生物力学骨力学课件.ppt

1、第四章第四章机动 目录 上页 下页 返回 结束 16381638 Galileo Galileo 发现加载与骨形态的关系发现加载与骨形态的关系1834 Bell 1834 Bell 骨可以使尽可能少的材料承担载荷骨可以使尽可能少的材料承担载荷18381838 Ward Ward 增加压缩载荷，可增加骨形成增加压缩载荷，可增加骨形成18521852 Ludwig Ludwig 重力、肌力对维持骨质量的必要性重力、肌力对维持骨质量的必要性18621862德国学者德国学者 加压对骨生长的影响加压对骨生长的影响18671867瑞士学者瑞士学者 骨的内部结构和外部形态与承载大小、骨的内部结构和外部形态与

2、承载大小、方向有关方向有关18921892 WollfWollf 骨转化定律骨转化定律一、骨力学研究方面的简史：一、骨力学研究方面的简史：第一节第一节 引言引言机动 目录 上页 下页 返回 结束 二、骨力学的研究内容和涉及的几个问题 1.骨结构研究 3.骨的应力适应性 2.应力-应变研究 4.骨折治疗研究(骨的生长与断裂）（骨功能适应性理论）（骨的力学性质）机动 目录 上页 下页 返回 结束 （引言）本构曲线本构曲线 影响因素影响因素微观结构微观结构 宏观力学性质宏观力学性质生长理论生长理论 断裂类型断裂类型*5.脊柱生物力学*6.关节生物力学*7.骨骼肌力学*8.颅脑损伤力学机动 目录 上页

3、 下页 返回 结束 三、骨力学的四个基本概念 1.骨强度：2.骨刚度：生物材料或非生物材料组成的构件抵抗破坏的能力 生物材料或非生物材料组成的构件抵抗变形的能力断裂或过大断裂或过大的塑性变形的塑性变形弹性变形的弹性变形的允许限度允许限度机动 目录 上页 下页 返回 结束 3.骨韧性：4.骨稳定性：生物材料或非生物材料组成的构件 在外力作用下发生断裂前所能达到 的最大变形程度 生物材料或非生物材料组成的构件保持其原有平衡形态的能力机动 目录 上页 下页 返回 结束 四、骨的基本知识四、骨的基本知识（功能（功能 形态形态 结构结构 组织成分）组织成分）骨是一个有生命的器官骨是一个有生命的器官 骨中

4、有血液循环骨中有血液循环机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨是一个能运动的器官骨是一个能运动的器官 通过关节肌肉承受外力通过关节肌肉承受外力 骨是一个良好适应性材料骨是一个良好适应性材料能再生和能自我修复能再生和能自我修复 骨是一个粘弹性材料骨是一个粘弹性材料即具有弹性又具有粘性即具有弹性又具有粘性机动 目录 上页 下页 返回 结束 （一）骨功能：（一）骨功能：一方面：组成骨骼系统一方面：组成骨骼系统 另一方面：调节血液的电解质浓度另一方面：调节血液的电解质浓度机动 目录 上页 下页 返回 结束 提供对动物体的支撑提供对动物体的支撑维持人体的正常形态维持人体的正常形态使肌肉附着带动肢体运动作

5、用使肌肉附着带动肢体运动作用保护内脏器官、颅腔保护内脏器官、颅腔调节钙离子、氢离子、磷酸氢根离子的浓度调节钙离子、氢离子、磷酸氢根离子的浓度保持体内矿物质的动态平衡保持体内矿物质的动态平衡即骨髓的造血、钙磷的储存与代谢即骨髓的造血、钙磷的储存与代谢（二）骨形态：（二）骨形态：机动 目录 上页 下页 返回 结束 按其形状可分为：按其形状可分为：人体共有人体共有206206块骨，依所在部位可分为块骨，依所在部位可分为:颅骨颅骨、躯干骨躯干骨和和四肢骨四肢骨。长骨长骨，呈管状，呈管状 如胫骨、股骨；如胫骨、股骨；短骨短骨，类正方体，类正方体 承压有能动承压有能动 如腕骨、跗骨；如腕骨、跗骨；扁骨扁骨

6、，呈板状，呈板状 如颅骨中的枕骨、顶骨；如颅骨中的枕骨、顶骨；不规则骨不规则骨，如椎骨。，如椎骨。这些形状不同的骨，这些形状不同的骨，是长期自然演变的结是长期自然演变的结果，它符合最优化原果，它符合最优化原则，即用最小的结构则，即用最小的结构材料承受最大的外力，材料承受最大的外力，同时还具有良好的功同时还具有良好的功能适应性。能适应性。1 1、骨的微观结构、骨的微观结构哈佛管：哈佛管：内含神经和血管。内含神经和血管。板层骨：板层骨：包绕在管的周围。包绕在管的周围。（三）骨结构：（三）骨结构：在显微镜下，构成在显微镜下，构成骨的基本结构单位骨的基本结构单位称之为称之为骨单位骨单位，即，即哈佛氏系

