运动生物力学-ppt课件.ppt

1、运动生物力学运动生物力学Sport BiomechanicsDept of Rehab Therapeutics of Nanjing Medical University康复治疗学精品课程系列之康复治疗学精品课程系列之2022-5-232基本概念基本概念 力（力（force）：是一种作用，它能改变受力）：是一种作用，它能改变受力物体的物体的静止或运动状态静止或运动状态。 力学（力学（Mechanics）：对力进行广泛综合研）：对力进行广泛综合研究的学科。究的学科。 生物力学（生物力学（Biomechanics）：当力作用于）：当力作用于人体人体和其他和其他生物体生物体上并加以研究的学科。上并

2、加以研究的学科。2022-5-233作用于人体的力作用于人体的力 外力外力 主要有：主要有：重力（重力（gravitational force） 是地球对其附近物体吸引的力，是人体保是地球对其附近物体吸引的力，是人体保持直立姿势及活动时必须克服的负荷。持直立姿势及活动时必须克服的负荷。2022-5-234 作用于人作用于人体运动器体运动器官各节段官各节段重力占体重力占体重的百分重的百分比为比为5%2%1%12%3%2%43%3%2022-5-235外力外力 支撑反作用力支撑反作用力静力支撑反作用静力支撑反作用力力 ：在静止状态：在静止状态下，地面或器械下，地面或器械通过支撑点作用通过支撑点作用

3、于人体的对于人体的对重力重力的反作用力，其的反作用力，其大小与重力相同，大小与重力相同，方向相反方向相反 。GN2022-5-236外力外力动力支撑反作用力动力支撑反作用力 ：人体做：人体做加速度加速度运动时运动时所受的支撑反作用力，除上述力外还要加上所受的支撑反作用力，除上述力外还要加上与加速度运动力与加速度运动力大小和方向相反大小和方向相反的反作用的反作用力力 。2022-5-237外力外力 摩擦力摩擦力 是指人体或肢体在是指人体或肢体在地面或器械上滑动地面或器械上滑动时所受到的时所受到的摩擦阻摩擦阻力力。其大小因人体。其大小因人体或肢体重量及地面或肢体重量及地面或器械表面质地而或器械表面

4、质地而异，其方向与运动异，其方向与运动方向相反。方向相反。2022-5-238外力外力 流体作用力流体作用力人体在流体中运动时所承受的流体阻力，人体在流体中运动时所承受的流体阻力，称流体作用力。其大小与运动速度、流称流体作用力。其大小与运动速度、流体密度成正比，故在水中运动所受到的体密度成正比，故在水中运动所受到的阻力较空气中大。但因流体的浮力抵消阻力较空气中大。但因流体的浮力抵消了大部分重力，故人体在水中运动比较了大部分重力，故人体在水中运动比较省力。省力。2022-5-239外力外力 器械的其他阻力器械的其他阻力 肢体推动运动器械进肢体推动运动器械进行锻炼时，除要克服行锻炼时，除要克服器械

5、重力外，还需要器械重力外，还需要克服器械的惯性力、克服器械的惯性力、摩擦力或弹力所产生摩擦力或弹力所产生的阻力，其大小与肢的阻力，其大小与肢体推力相等，方向相体推力相等，方向相反。反。2022-5-2310外力外力 各种外力经常被用来作为运动训练的各种外力经常被用来作为运动训练的负荷负荷，这种负荷要求肢体运动的方向和力量与之这种负荷要求肢体运动的方向和力量与之相适应，从而选择投入工作的肌群及其收相适应，从而选择投入工作的肌群及其收缩强度，这是肌力训练的方法学基础。缩强度，这是肌力训练的方法学基础。 2022-5-2311作用于人体的力作用于人体的力 内力内力 主要有主要有： 肌肉收缩时产生的力

6、肌肉收缩时产生的力 这种力通过骨的附这种力通过骨的附着 点 ， 根 据 力 偶着 点 ， 根 据 力 偶（force couple）、）、力矩（力矩（forgue）、）、分力、合力等力学分力、合力等力学规律和杠杆原理产规律和杠杆原理产生相应的运动和生相应的运动和/或维持人体姿势。或维持人体姿势。2022-5-2312内力内力 各组织器官间的被动阻力各组织器官间的被动阻力 各内脏器官间的摩擦力各内脏器官间的摩擦力 内脏器官和固定装置间的阻力内脏器官和固定装置间的阻力 如胃肠蠕动与腹膜、肠系膜、大血管间的阻如胃肠蠕动与腹膜、肠系膜、大血管间的阻力，食管蠕动与纵膈间的阻力等。力，食管蠕动与纵膈间的阻

7、力等。 血液淋巴液在管道内流动时产生的流体阻力，血液淋巴液在管道内流动时产生的流体阻力，在分流时产生的湍流等。在分流时产生的湍流等。2022-5-2313内力内力 各种内力总是相互适应，以维持最佳活动，各种内力总是相互适应，以维持最佳活动，同时也不断和外力相抗衡以适应人体生活同时也不断和外力相抗衡以适应人体生活的需要。例如为克服重力对血液流动的影的需要。例如为克服重力对血液流动的影响，有时需要肌肉收缩来帮助血流循环。响，有时需要肌肉收缩来帮助血流循环。 2022-5-2314骨组织的生物力学骨组织的生物力学 骨骼系统的作用骨骼系统的作用是保是保护内脏器官并为肌肉护内脏器官并为肌肉提供坚强的动力

