的，如關(guān)節(jié)表面所覆蓋的關(guān)節(jié)軟骨，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。2022/12/1622第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日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)的壓力使得表面明顯變形，這時的銳化稱為彈性動態(tài)流體潤滑。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(guān)節(jié)的應(yīng)力降低而更持久。2022/12/1623第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日軟骨變性的生物力學(xué)關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)和再生能力有限，如果承受應(yīng)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(yīng)力點的集中，使這些關(guān)節(jié)面材料發(fā)生磨損。關(guān)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(guān)節(jié)變性的發(fā)生率高。2022/12/1624第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日如足球運(yùn)動員的膝關(guān)節(jié)，芭蕾舞演員的踝關(guān)節(jié)等。骨關(guān)節(jié)病也可以繼發(fā)于膠原蛋白-糖蛋白基質(zhì)的分子或微觀結(jié)構(gòu)損傷，如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等。2022/12/1625第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日2022