7、统哈佛氏系统。骨的构造骨的构造2 2、骨的宏观结构、骨的宏观结构 骨分为骨分为密质骨密质骨和和松质骨松质骨密质骨密质骨一般位于骨的外层一般位于骨的外层松质骨松质骨位于骨的内层，由位于骨的内层，由骨小梁形成筛状结构，小骨小梁形成筛状结构，小梁之间的空隙充满了红骨梁之间的空隙充满了红骨髓。髓。密质骨的骨小体的板层结构 松质骨的骨小梁的桁架结构密质骨密质骨松质骨松质骨机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨质致密坚硬骨质致密坚硬（疏松度为（疏松度为5 530%30%）骨板排列规整结合紧密骨板排列规整结合紧密 仅留下一些部位作为血仅留下一些部位作为血管和神经的通道管和神经的通道表面积相对小表面积相对小松

8、松 软软（疏松度为（疏松度为303090%90%）排列呈蜂窝网状排列呈蜂窝网状 网孔内充满骨髓血管网孔内充满骨髓血管神经神经巨大巨大 强度高变形能力差强度高变形能力差（变形超过（变形超过2%2%会断裂）会断裂）强度低应变能力好强度低应变能力好（变形可达（变形可达7%7%左右）左右）松质骨松质骨:松质骨具有多孔结构，因而有较高的能量松质骨具有多孔结构，因而有较高的能量 储存能力。储存能力。松质骨内胶原纤维的排列看似是纷乱的，松质骨内胶原纤维的排列看似是纷乱的，但它并非无序，它是根据主要的受力状态但它并非无序，它是根据主要的受力状态 沿着主应力的方向排列，形成最优的受力沿着主应力的方向排列，形成最

9、优的受力 结构，即用最少的材料承受最大的外部结构，即用最少的材料承受最大的外部 载荷。载荷。松质骨骨小梁松质骨骨小梁（四）骨的成分（四）骨的成分 机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨是由骨是由骨组织、骨膜和骨髓骨组织、骨膜和骨髓等构成的等构成的骨组织骨组织是骨的结构主体是骨的结构主体由由细胞细胞和钙化的细胞外和钙化的细胞外基质基质及及纤维纤维组成组成其特点是细胞外其特点是细胞外基质基质有大量的有大量的骨盐骨盐沉积还有部沉积还有部分分有机质有机质，使骨组织成为人体最坚硬的而又有，使骨组织成为人体最坚硬的而又有一定韧性的结缔组织一定韧性的结缔组织 机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨细胞：骨原

10、细胞 成骨细胞成骨细胞 骨细胞 破骨细胞破骨细胞（骨细胞最多，位于骨基质基质内，其余三种细胞均位于骨组织的边缘）骨基质：大量钙化的细胞间质细胞间质 。（基质含有大量的固体无机盐羟基磷灰石晶体71.8%，有机质粘多糖蛋白28.2%）骨纤维：骨胶原纤维（分层 交叉）1 1、骨基质、骨基质 钙化的骨组织的细胞外基质。包钙化的骨组织的细胞外基质。包括括有机成份有机成份和和无机成份无机成份,含水极少。含水极少。有机质：有机质：胶原纤维（主要由胶原纤维（主要由型胶原蛋白构成）型胶原蛋白构成）无定形基质（蛋白多糖及其复合物）无定形基质（蛋白多糖及其复合物）无机盐：无机盐：羟磷灰石羟磷灰石 （3Ca3Ca3

11、3（POPO4 4）2 2CaCa（OHOH）2 2 ）羟磷灰石是针状结晶体，羟磷灰石是针状结晶体，长约长约200A200A，横截，横截面面积为面面积为2500A2500A。晶体是沿着胶原纤维长度方。晶体是沿着胶原纤维长度方向排列的。非常坚硬向排列的。非常坚硬,沿轴向的弹性模量为沿轴向的弹性模量为165GPa,165GPa,与钢的弹性模量与钢的弹性模量200GPa200GPa相近。相近。胶原纤维胶原纤维不严格遵守胡克定律，其纵向弹不严格遵守胡克定律，其纵向弹性模量为性模量为1.24GPa1.24GPa。胶原纤维具有韧性和柔软胶原纤维具有韧性和柔软性，因此可以抵抗拉伸，并具有部分可延展性，因此可

12、以抵抗拉伸，并具有部分可延展性。性。可见骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成的复合可见骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成的复合材料，它具有优异的力学性能。材料，它具有优异的力学性能。因为：因为：柔韧的胶原可阻止硬材料的脆性断裂，柔韧的胶原可阻止硬材料的脆性断裂，而坚硬的骨盐又可阻止软材料的屈服。而坚硬的骨盐又可阻止软材料的屈服。无机盐无机盐等矿物质产生位移少等矿物质产生位移少胶原纤维等胶原纤维等有机成分有机成分组织中充满液体承担较大变形组织中充满液体承担较大变形钢筋混泥土结构钢筋混泥土结构 从力学角度讲，骨组织是一种双相的的复从力学角度讲，骨组织是一种双相的的复合材料，一相为无机物，另一相为胶原和合材料，一

13、相为无机物，另一相为胶原和无定形基质，当坚固的脆性材料嵌入另一无定形基质，当坚固的脆性材料嵌入另一种力度较弱但柔韧性强的材料中后，复合种力度较弱但柔韧性强的材料中后，复合材料的性能比其中任何一种单纯材料更加材料的性能比其中任何一种单纯材料更加坚韧。坚韧。2 2、四种骨细胞四种骨细胞骨祖细胞骨祖细胞 成骨细胞成骨细胞 骨细胞骨细胞 破骨细胞破骨细胞 四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转化，互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。化，互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。（1 1）骨祖细胞：）骨祖细胞：骨组织的干细胞，位于骨膜内，骨组织的干细胞，位于骨膜内，体积小，呈