8、联系提供坚强的动力联系和附着点，以利于肌和附着点，以利于肌肉收缩和身体运动。肉收缩和身体运动。骨具有实现该目的所骨具有实现该目的所需的力学性能。除此需的力学性能。除此之外，骨具有自我修之外，骨具有自我修复的能力，并能根据复的能力，并能根据力学的需要改变其性力学的需要改变其性能和外形能和外形 。2022-5-2315骨对其承受的力具有适应能力骨对其承受的力具有适应能力 持久运动后，承持久运动后，承受最大应力的骨受最大应力的骨骼可产生相应的骼可产生相应的改变改变骨皮质骨皮质增厚，骨密度增增厚，骨密度增加，骨粗隆增大加，骨粗隆增大等等2022-5-2316 而肢体在废用后而肢体在废用后则可发现则可发

9、现骨骨皮质变薄、骨密皮质变薄、骨密度减少，骨粗隆度减少，骨粗隆减小。减小。2022-5-2317骨的力学性能骨的力学性能 强度和刚度强度和刚度是骨的重要的力学性能，在做载荷是骨的重要的力学性能，在做载荷试验时能够很好的了解这些性能。试验时能够很好的了解这些性能。 强度：强度：是一个生物材料（如骨骼）抵抗破坏的是一个生物材料（如骨骼）抵抗破坏的能力。能力。 刚度：刚度：是一个生物材料（如骨骼）抵抗变形的是一个生物材料（如骨骼）抵抗变形的能力。能力。2022-5-2318决定结构强度的三个参数 结构断裂前所能承受的载荷； 断裂前所能承受的变形； 断裂前所储存的能量。2022-5-2319骨的力学性

10、能骨的力学性能图示出某一塑性材料假定的加载图示出某一塑性材料假定的加载荷的变形曲线。当在材料的弹性荷的变形曲线。当在材料的弹性区内加载，并随之卸负时，结构区内加载，并随之卸负时，结构恢复原来形状，即恢复原来形状，即不产生永久变不产生永久变形形；若继续加载，材料的最外层；若继续加载，材料的最外层纤维就开始在某些点纤维就开始在某些点“屈服屈服”。若继续加载，超过此屈服点若继续加载，超过此屈服点(yield point)，则进入该曲线的非弹性，则进入该曲线的非弹性区，将出现区，将出现永久变形永久变形。若在非弹。若在非弹性区再继续加载，则可以达到结性区再继续加载，则可以达到结构的极限构的极限断裂点断裂

11、点。在曲线上，由。在曲线上，由载荷和变形显示的强度，用极限载荷和变形显示的强度，用极限断裂点表示；由能量储存显示的断裂点表示；由能量储存显示的强度，用整个曲线下面积大小来强度，用整个曲线下面积大小来表示；结构的刚度用弹性区的曲表示；结构的刚度用弹性区的曲线斜率来表示。线斜率来表示。2022-5-2320应力应变曲线 在标准情况下进行试验，可以确定单位面积所加载荷大小和以原长来表示的变形量，从而可以绘出一条曲线，称为应力应变曲线。2022-5-2321 把一个骨组织的标准试样装在试验卡具上，加载直至断裂，可以获得骨的应力和应变值，应力应变曲线可说明变形结果。应力应变曲线的分区与载荷变形曲线相似。

12、2022-5-23222022-5-2323应力应变 应力是结构内某一平面上响应外部施加的载荷而产生的单位面积的负荷（即力在截面上各点的分布情况和密集程度），以单位面积所受的力来表示。表示骨试样应力测量的最常用单位是每平方米牛顿。 应变是结构在载荷下某一点上发生的变形。2022-5-2324应力应变 应变有两种类型： 线应变，它是长度的改变，是与以结构原长相除后的变形量（伸长或缩短），以百分比表示，如cm/cm。2022-5-23252022-5-2326 剪应变是某一结构在承受载荷下所发生的角改变，以弧度(rad)表示（1弧度约等于57.3）。2022-5-2327弹性模量 材料的刚度以弹性

13、区内的曲线斜率来表示，刚度值可以由弹性区内任何一点的应力除以此点的应变取得，亦即载荷变形曲线上弹性范围内任意一点的应力对应变的比值，此值称为弹性模量(modulus of elasticity)（也称杨氏模量，Youngs modulus）。能量储存显示的强度用整个曲线下面积表示。 2022-5-2328弹性模量弹性模量2022-5-2329骨的组织结构骨的组织结构 骨骼是由骨骼是由皮质骨和松质骨皮质骨和松质骨组成。这两种骨的类型组成。这两种骨的类型可以看作是孔隙率大范围变化的一种材料。孔隙可以看作是孔隙率大范围变化的一种材料。孔隙率指的是非矿物组织（非骨组织）所占骨容积的率指的是非矿物组织（

14、非骨组织）所占骨容积的比率，以百分比表示。比率，以百分比表示。皮质骨皮质骨的孔隙率为的孔隙率为530%，而而松质骨松质骨为为3090%。皮质骨较松质骨坚硬，。皮质骨较松质骨坚硬，断裂前能承受较大的应力，而能承受的应变则较断裂前能承受较大的应力，而能承受的应变则较小。在体外承受的应变超过原长小。在体外承受的应变超过原长2%时，皮质骨断时，皮质骨断裂；而松质骨在应变超过裂；而松质骨在应变超过7%时才断裂。这是由于时才断裂。这是由于松质骨的多孔性结构具有较高的能量储存量。松质骨的多孔性结构具有较高的能量储存量。 2022-5-23302022-5-2331不同加载形式下骨的性能不同加载形式下骨的性能

15、 不同加载形式下骨的不同加载形式下骨的性能以不同方向的力性能以不同方向的力或力矩施加在结构上或力矩施加在结构上可以产生可以产生拉伸、压缩、拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和弯曲、剪切、扭转和联合载荷联合载荷（图示）。（图示）。下面将论述施加在平下面将论述施加在平衡结构上的这些载荷衡结构上的这些载荷形式。形式。2022-5-2332不同加载形式下骨的性能不同加载形式下骨的性能 拉伸拉伸：在拉伸载：在拉伸载荷下，在结构表荷下，在结构表面施加大小相等、面施加大小相等、方向相反的载荷，方向相反的载荷，在结构内部产生在结构内部产生拉应力和拉应变。拉应力和拉应变。2022-5-2333不同加载形式下骨的性能不

16、同加载形式下骨的性能 压缩压缩：在压缩载：在压缩载荷下，在结构表荷下，在结构表面施加大小相等、面施加大小相等、方向相反的载荷，方向相反的载荷，在结构内部产生在结构内部产生压应力和压应变。压应力和压应变。2022-5-2334不同加载形式下骨的性能不同加载形式下骨的性能 剪切剪切：在剪切：在剪切载荷下，平行载荷下，平行于结构表面施于结构表面施加载荷，在结加载荷，在结构内部产生剪构内部产生剪应力和剪应变。应力和剪应变。2022-5-2335不同加载形式下骨的性能不同加载形式下骨的性能 弯曲弯曲：骨在弯曲下：骨在弯曲下承载时，拉应力和承载时，拉应力和拉应变作用在中心拉应变作用在中心轴的一侧，而压应轴

17、的一侧，而压应力和压应变作用在力和压应变作用在中心轴的另一侧。中心轴的另一侧。2022-5-2336不同加载形式下骨的性能不同加载形式下骨的性能 扭转扭转：当一载：当一载荷施加在构件荷施加在构件上，使其绕轴上，使其绕轴扭动，构件在扭动，构件在扭转下，剪应扭转下，剪应力分布在整个力分布在整个构件上。构件上。2022-5-2337不同加载形式下骨的性能不同加载形式下骨的性能 联合载荷联合载荷：在：在实际活动中，实际活动中，骨在体内所加骨在体内所加的载荷通常是的载荷通常是以上几种形式以上几种形式的综合，并且的综合，并且骨经常受到多骨经常受到多个不确定的载个不确定的载荷。荷。2022-5-2338肌肉

18、活动对骨应力分布的影响肌肉活动对骨应力分布的影响 骨在体内受载时，止于骨上的骨在体内受载时，止于骨上的肌肌肉收缩肉收缩可以可以改变改变骨的骨的应力分布应力分布。这种肌肉收缩时所产生的压应力，这种肌肉收缩时所产生的压应力，可可减少或消除减少或消除骨上的拉应力，使骨上的拉应力，使拉应力全部或部分抵消拉应力全部或部分抵消。肌肉收。肌肉收缩在髋关节上产生相似的效应，缩在髋关节上产生相似的效应，走路时，弯曲力矩施加在股骨颈走路时，弯曲力矩施加在股骨颈上，拉应力发生在上部骨皮质。上，拉应力发生在上部骨皮质。臀中肌收缩产生的臀中肌收缩产生的压应力抵消了压应力抵消了拉应力拉应力，导致骨皮质上部，导致骨皮质上部

19、既无压既无压应力又无拉应力应力又无拉应力，故肌肉收缩使，故肌肉收缩使得股骨颈能承受更高负荷（见得股骨颈能承受更高负荷（见图图 ）。）。臀中肌松弛时（上图），拉应力作用在上部的骨皮质上，压应力作用在下部的骨皮质上。臀中肌收缩（下图）使拉应力抵消2022-5-2339关节软骨的生物力学关节软骨的生物力学 关节是骨骼系统中相关节是骨骼系统中相邻骨间的功能性联接。邻骨间的功能性联接。关节关节软骨软骨实际上是一实际上是一种种孤立孤立的组织，的组织，没有没有单独的血液和淋巴供单独的血液和淋巴供应应。它主要依赖软骨。它主要依赖软骨下骨组织提供软骨下下骨组织提供软骨下部近部近1/3的血供，其的血供，其余依赖滑

20、膜周围毛细余依赖滑膜周围毛细血管的渗入。血管的渗入。2022-5-2340 关节软骨的细胞密度低于大多数其他组织，关节软骨的细胞密度低于大多数其他组织，其其主要功能主要功能是：是： 把施加于关节上的载荷把施加于关节上的载荷扩散到较大的区域扩散到较大的区域，以减少接触应力以减少接触应力； 使对应的关节面使对应的关节面以最小的摩擦和磨损进行以最小的摩擦和磨损进行相对运动。相对运动。 2022-5-2341关节软骨的组成成分关节软骨的组成成分 胶原纤维胶原纤维 糖蛋白凝胶糖蛋白凝胶 软骨细胞软骨细胞 水分水分 显微镜下的关节软骨显微镜下的关节软骨2022-5-2342胶原纤维胶原纤维 是体内最丰富的