14、梭形，体积小，呈梭形，弱嗜碱性。弱嗜碱性。可分化成为成骨细胞和成软骨细胞。分化方向取可分化成为成骨细胞和成软骨细胞。分化方向取决于所处的部位和所受的刺激性质。决于所处的部位和所受的刺激性质。例如，当骨生长、改建或骨折修复时，骨祖细胞例如，当骨生长、改建或骨折修复时，骨祖细胞活跃，不断分裂、分化为成骨细胞。活跃，不断分裂、分化为成骨细胞。成骨细胞：成骨细胞：分布于骨组织表面，胞体有细小突起，矮柱状分布于骨组织表面，胞体有细小突起，矮柱状或椭圆形，胞质嗜碱性。电镜下可见大量的和或椭圆形，胞质嗜碱性。电镜下可见大量的和高尔基复合体。高尔基复合体。成骨细胞合成和分泌骨基质的有机成分，形成成骨细胞合成和

15、分泌骨基质的有机成分，形成类骨质。成骨时，成骨细胞还释放基质小泡。类骨质。成骨时，成骨细胞还释放基质小泡。泡内有细小的钙化结晶，是钙化的起始部位。泡内有细小的钙化结晶，是钙化的起始部位。成骨细胞分泌类骨质后被包埋于其中，便成为成骨细胞分泌类骨质后被包埋于其中，便成为骨细胞。骨细胞。机动 目录 上页 下页 返回 结束 其数量、形状、合成分泌功能受应力环境影响，其数量、形状、合成分泌功能受应力环境影响，如应力的性质、大小、频率等，它还受年龄、如应力的性质、大小、频率等，它还受年龄、遗传、疾病、内分泌的影响。遗传、疾病、内分泌的影响。在良好的力学环境下。成骨细胞数量增加，胞在良好的力学环境下。成骨细

16、胞数量增加，胞体增大，合成分泌功能明显增强，因此可以加体增大，合成分泌功能明显增强，因此可以加速骨折愈合，使骨密度增加，刚度明显增加。速骨折愈合，使骨密度增加，刚度明显增加。在有害应力或低应力环境下，骨折愈合迟缓，在有害应力或低应力环境下，骨折愈合迟缓，甚至不愈合，骨质疏松，强度下降。甚至不愈合，骨质疏松，强度下降。*成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞。成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞。力离子通道、力离子通道、G G蛋白与酪氨酸激酶、整合素受体蛋白与酪氨酸激酶、整合素受体与细胞骨架等多种途径，感受体内外力学刺激，与细胞骨架等多种途径，感受体内外力学刺激，并将力学刺激信号转化为细胞生物化学信号

17、，并将力学刺激信号转化为细胞生物化学信号，介导力相关敏感基因表达，合成各种酶类等活介导力相关敏感基因表达，合成各种酶类等活性物质，激活信号网络级联反应，参与一系列性物质，激活信号网络级联反应，参与一系列复杂的生理病理活动。复杂的生理病理活动。位于骨板内或骨板间，胞体较小，有许多细长突起，位于骨板内或骨板间，胞体较小，有许多细长突起，胞体呈扁椭圆形。胞体所在的腔隙陷窝；突起所在的胞体呈扁椭圆形。胞体所在的腔隙陷窝；突起所在的腔隙称骨小管。腔隙称骨小管。骨细胞的结构和功能与其成熟度有关。刚转变的骨细骨细胞的结构和功能与其成熟度有关。刚转变的骨细胞与成骨细胞相似，仍能产生类骨质。随着类骨质逐胞与成骨

18、细胞相似，仍能产生类骨质。随着类骨质逐渐钙化为骨质，细胞逐渐变为成熟的骨细胞。体积变渐钙化为骨质，细胞逐渐变为成熟的骨细胞。体积变小，减少，突起延长，相邻骨细胞的突起以相连，骨小，减少，突起延长，相邻骨细胞的突起以相连，骨小管彼此相通。骨陷窝和骨小管内含有少量组织液。小管彼此相通。骨陷窝和骨小管内含有少量组织液。骨细胞具有一定的溶骨和成骨作用，参与调节钙、磷骨细胞具有一定的溶骨和成骨作用，参与调节钙、磷平衡。平衡。成骨细胞产生类骨质后，自身被包埋其中，分泌能力成骨细胞产生类骨质后，自身被包埋其中，分泌能力逐渐减弱，转变为骨细胞。逐渐减弱，转变为骨细胞。机动 目录 上页 下页 返回 结束（3 3

19、）骨细胞：）骨细胞：破骨细胞：破骨细胞：数量少，主要分布于骨组织的边缘，是一种的数量少，主要分布于骨组织的边缘，是一种的大细胞，直径大细胞，直径30100m30100m，含有，含有650650个核。目前个核。目前认为它由多个融合而成，无分裂能力。胞质为认为它由多个融合而成，无分裂能力。胞质为嗜酸性，细胞器丰富，尤以和线粒体居多。嗜酸性，细胞器丰富，尤以和线粒体居多。功能活跃的破骨细胞有明显的极性，光镜下可功能活跃的破骨细胞有明显的极性，光镜下可见破骨细胞贴近骨基质的一侧有皱褶缘。电镜见破骨细胞贴近骨基质的一侧有皱褶缘。电镜下呈许多大小和长短不一的突起。下呈许多大小和长短不一的突起。胞质内含多种