21、蛋白。是体内最丰富的蛋白。 具有高级结构的组织，具有高级结构的组织，可形成最佳的力学性可形成最佳的力学性能。能。 胶原为关节软骨提供胶原为关节软骨提供一种纤维状超微结构，一种纤维状超微结构，这种胶原网和多水的这种胶原网和多水的糖蛋白一起，共同抵糖蛋白一起，共同抵抗关节的应力和应变。抗关节的应力和应变。2022-5-2343糖蛋白凝胶糖蛋白凝胶 是由分布不均匀的糖是由分布不均匀的糖蛋白大分子及其聚合蛋白大分子及其聚合物组成。物组成。 糖蛋白的基本结构单糖蛋白的基本结构单元是氨基多糖。元是氨基多糖。 糖蛋白有一特殊部分糖蛋白有一特殊部分与胶原密切相连，并与胶原密切相连，并把胶原纤维结合到一把胶原纤

22、维结合到一起。起。2022-5-2344软骨细胞和水分软骨细胞和水分软骨细胞软骨细胞2022-5-2345软骨各成分间结构上的相互作用软骨各成分间结构上的相互作用 糖蛋白的基本结构单元是糖蛋白的基本结构单元是氨基多糖氨基多糖，氨基多，氨基多糖具有吸引正电荷如钠离子、钙离子以中和糖具有吸引正电荷如钠离子、钙离子以中和固定负电荷的作用。固定负电荷的作用。 相邻的氨基多糖链有固定的电荷相互排斥，相邻的氨基多糖链有固定的电荷相互排斥，使组织内保持一种使组织内保持一种挺而伸展挺而伸展的状态。的状态。 氨基多糖和小离子的浓缩液，有通过渗透作氨基多糖和小离子的浓缩液，有通过渗透作用自我稀释的趋向。用自我稀释

23、的趋向。 当软骨面受力时，可发生瞬间变形，这主要当软骨面受力时，可发生瞬间变形，这主要是是糖蛋白区的形状改变所致糖蛋白区的形状改变所致，这种外加的应，这种外加的应力使软骨基质中的内压超过了膨胀压，引起力使软骨基质中的内压超过了膨胀压，引起液体从组织中外流。液体从组织中外流。2022-5-2346一个糖蛋白聚合体的简图一个糖蛋白聚合体的简图 2022-5-2347关节软骨的生物学性质关节软骨的生物学性质 渗透性渗透性 蠕变反应蠕变反应 润滑润滑2022-5-2348关节软骨的生物学性质关节软骨的生物学性质 渗透性渗透性 表示液体流过多孔物质的固体基质时的表示液体流过多孔物质的固体基质时的摩擦阻摩

24、擦阻力力。渗透性。渗透性越低越低，承载时液体，承载时液体流动阻力越大流动阻力越大。与普通海绵的渗透性相比，健康软骨的渗透性与普通海绵的渗透性相比，健康软骨的渗透性是很小的。随着压力和变形的增加，健康关节是很小的。随着压力和变形的增加，健康关节软骨的渗透性大大降低。因此，关节软骨具有软骨的渗透性大大降低。因此，关节软骨具有一个机械反馈调节机制，一个机械反馈调节机制，阻止组织间液完全流阻止组织间液完全流出。出。 2022-5-2349 软骨的蠕变反应软骨的蠕变反应 一个恒定的载荷瞬间一个恒定的载荷瞬间施加于关节上，在载施加于关节上，在载荷的作用下，软骨的荷的作用下，软骨的压缩变形连续增加，压缩变形

25、连续增加，直至获得一个平稳状直至获得一个平稳状态或近似值，这就是态或近似值，这就是“蠕变蠕变”。2022-5-2350 润滑（有两种基本类型）润滑（有两种基本类型） 界面润滑和液膜润滑界面润滑和液膜润滑。界面润滑界面润滑是依靠单层润滑是依靠单层润滑剂分子化学吸附到接触的固体面上。作相对运动剂分子化学吸附到接触的固体面上。作相对运动时，承载面受到互相滑动的润滑剂分子保护，防时，承载面受到互相滑动的润滑剂分子保护，防止因表面粗糙发生的粘合和磨损。止因表面粗糙发生的粘合和磨损。液膜润滑液膜润滑是当是当载荷不很重，载荷较低或上下波动时，并且相应载荷不很重，载荷较低或上下波动时，并且相应于接触面的相对速

26、度较高时，关节很可能是在第于接触面的相对速度较高时，关节很可能是在第二种润滑机制下，一层较厚的润滑剂膜使两个承二种润滑机制下，一层较厚的润滑剂膜使两个承载面有较大的间隙，这层液膜上的压力可支持承载面有较大的间隙，这层液膜上的压力可支持承载面上较大的负荷。载面上较大的负荷。 2022-5-2351软骨变性的生物力学软骨变性的生物力学 关节软骨的关节软骨的修复修复和和再生再生能力能力有限有限，如果承，如果承受应力太大，可能很快发生完全破坏。高受应力太大，可能很快发生完全破坏。高接触压力会减少液膜润滑的可能性。固体接触压力会减少液膜润滑的可能性。固体表面凹凸不平点的接触，可引起显微应力表面凹凸不平点

27、的接触，可引起显微应力点的集中，使这些关节面材料发生磨损。点的集中，使这些关节面材料发生磨损。关节总载荷频率和数量的增加，可以解释关节总载荷频率和数量的增加，可以解释为什么某些职业的人员关节变性的发生率为什么某些职业的人员关节变性的发生率高。高。2022-5-2352 如足球运动员的膝关如足球运动员的膝关节，芭蕾舞演员的踝节，芭蕾舞演员的踝关节等。骨关节病也关节等。骨关节病也可以继发于胶原蛋白可以继发于胶原蛋白-糖蛋白基质的分子或糖蛋白基质的分子或微观结构损伤，如类微观结构损伤，如类风湿性关节炎等。风湿性关节炎等。 胶原组织生物力学胶原组织生物力学南京医科大学康复治疗学系南京医科大学康复治疗学

28、系Dept of Rehab Therapeutics of Nanjing Medical University康复治疗学精品课程系列之康复治疗学精品课程系列之一、胶原组织一、胶原组织2022-5-23551、什么是组织？、什么是组织？ 组织组织是机体中一些形态结构类似、功能相是机体中一些形态结构类似、功能相关的细胞和细胞间质组合成的群体结构。关的细胞和细胞间质组合成的群体结构。 人体有多种组织，一般可以归纳为四种基人体有多种组织，一般可以归纳为四种基本组织：上皮组织、本组织：上皮组织、结缔组织结缔组织、肌肉组织、肌肉组织和神经组织。和神经组织。2022-5-23562、什么是结缔组织？、什

29、么是结缔组织？ 结缔组织结缔组织由由细胞细胞和大量的和大量的细胞间质细胞间质组成。组成。 细胞间质细胞间质包括细丝状的包括细丝状的纤维纤维和无定型的和无定型的基基质。质。 结缔组织功能结缔组织功能：连接、支持、营养、保护、：连接、支持、营养、保护、防御和修复等。防御和修复等。 结缔组织范畴结缔组织范畴？ 液态的血液？液态的血液？ 胶态的固有结缔组织？胶态的固有结缔组织？ 固态的骨和软骨组织？固态的骨和软骨组织？2022-5-23573、什么是固有结缔组织？、什么是固有结缔组织？ 固有结缔组织固有结缔组织的基质呈胶状，细胞和纤维的基质呈胶状，细胞和纤维散布其中。散布其中。 分类分类 疏松结缔组织

30、疏松结缔组织 致密结缔组织致密结缔组织 脂肪组织脂肪组织 网状组织网状组织 胶原组织？胶原组织？2022-5-2358 纤维主要纤维主要由三种类由三种类型的纤维型的纤维组成组成胶原纤维胶原纤维网状纤维网状纤维弹性纤维弹性纤维 基质基质 细胞：细胞：成纤维细胞、巨噬细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、浆细胞、肥大细胞等。浆细胞、肥大细胞等。胶原组织胶原组织2022-5-2359 骨骼系统周围含有胶原组织的有骨骼系统周围含有胶原组织的有韧带韧带（包括关节囊）、肌腱和皮肤（包括关节囊）、肌腱和皮肤以及以及外伤外伤后引起的瘢痕组织中的纤维组织等后引起的瘢痕组织中的纤维组织等。2022-5-2360 别名：别名

31、：白纤维白纤维，新鲜时呈亮白色。，新鲜时呈亮白色。 组成：胶原蛋白。组成：胶原蛋白。 特点：韧性大，抗拉力强。特点：韧性大，抗拉力强。 作用：为组织提供强度和刚度。作用：为组织提供强度和刚度。2022-5-23612022-5-2362 别名：别名：黄纤维黄纤维，新鲜时呈黄色。，新鲜时呈黄色。 组成：弹性蛋白。组成：弹性蛋白。 特点：富有弹性，容易被拉长及复原。特点：富有弹性，容易被拉长及复原。 作用：在组织受载时提供延展性。作用：在组织受载时提供延展性。2022-5-23632022-5-2364 别名：别名：嗜银纤维嗜银纤维，银染法能将其染成棕黑，银染法能将其染成棕黑色。色。 组成：组成：

32、III型胶原蛋白。型胶原蛋白。 特点：多分布于造血器官、内分泌器官及特点：多分布于造血器官、内分泌器官及肝内。肝内。 作用：构成容积作用：构成容积/支架。支架。2022-5-23652022-5-23664.4、基质、基质 定义定义 一种由生物大分子构一种由生物大分子构成的胶状物质。成的胶状物质。 组成组成 主要为蛋白多糖和糖主要为蛋白多糖和糖蛋白。蛋白。 作用作用 减少细胞、纤维间摩减少细胞、纤维间摩擦。擦。2022-5-2367胶原组织胶原组织胶原组织胶原组织2022-5-23685、常见的胶原组织、常见的胶原组织 骨骼系统周围含有胶原组织的有：骨骼系统周围含有胶原组织的有： 韧带韧带（包