20、水解酶和有机酸，溶解骨盐，分胞质内含多种水解酶和有机酸，溶解骨盐，分解骨有机成分。表明破骨细胞具有很强的溶骨解骨有机成分。表明破骨细胞具有很强的溶骨和吸收能力。和吸收能力。机动 目录 上页 下页 返回 结束 吞噬和分解非受力骨组织和坏死骨组织。吞噬和分解非受力骨组织和坏死骨组织。合成并分泌溶胶原酶，对失去应力的胶原进行溶解；合成并分泌溶胶原酶，对失去应力的胶原进行溶解；合成分泌多种水解酶合成分泌多种水解酶,对羟基磷灰石进行水解破坏；对羟基磷灰石进行水解破坏；其形状、数量和合成功能受应力环境影响，在低应力其形状、数量和合成功能受应力环境影响，在低应力区，破骨骨细胞数量增加，体积变大，骨组织以破坏

21、、区，破骨骨细胞数量增加，体积变大，骨组织以破坏、吸收为主，骨质疏松，强度、刚度降低。吸收为主，骨质疏松，强度、刚度降低。总之：正常骨骼处于一个吸收与生长重建的连正常骨骼处于一个吸收与生长重建的连续过程续过程成骨细胞与破骨细胞的生理活性保持着成骨细胞与破骨细胞的生理活性保持着动态平衡动态平衡机械力学刺激是必不可少的条件之一机械力学刺激是必不可少的条件之一五、骨的粘弹性实验：（骨加盐酸）脱钙骨（脱钙骨燃烧）骨炭 骨外形保留 坚固性脱去 富弹性柔韧性 骨外形保留 坚固性脱去弹性柔韧性脱去机动 目录 上页 下页 返回 结束 得出模量随应变率的变化而变化的时变性（骨是一个粘弹性材料）得出弹性、粘性的双

22、重性六、骨的各向异性 物质成分 结构机动 目录 上页 下页 返回 结束 复合材料的力学性质（模量 极限应力应变 粘弹性等）七、骨的管形结构（以长骨为例）截面 外形八、骨的均匀强度分布（密度分布于应力分布相适应）（密度分布于应力分布相适应）强度大 重量轻 结构强度=比强度 结构模量=比模量（介绍）骨伤生物力学在我国的发展 骨伤生物力学-根据人体构件的解剖特征和力学性质，用力学原理和方法研究骨折、脱位、矫形、移植及各种急慢性软组织损伤等病因、病理、治疗及愈合机理的科学。机动 目录 上页 下页 返回 结束（介绍）骨伤生物力学研究内容 骨的力学性质 肌肉、肌腱、韧带、腱鞘、滑囊力学性质 寻找环境效应对

23、生物组织的影响 骨折的病因、病理、治疗 骨矫形、延长、移植的手术疗法 骨重建的反馈机理及骨生长的人为控制 伤筋与骨错缝的研究 骨缺血坏死问题、骨性关节炎问题 现行骨伤疗法的改进和完善机动 目录 上页 下页 返回 结束 第二节 骨的基本力学性质机动 目录 上页 下页 返回 结束 一、骨的应力应变关系一、骨的应力应变关系 （一）曲线：拉压力学性质（一）曲线：拉压力学性质(为例）为例）对比低碳钢、合金钢、铸铁对比低碳钢、合金钢、铸铁低碳钢低碳钢合金钢合金钢骨骨铸铁铸铁机动 目录 上页 下页 返回 结束（各段都有）（各段都有）（无（无cdcd段）段）（无（无oa cd efoa cd ef段）段）（无

24、（无cd efcd ef段）段）1 1、拉伸、拉伸例如：其他材料的拉伸例如：其他材料的拉伸低碳钢低碳钢合金钢合金钢硬铝硬铝机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨、金属和玻璃的力学性质比较骨、金属和玻璃的力学性质比较三种材料的应力三种材料的应力-应变曲线应变曲线由韧性材料组成的结构体的载荷由韧性材料组成的结构体的载荷-形变曲线形变曲线强度强度刚度刚度能量积累能量积累脆性脆性密质骨在拉伸实验中的应力密质骨在拉伸实验中的应力-应变曲线应变曲线 因此，工程学方法可以应用于分因此，工程学方法可以应用于分析骨的力学性能。目前，骨实验生物析骨的力学性能。目前，骨实验生物力学的测试技术为万能实验机测量法、力学

25、的测试技术为万能实验机测量法、电测法和光测法。电测法和光测法。与其它生物材料相比，如肌肉、与其它生物材料相比，如肌肉、血管，骨的性能，如应力血管，骨的性能，如应力应变关系应变关系等，更接近工程材料。等，更接近工程材料。机动 目录 上页 下页 返回 结束 2 2、压缩、压缩低碳钢属展性材料低碳钢属展性材料屈服段前拉伸与压缩的本构曲线重合屈服段后得不到压缩强度骨属脆性材料，压缩与拉伸时有较大差别骨属脆性材料，压缩与拉伸时有较大差别抗压强度大极限应变大弹性模量小机动 目录 上页 下页 返回 结束 剪切力学特性扭转力学特性弯曲力学特性略略结论：结论：骨的抗压强度远大于抗拉强度骨的抗压强度远大于抗拉强度