33、括关节囊）（包括关节囊） 肌腱肌腱 皮肤皮肤 这些结构是这些结构是被动运动被动运动的，不产生主动运动。的，不产生主动运动。二、力学特性二、力学特性2022-5-23701、胶原组织生物力学、胶原组织生物力学 活动时，活动时，韧带韧带和和肌腱肌腱主要在拉伸下受载。主要在拉伸下受载。关节运动在韧带上产生拉伸载荷，肌肉关节运动在韧带上产生拉伸载荷，肌肉收缩在肌腱上也产生类似载荷。收缩在肌腱上也产生类似载荷。 皮下组织和皮下组织和皮肤皮肤则是在更为复杂的形式下则是在更为复杂的形式下受载。受载。要承受拉伸、压缩和剪切负荷。要承受拉伸、压缩和剪切负荷。2022-5-2371在载荷下，胶原组织的特性受三种主

34、要因在载荷下，胶原组织的特性受三种主要因素影响：素影响： 纤维的结构纤维的结构 胶原纤维和弹性纤维的特性胶原纤维和弹性纤维的特性 胶原纤维和弹性纤维之间的比例胶原纤维和弹性纤维之间的比例2022-5-23722.1、纤维的结构、纤维的结构 肌腱、韧带、皮肤中三种胶原的结构不同，肌腱、韧带、皮肤中三种胶原的结构不同，并与每种结构的功能相适应。并与每种结构的功能相适应。肌腱肌腱韧带韧带皮肤皮肤2022-5-2373肌腱纤维肌腱纤维 肌腱纤维肌腱纤维几乎完全平行排列，使肌腱更适几乎完全平行排列，使肌腱更适应于承受高拉伸载荷。应于承受高拉伸载荷。F2022-5-2374韧带纤维韧带纤维 韧带纤维韧带纤

35、维，较少恒定的结构。在不同的韧，较少恒定的结构。在不同的韧带中，结构随韧带的功能而异。带中，结构随韧带的功能而异。 虽然多数韧带纤维近似平行，但也有些纤虽然多数韧带纤维近似平行，但也有些纤维不是平行排列。维不是平行排列。F2022-5-2375皮肤纤维皮肤纤维 皮肤纤维皮肤纤维呈网状，这种结构使皮肤在各个呈网状，这种结构使皮肤在各个方向上具有延展性。方向上具有延展性。 皮下组织的结构则更为松散，从而提供更皮下组织的结构则更为松散，从而提供更大的扩展空间。大的扩展空间。F2022-5-2376肌腱、韧带和皮肤的力学特性肌腱、韧带和皮肤的力学特性 纤维排列不同，力学特性不同。纤维排列不同，力学特性

36、不同。 肌腱肌腱能承受能承受最强最强的拉伸载荷。的拉伸载荷。 韧带韧带受拉伸载荷时，由于纤维不成行，只有与主纤受拉伸载荷时，由于纤维不成行，只有与主纤维方向完全一致的纤维首先被完全拉直而承受最大维方向完全一致的纤维首先被完全拉直而承受最大载荷；那些与主纤维方向不平行的纤维，只承受低载荷；那些与主纤维方向不平行的纤维，只承受低载荷。载荷。 皮肤皮肤纤维走向较之韧带更无规则，故所能承受的最纤维走向较之韧带更无规则，故所能承受的最大载荷也大载荷也最小最小，因此皮肤在拉伸下，比肌腱和韧带，因此皮肤在拉伸下，比肌腱和韧带更脆弱一些。更脆弱一些。2022-5-2377胶原纤维和弹性纤维的特性：胶原纤维和弹

37、性纤维的特性：胶原纤维胶原纤维弹性纤维弹性纤维材料类型材料类型塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料拉伸破坏试验拉伸破坏试验 加载开始时稍有伸长，加载开始时稍有伸长，但很快随负荷的增加但很快随负荷的增加变得刚硬到达屈服点，变得刚硬到达屈服点，随之出现非弹性变形，随之出现非弹性变形，直到极限破坏直到极限破坏 低载荷下呈现较大低载荷下呈现较大的伸长，但随载荷的伸长，但随载荷的增加，纤维突然的增加，纤维突然变得刚硬，没有变变得刚硬，没有变形而突然断裂。形而突然断裂。变性范围变性范围6%8%可达到原长的两倍多可达到原长的两倍多承受应力能力承受应力能力大约是皮质骨在拉伸下大约是皮质骨在拉伸下的一半的一半仅为皮

38、质骨在拉伸下仅为皮质骨在拉伸下所能承受的所能承受的1/10。2022-5-23782022-5-2379 胶原纤维胶原纤维 未受载荷时呈波浪状。未受载荷时呈波浪状。 受低载荷时，胶原纤维稍有伸长，直到波浪状的受低载荷时，胶原纤维稍有伸长，直到波浪状的纤维拉直，此时胶原纤维束迅速变刚硬，直到屈纤维拉直，此时胶原纤维束迅速变刚硬，直到屈服点。服点。 然后发生非弹性变形，直到极限而断裂破坏。然后发生非弹性变形，直到极限而断裂破坏。 破坏时的变性范围为破坏时的变性范围为68%。 弹性纤维弹性纤维 受低载荷时，弹性纤维伸长很大。受低载荷时，弹性纤维伸长很大。 当达到极限破坏点时突然变刚硬，没有变形而突当

39、达到极限破坏点时突然变刚硬，没有变形而突然断裂。然断裂。2022-5-23802.3、胶原纤维和弹性纤维的比、胶原纤维和弹性纤维的比例例 胶原组织中弹性纤维和胶原纤维之间的胶原组织中弹性纤维和胶原纤维之间的比比例随该组织功能的不同而不同例随该组织功能的不同而不同，并影响组，并影响组织的力学性能。织的力学性能。 2022-5-2381肌腱肌腱 主要功能：是把肌力传主要功能：是把肌力传递到骨或筋膜。递到骨或筋膜。 几乎完全由胶原纤维组几乎完全由胶原纤维组成。成。 在拉伸载荷下，其性能在拉伸载荷下，其性能几乎与单独胶原纤维束几乎与单独胶原纤维束的应变相一致。的应变相一致。 2022-5-2382韧带

40、韧带 功能功能：稳定关节、支持关节运动并防止过：稳定关节、支持关节运动并防止过量运动。量运动。 强度强度：在载荷下，决定韧带强度的主要因：在载荷下，决定韧带强度的主要因素是韧带的素是韧带的粗细、形状和载荷增加速度粗细、形状和载荷增加速度。 韧带的横截面积影响其强度，与加载方向取韧带的横截面积影响其强度，与加载方向取向一致的纤维数越多越宽越厚，韧带的强度向一致的纤维数越多越宽越厚，韧带的强度越大。越大。 韧带与骨一样，其强度和刚度随加载荷速度韧带与骨一样，其强度和刚度随加载荷速度的增加而增大，当加载荷速度（变形率）增的增加而增大，当加载荷速度（变形率）增加加4倍时，破坏时的载荷几乎增加了倍时，破

41、坏时的载荷几乎增加了50%。2022-5-2383膝关节前侧观膝关节前侧观韧带韧带2022-5-2384韧带的组成韧带的组成 人体内的大多数韧带与肌腱一样主要由人体内的大多数韧带与肌腱一样主要由胶胶原纤维原纤维所组成。所组成。 但脊柱中的两个韧带但脊柱中的两个韧带项韧带项韧带和和黄韧带黄韧带 由由2/3的的弹性纤维弹性纤维参与构成，所以几乎完全表现参与构成，所以几乎完全表现为弹性性能。为弹性性能。 这些韧带具有特殊的功能，能保护神经根免受这些韧带具有特殊的功能，能保护神经根免受机械冲击，为脊柱提供内在稳定性。机械冲击，为脊柱提供内在稳定性。 2022-5-2385脊柱的韧带（侧面观）脊柱的韧带

42、（侧面观）2022-5-2386拉伸破坏试验的力学性能拉伸破坏试验的力学性能 两种韧带在拉伸破坏试验时，力学性能差两种韧带在拉伸破坏试验时，力学性能差异异 A为为膝前交叉韧带膝前交叉韧带，具有高百分比的，具有高百分比的胶原纤维胶原纤维 B是是黄韧带黄韧带，具有高百分比的，具有高百分比的弹性纤维弹性纤维。2022-5-2387韧带与胶原纤维力学特性对比韧带与胶原纤维力学特性对比2022-5-2388人膝前交叉韧带拉伸破坏试验人膝前交叉韧带拉伸破坏试验 区区：载荷稍有增加，因波浪形：载荷稍有增加，因波浪形胶原纤维拉直胶原纤维拉直而韧而韧带伸长。带伸长。 区区：与加载方向取向相同的纤维完全拉直，组织

43、：与加载方向取向相同的纤维完全拉直，组织的刚度迅速增加。组织开始变形并与载荷成线性关的刚度迅速增加。组织开始变形并与载荷成线性关系。胶原纤维也开始出现系。胶原纤维也开始出现微观破坏微观破坏。 区区：应变超过：应变超过68（屈服点）后，胶原纤维（屈服点）后，胶原纤维束出现束出现进行性破坏进行性破坏。 区区：在达到组织能耐受的最大载荷时发生组织的：在达到组织能耐受的最大载荷时发生组织的巨大破坏巨大破坏。 区区：韧带伸长约：韧带伸长约68时，韧带时，韧带完全破坏完全破坏。虽。虽然组织仍然连续，但已不能支持载荷。然组织仍然连续，但已不能支持载荷。 2022-5-2389人黄韧带人黄韧带 含含6070弹

44、性纤维弹性纤维 韧带伸长韧带伸长70时突然破坏时突然破坏 2022-5-2390总结总结存在即合理存在即合理 人体内纤维的种类和排列的密度，因起存人体内纤维的种类和排列的密度，因起存在的部位的功能差异而不同。在的部位的功能差异而不同。 真皮、硬脑膜、巩膜和一些器官的被膜真皮、硬脑膜、巩膜和一些器官的被膜 多向密集交织的胶原纤维束多向密集交织的胶原纤维束 肌腱肌腱 单向平行密集排列的胶原纤维束单向平行密集排列的胶原纤维束 黄韧带和项韧带黄韧带和项韧带 单向平行密集排列的弹性纤维束单向平行密集排列的弹性纤维束2022-5-23913、骨、骨-韧带韧带-骨复合体骨复合体 离体韧带的力学性能离体韧带的