26、骨的抗拉强度略大于抗切强度骨的抗拉强度略大于抗切强度机动 目录 上页 下页 返回 结束（二）力学指标：（总结）（二）力学指标：（总结）刚度：刚度：屈服应力：屈服应力：骨单元分离骨单元分离 细微骨折细微骨折极限强度：极限强度：极限应变：极限应变：能量损耗：能量损耗：直线段直线段斜率斜率曲线段曲线段割线模量、微分模量割线模量、微分模量平线段平线段直接读直接读曲线段曲线段残余应变的残余应变的20%20%法法直接读直接读直接读直接读滞后环面积滞后环面积E 长度延伸率长度延伸率%10000lll 截面收缩率截面收缩率%10000AAA 展性与脆性：展性与脆性：机动 目录 上页 下页 返回 结束 残余应变

27、：残余应变：直接读直接读二、各种影响骨力学性质的因素二、各种影响骨力学性质的因素机动 目录 上页 下页 返回 结束 说明：说明：不同骨骼的力学性质会有所不同不同骨骼的力学性质会有所不同 相同骨骼相同骨骼拉拉、压压、剪切、扭转、弯曲的力、剪切、扭转、弯曲的力学性质也会有所不同学性质也会有所不同 骨的力学性质受到骨的力学性质受到性别性别、年龄年龄、取取材材部位部位和和方向方向、骨的状态骨的状态（干骨或湿（干骨或湿骨）、骨）、加载速度加载速度等因素的影响，会在某等因素的影响，会在某一范围变化。一范围变化。（一）骨的各向异性及解剖部位的差异（一）骨的各向异性及解剖部位的差异机动 目录 上页 下页 返回

28、 结束 骨是由胶原纤维和羟基磷灰石组成骨是由胶原纤维和羟基磷灰石组成的复合材料，表现出非均匀性和各的复合材料，表现出非均匀性和各向异性。在不同部位，即使在同一向异性。在不同部位，即使在同一部位的不同方向，骨的力学性能都部位的不同方向，骨的力学性能都有很大的差别。有很大的差别。1 1、解剖部位：、解剖部位：长骨的管状部位及常受力部位长骨的管状部位及常受力部位非均匀性非均匀性机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨强度最高骨强度最高弹性模量最大弹性模量最大例如例如 无机盐针状晶体抗压无机盐针状晶体抗压骨胶原纤维抗拉骨胶原纤维抗拉2 2、各向异性：、各向异性：沿骨轴线方向沿骨轴线方向 各向异性各向异性

29、机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨强度最高骨强度最高弹性模量最大弹性模量最大极限应变最高极限应变最高例如例如 纵向排列的纤维较多可提高骨的拉伸强度纵向排列的纤维较多可提高骨的拉伸强度横向排列的纤维较多可提高骨的压缩强度横向排列的纤维较多可提高骨的压缩强度人股骨干密质骨四个方向加载实验人股骨干密质骨四个方向加载实验约为约为1 1约为约为4/54/5约为约为1/21/2约为约为1/51/5（二）骨的干湿度（二）骨的干湿度干骨干骨湿骨湿骨含水量不同含水量不同干骨比湿骨干骨比湿骨 机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨强度高骨强度高弹性模量大弹性模量大极限应变小极限应变小能量储存少能量储存少孔隙度

30、的多少孔隙度的多少密质骨比松质骨密质骨比松质骨 机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨强度高骨强度高弹性模量大弹性模量大极限应变小极限应变小能量储存少能量储存少区分骨的腔隙与固体基质区分骨的腔隙与固体基质区分固体基质中的无机和有机成分区分固体基质中的无机和有机成分矿化率的大小矿化率的大小随着孔隙度的增加，骨强度和骨刚度下降。随着孔隙度的增加，骨强度和骨刚度下降。随着矿化率的增加，骨强度和骨刚度上升。随着矿化率的增加，骨强度和骨刚度上升。表面密度不同表面密度不同（三）骨的松密质（三）骨的松密质密质骨松质骨压缩实验中的应力密质骨松质骨压缩实验中的应力-应变关系应变关系（四）性别和年龄（职业、经历、

31、遗传、营养）（四）性别和年龄（职业、经历、遗传、营养）（15到到19岁女性除外）岁女性除外）随年龄的增加随年龄的增加 1 1、年龄：、年龄：力学性质力学性质年龄年龄15-1950-5920-2930-3940-4960-6970-7980-89机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨强度下降（明显）骨强度下降（明显）弹性模量减小弹性模量减小极限应变降低极限应变降低（横向比纵向下降明显）（横向比纵向下降明显）年龄相关性骨退化性年龄相关性骨退化性 随着年龄的增加，骨密度会发生进行性随着年龄的增加，骨密度会发生进行性降低，纵向骨小梁变细，横向骨小梁被吸收。降低，纵向骨小梁变细，横向骨小梁被吸收。随之的