45、力学性能 韧带的结构韧带的结构骨骨-韧带韧带-骨复合体骨复合体的一的一个环节。个环节。2022-5-2392Copper试验试验 Copper和和Misol用光学和电子显微镜检查用光学和电子显微镜检查狗韧带的起止点。狗韧带的起止点。 根据根据组织形态组织形态把韧带的止点分为把韧带的止点分为4个区。个区。2022-5-2393腱止点结构及功能示意图腱止点结构及功能示意图 （1）1区：腱纤维 （2）2区：纤维软骨 （3）潮线 （4）3区：钙化软骨层 （5）4区：骨2022-5-2394骨骨-韧带韧带-骨复合体骨复合体 移行区移行区 韧带末端（韧带末端（1区）的胶原纤维区）的胶原纤维与与纤维软骨（纤

46、维软骨（2区）区）有交有交织。织。 纤维软骨逐渐变为纤维软骨逐渐变为矿物化纤维软骨矿物化纤维软骨（3区）区） 矿物化纤维软骨又与矿物化纤维软骨又与皮质骨皮质骨融合（融合（4区）。区）。 由于由于韧带韧带-骨连结骨连结处存在处存在3种刚度逐渐增加的材种刚度逐渐增加的材料，当韧带进入刚度较大的骨结构上的止点部料，当韧带进入刚度较大的骨结构上的止点部位，位，应力集中效应就减小应力集中效应就减小。 为什么？为什么？ 2022-5-23954、各种载荷条件下复合体性能、各种载荷条件下复合体性能 载荷的速度载荷的速度和和持续时间持续时间对骨对骨-韧带韧带-骨复合体骨复合体的影响，在的影响，在评估关节损伤评

47、估关节损伤和和治疗各种关节治疗各种关节疾病疾病方面具有很高的临床价值。方面具有很高的临床价值。2022-5-2396 关节在长时间内承受恒定的低载荷时，软关节在长时间内承受恒定的低载荷时，软组织发生缓慢变形即蠕变。组织发生缓慢变形即蠕变。 受载受载初期初期68小时小时内这种蠕变最大。内这种蠕变最大。 如在较低速度下持续数月，绝大部分蠕变如在较低速度下持续数月，绝大部分蠕变发生在发生在负荷负荷-变形曲线变形曲线的初始区。的初始区。2022-5-2397应用应用1畸形足畸形足 牵伸畸形足并用管形石膏固定，使病足承牵伸畸形足并用管形石膏固定，使病足承受固定载荷。受固定载荷。2022-5-2398应用

48、应用2特发性脊柱侧弯特发性脊柱侧弯 脊柱侧凸脊柱侧凸是指脊柱的一个或数个节段在冠是指脊柱的一个或数个节段在冠状面上偏离身体中线向侧方弯曲，形成一状面上偏离身体中线向侧方弯曲，形成一个带有弧度的脊柱畸形，通常还伴有脊柱个带有弧度的脊柱畸形，通常还伴有脊柱的旋转和矢状面上后突或前突的增加或减的旋转和矢状面上后突或前突的增加或减少，同时还有肋骨、骨盆的旋转倾斜畸形少，同时还有肋骨、骨盆的旋转倾斜畸形和椎旁的韧带和肌肉的异常。和椎旁的韧带和肌肉的异常。2022-5-2399特发性脊柱侧凸特发性脊柱侧凸 最为常见的是原因不明的最为常见的是原因不明的特发性脊柱侧凸特发性脊柱侧凸（约占全部脊柱侧凸的（约占全

49、部脊柱侧凸的 80 ），它好发于），它好发于青少年，尤其是女性，常在青春发育前期青少年，尤其是女性，常在青春发育前期发病，在整个青春发育期快速进展至青春发病，在整个青春发育期快速进展至青春发育结束，在成年期则缓解进展，有时则发育结束，在成年期则缓解进展，有时则停止进展。停止进展。2022-5-23100矫形器治疗矫形器治疗 用石膏或支架治疗特发性脊柱侧弯，借助用石膏或支架治疗特发性脊柱侧弯，借助所加的恒定载荷使软组织伸长。所加的恒定载荷使软组织伸长。 当软组织变形到某一恒定长度时，使载荷当软组织变形到某一恒定长度时，使载荷发生松弛，即载荷随时间而减小。发生松弛，即载荷随时间而减小。 受载最初受

50、载最初68小时的载荷松弛最大，以后这小时的载荷松弛最大，以后这种效应减弱，也可以在低速率下持续数月。种效应减弱，也可以在低速率下持续数月。 每天脊柱侧弯矫形器的佩戴时间？每天脊柱侧弯矫形器的佩戴时间？2022-5-23101三点压力系统三点压力系统2022-5-23102脊柱侧弯矫形器脊柱侧弯矫形器2022-5-231034.2、加载荷速度的影响、加载荷速度的影响 离体韧带和骨一样，离体韧带和骨一样，在加载荷速度增加时，在加载荷速度增加时，能储存更多的能量，能储存更多的能量，断裂时需要更大的力，断裂时需要更大的力，并能承受较大的伸长。并能承受较大的伸长。 完整的完整的骨骨-韧带韧带-骨复合体骨