32、结果就是松质骨的数量显著下降和皮随之的结果就是松质骨的数量显著下降和皮质骨变薄。质骨变薄。年轻年轻年长年长骨量、年龄和性别之间的关系骨量、年龄和性别之间的关系2 2、性别：、性别：（15到到19岁女性除外）岁女性除外）更年期后男性力学参数下降比女性明更年期后男性力学参数下降比女性明显显机动 目录 上页 下页 返回 结束 更年期前女性力学参数下降比男性明显更年期前女性力学参数下降比男性明显无论男性女性无论男性女性 骨强度下降（明显）骨强度下降（明显）弹性模量减小弹性模量减小极限应变降低极限应变降低（横向比纵向明显）（横向比纵向明显）机动 目录 上页 下页 返回 结束 生化成分和显微结构发生变化生

33、化成分和显微结构发生变化矿化增加矿化增加 胶原老化胶原老化继发骨单位的数量有关继发骨单位的数量有关哈弗系统的数量及平均直径的增加导致哈弗系统的数量及平均直径的增加导致骨小体数目减少孔隙度增加骨小体数目减少孔隙度增加骨小梁数目减少断裂增加骨小梁数目减少断裂增加 年龄相关的骨量丢失取决于很年龄相关的骨量丢失取决于很多因素，如年龄、性别、内分泌异多因素，如年龄、性别、内分泌异常、活动减少、费用和钙不足等。常、活动减少、费用和钙不足等。拉伸实验中年轻人和老年人胫骨的应力拉伸实验中年轻人和老年人胫骨的应力-应变曲线应变曲线 两者的骨强度相近两者的骨强度相近,但是老年人骨脆但是老年人骨脆性更大，失去了形变

34、能力。性更大，失去了形变能力。(五）运动负荷的影响五）运动负荷的影响1 1、加载速率、加载速率-单位时间内载荷的增长量。单位时间内载荷的增长量。机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨反复受较大载荷作用次数多可使骨强度骨刚骨反复受较大载荷作用次数多可使骨强度骨刚度骨极限应变逐渐丧失引起疲劳骨折度骨极限应变逐渐丧失引起疲劳骨折显微损伤的积累结果显微损伤的积累结果纤维损伤增加快于修复过程纤维损伤增加快于修复过程加载速率与塑性变形传播速率比较加载速率与塑性变形传播速率比较骨的疲劳性能骨的疲劳性能 人在不断的运动的过程中，骨会人在不断的运动的过程中，骨会反复受力，当这种反复作用的力超过反复受力，当这种反

35、复作用的力超过某一生理限度时会使骨组织受到损伤，某一生理限度时会使骨组织受到损伤，这种循环载荷下造成骨的损伤为疲劳这种循环载荷下造成骨的损伤为疲劳损伤。损伤。疲劳曲线显示载荷与载荷反复次数之间的相互作用疲劳曲线显示载荷与载荷反复次数之间的相互作用 许多研究者试图用数学关系来表达疲劳寿许多研究者试图用数学关系来表达疲劳寿命命N N与载荷与载荷(应力应力)、密度、密度()()、温度、温度(T)(T)等等因素之间的关系。因素之间的关系。logNlogN=A+B=A+B，A A、B B为常数为常数 LogNLogN=A+B=A+B，A A、B B为常数为常数 Log(2N)=AlogLog(2N)=A

36、log+BT+C+BT+C Log(2N)=ALogLog(2N)=ALog+BT+C+D+BT+C+D该式表明，该式表明，疲劳寿命随负荷增加而减小，疲劳寿命随负荷增加而减小，随随温度升高亦减小温度升高亦减小，而随密度的增加而增加。而随密度的增加而增加。骨的疲劳过程不仅仅受到载荷强度和反骨的疲劳过程不仅仅受到载荷强度和反复次数的影响，还受到载荷频率的影响。复次数的影响，还受到载荷频率的影响。体内骨具有自我修复能力，只有在骨重体内骨具有自我修复能力，只有在骨重建不足以弥补骨疲劳损伤才发生骨折。建不足以弥补骨疲劳损伤才发生骨折。在一般情况下，如果因疲劳而使在一般情况下，如果因疲劳而使骨产生细小裂纹

37、时骨产生细小裂纹时,由于活体骨骼具有由于活体骨骼具有自我修复能力自我修复能力,因而活骨的疲劳寿命要因而活骨的疲劳寿命要比尸骨长，从而保证人体可以长期运比尸骨长，从而保证人体可以长期运动和反复受力。但是这种自行修复的动和反复受力。但是这种自行修复的能力也是有一定限度的，过度的疲劳能力也是有一定限度的，过度的疲劳导致永久性的损伤。导致永久性的损伤。疲劳骨折往往发生在持续过度活疲劳骨折往往发生在持续过度活动的部位，这种持续过度活动使肌肉动的部位，这种持续过度活动使肌肉疲劳，收缩乏力，导致它们积累能量疲劳，收缩乏力，导致它们积累能量的能力和抵消应力的能力大大减弱。的能力和抵消应力的能力大大减弱。随之发

38、生的骨应力分布变化使骨受到随之发生的骨应力分布变化使骨受到的应力异常增高，疲劳损伤逐渐积累，的应力异常增高，疲劳损伤逐渐积累，最终导致骨折。最终导致骨折。加载应变速率与塑性变形传播速率比较加载应变速率与塑性变形传播速率比较静载荷静载荷动载荷动载荷随加载速率的增加随加载速率的增加骨强度增大；骨强度增大；弹性模量增大；弹性模量增大；极限应变升高；极限应变升高；能量储存多。能量储存多。随加载速率的增加随加载速率的增加骨强度增大；骨强度增大；弹性模量增大；弹性模量增大；极限应变降低；极限应变降低；能量储存少。能量储存少。手型记忆手型记忆机动 目录 上页 下页 返回 结束 2 2、应变速率、应变速率-单

39、位时间内应变的改变量。单位时间内应变的改变量。未成年骨：未成年骨：通过通过塑形塑形和和改建改建共同完成共同完成成年骨：成年骨：主要是保持骨的力学性质主要是保持骨的力学性质发育的不同阶段应变率大小与骨量增加关系不一致发育的不同阶段应变率大小与骨量增加关系不一致3s3s-1-1在体内，应变每天都发生着相当大的变化。在体内，应变每天都发生着相当大的变化。五种应变率下皮质骨的应变率依赖五种应变率下皮质骨的应变率依赖性性骨的应变率依赖性骨的应变率依赖性 骨是一种粘弹性材料，它的力学性能骨是一种粘弹性材料，它的力学性能随受到的加载速率的变化而发生改变。加载随受到的加载速率的变化而发生改变。加载于骨的载荷速

40、率越高，骨在骨折前表现的刚于骨的载荷速率越高，骨在骨折前表现的刚度就越高，能承受的载荷也就越高。度就越高，能承受的载荷也就越高。在临床上，了解加载速度是非常在临床上，了解加载速度是非常重要的。因为它能影响骨折方式和软重要的。因为它能影响骨折方式和软组织损伤数量。组织损伤数量。当骨折发生时，它积累的能量就会释放。当骨折发生时，它积累的能量就会释放。加载速度低，能量通过单一形式的骨折加载速度低，能量通过单一形式的骨折线，骨和软组织相对保持完整，此时骨折端线，骨和软组织相对保持完整，此时骨折端没有或发生很小的位移。没有或发生很小的位移。加载速度较高时，更多的积累能量不能加载速度较高时，更多的积累能量

41、不能够通过单一骨折线很快释放，会发生粉碎性够通过单一骨折线很快释放，会发生粉碎性骨折和广泛性软组织损伤。骨折和广泛性软组织损伤。（六）应力集中（六）应力集中圆孔圆孔 沟横沟横 切口切口 细纹等细纹等应力集中系数：应力集中系数：应力不再均匀分布，有破损的局部应力最大。应力不再均匀分布，有破损的局部应力最大。应力集中使骨强度降低。应力集中使骨强度降低。钻空钻空并拧上螺钉8周能量比5025100机动 目录 上页 下页 返回 结束 maxK*骨的断裂韧性骨的断裂韧性 是指某种材料阻止裂纹扩展的能力，一般是指某种材料阻止裂纹扩展的能力，一般用它描述材料抵抗脆性破坏的能力。用它描述材料抵抗脆性破坏的能力。

42、骨经常会因受到某种损伤或内在的缺陷而骨经常会因受到某种损伤或内在的缺陷而存在小的裂纹，此时必须要考虑这种裂纹对存在小的裂纹，此时必须要考虑这种裂纹对骨骨材料强度的影响材料强度的影响以及以及骨材料所具有的抗裂能力骨材料所具有的抗裂能力，因而引进骨的断裂韧性这因而引进骨的断裂韧性这力学参数。力学参数。由于骨内骨质由于骨内骨质分布的非均匀性分布的非均匀性以及以及骨内骨内存在着孔洞、缺陷和裂纹存在着孔洞、缺陷和裂纹等，使得对骨断裂韧等，使得对骨断裂韧性的研究更为困难和复杂，同时也降低了骨的性的研究更为困难和复杂，同时也降低了骨的断裂韧性。断裂韧性。机动 目录 上页 下页 返回 结束 7.7.骨的受冲击

43、性能骨的受冲击性能 (1)(1)骨在冲击载荷作用下产生骨在冲击载荷作用下产生损伤的程损伤的程度度和和损伤的形式，损伤的形式，一方面一方面取决于冲击载荷取决于冲击载荷具有的能量大小具有的能量大小，另一方面，另一方面还要取决于冲还要取决于冲击载荷的作用时间。击载荷的作用时间。冲击能量越大，冲击时间越短，造成冲击能量越大，冲击时间越短，造成骨的损伤程度越大。骨的损伤程度越大。例：例：当当颗高速飞行的子弹打人头颅中去颗高速飞行的子弹打人头颅中去时，尽管子弹具有很大的动能，但在穿入时，尽管子弹具有很大的动能，但在穿入骨中去的过程中能量大量被吸收，其结果骨中去的过程中能量大量被吸收，其结果只将骨打穿一个洞

44、而不产生骨折。只将骨打穿一个洞而不产生骨折。但是用一钝器猛击头部却使颅骨破碎，但是用一钝器猛击头部却使颅骨破碎，这是因为在颅骨表面冲击时间很短，冲击这是因为在颅骨表面冲击时间很短，冲击能量来不及被吸收所致。能量来不及被吸收所致。(2)(2)骨承受冲击能力的大小与骨的结构关系密切骨承受冲击能力的大小与骨的结构关系密切 进行冲击实验比较，发现头颅骨耐冲击能力要比长骨高进行冲击实验比较，发现头颅骨耐冲击能力要比长骨高40%40%左右。左右。原因：原因：一方面在于颅骨为扁骨，内外表面是密质骨骨板，中间一方面在于颅骨为扁骨，内外表面是密质骨骨板，中间一层海绵骨，具有吸收冲击能的作用。一层海绵骨，具有吸收

45、冲击能的作用。另一方面颅骨呈薄壳状结构，具有良好的承受外部载荷另一方面颅骨呈薄壳状结构，具有良好的承受外部载荷的能力。的能力。对于活体中的骨，耐冲击能力还应考虑到对于活体中的骨，耐冲击能力还应考虑到骨周围的肌肉、皮肤、内脏器官组织等的影响，骨周围的肌肉、皮肤、内脏器官组织等的影响，在进行实验时应尽可能模拟真实情况以便获得在进行实验时应尽可能模拟真实情况以便获得较为客观的数据。较为客观的数据。作业：设计实验作业：设计实验1.说明骨的力学性质是各向异性的说明骨的力学性质是各向异性的2.药物对骨质疏松症的治疗作用药物对骨质疏松症的治疗作用3.推荐两套康复计划，试评价其效果推荐两套康复计划，试评价其效

46、果取材：取材：分组：分组：方法：测量哪些物理量、怎么测量方法：测量哪些物理量、怎么测量实验结果的表达：实验结果的表达：实验目的：实验目的：骨的力学性质及各种因素的影响骨的力学性质及各种因素的影响机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨与其他工程材料相比：骨是一个有生命的器官骨是一个粘弹性材料骨是一个运动的器官骨是一个良好适应性材料机动 目录 上页 下页 返回 结束 第三节 骨功能适应性理论骨与其它工程材料相比其最大的特点是骨与其它工程材料相比其最大的特点是:具有丰富的血供和良好的自我修复重建的具有丰富的血供和良好的自我修复重建的能力。能力。（功能适应性）（功能适应性）骨的改变骨的改变（生长、增值

47、、吸收、萎缩）（生长、增值、吸收、萎缩）受受(遗传、激素活性、遗传、激素活性、载荷载荷）三种因素的控制三种因素的控制这主要体现于这主要体现于它的结构、成分和性能随着力学环境的它的结构、成分和性能随着力学环境的改变而改变。改变而改变。（几何特征（几何特征 力学特征力学特征 组成成分）组成成分）（粘弹性（粘弹性 各向异性各向异性 管形结构管形结构 均匀强度分布）均匀强度分布）机动 目录 上页 下页 返回 结束 如宇航失重和长期卧床、肢体制动的人员如宇航失重和长期卧床、肢体制动的人员均可导致骨密度、骨钙含量、骨基质蛋白、均可导致骨密度、骨钙含量、骨基质蛋白、骨形成速度的降低。骨形成速度的降低。例如：

48、应力对骨的生长、吸收起着调节作例如：应力对骨的生长、吸收起着调节作用，每一块骨都对应一个最适宜的应力范用，每一块骨都对应一个最适宜的应力范围，应力过高、过低都会造成骨密度的改围，应力过高、过低都会造成骨密度的改变导致萎缩。变导致萎缩。机动 目录 上页 下页 返回 结束 一、一、WolffWolff定律定律德国医学博士德国医学博士 Wolff 1892Wolff 1892年年 提出关于提出关于骨变化定律：骨变化定律：机动 目录 上页 下页 返回 结束 骨功能的每一改变，都有与数学法则一骨功能的每一改变，都有与数学法则一致的确定的内部结构和外部形态的变化。致的确定的内部结构和外部形态的变化。机动

49、目录 上页 下页 返回 结束 Roux Roux 骨生长的最小骨生长的最小-最大原理最大原理 松质骨的桁架结构松质骨的桁架结构 （KummerKummer根据上原理算出了股骨头三维桁架结构）根据上原理算出了股骨头三维桁架结构）（HayesHayes据髌骨应力分析和实验表明骨小梁结构确据髌骨应力分析和实验表明骨小梁结构确是按最小正应力法线方向排列的）是按最小正应力法线方向排列的）理论基础：最小的结构材料，承受最大的外力。机动 目录 上页 下页 返回 结束 Evans Evans 压力能刺激新生骨的生长理论压力能刺激新生骨的生长理论 骨折愈合的重要因素骨折愈合的重要因素 （PauwelsPauwe

50、ls 对上原理做了理论证明）对上原理做了理论证明）理论基础：骨是压电晶体最完美的几何结构（外部和内部）最合理的组成成分（有机物和无机物）最具说服力的力学指标（强度、刚度和密度）机动 目录 上页 下页 返回 结束 目标：优化设计原则说明：骨功能适应性理论是对多种功能而言的，符骨功能适应性理论是对多种功能而言的，符合综合优化设计原则。合综合优化设计原则。机体可能通过四种方式对载荷做出动态响应机体可能通过四种方式对载荷做出动态响应（骨细胞（骨细胞 骨胶原骨胶原 骨矿物质骨矿物质 骨细胞外液）骨细胞外液）图机动 目录 上页 下页 返回 结束 Wolff定律的反馈机制：Wolff定律可能的作用方式二、骨