骨的力學(xué)性質(zhì)（精制醫(yī)學(xué)）

1、骨的力學(xué)性質(zhì),1,精制類,骨是有生命的器官 從力學(xué)角度講，骨是人體受力的主要載體 分類 部位 形態(tài),2,精制類,骨的形態(tài),成人全身骨約占體重的20，206塊。 形態(tài)多樣，分為四類： 長骨：主要分布于四肢，起支持和杠桿作用； 長骨中間部為骨干，呈長管狀，骨干 內(nèi)空腔為骨髓腔，兩端膨大，為骺。 如肱骨。 短骨：形似立方形，多分布于既能承受壓力 又能活動的部位，如手的腕骨和足的 跗骨；,3,精制類,骨的形態(tài),成人全身骨約占體重的20，206塊。 形態(tài)多樣，分為四類： 扁骨：呈板狀，富有較大的彈性和堅(jiān)固性， 圍成空腔對腔內(nèi)器官起保護(hù)作用， 如頂骨、枕骨等； 不規(guī)則骨：形狀不規(guī)則，如椎骨、蝶骨。,4,精

2、制類,第一節(jié) 骨的成分,有機(jī)質(zhì) 膠原纖維、無定形基質(zhì) 四種骨組織細(xì)胞： 骨祖細(xì)胞 成骨細(xì)胞 骨細(xì)胞 破骨細(xì)胞 無機(jī)鹽-主要是羥基磷灰石 水,5,精制類,6,精制類,無機(jī)物,堿性磷酸鈣為主的無機(jī)鹽類、碳酸鈣等。 作用：使骨挺硬堅(jiān)實(shí)。,有機(jī)物,大量排列規(guī)則的骨膠原纖維束和粘多糖蛋白 作用：作為骨支架，賦予骨彈性和韌性， 使骨具有基本形態(tài)。,7,精制類,第二節(jié) 骨的構(gòu)造,骨膜：緊貼在除關(guān)節(jié)面以外的骨表面的一層致密纖維結(jié)締組織膜，很堅(jiān)韌，分為內(nèi)外兩層。內(nèi)層中有一些細(xì)胞可分化為成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。 骨膜內(nèi)含有豐富的血管和神經(jīng)，對骨起營養(yǎng)作用。,骨由骨膜、骨質(zhì)和骨髓構(gòu)成，有豐富的血管和神經(jīng)。活體內(nèi)的每一塊

3、骨都是一個活的器官。,8,精制類,骨膜,骨膜內(nèi)的成骨細(xì)胞在生長發(fā)育期能形成新骨，使骨長粗。成年以后則處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，但在骨折時，成骨細(xì)胞可再增生活動，促進(jìn)骨的愈合。 骨膜內(nèi)的破骨細(xì)胞能破壞骨質(zhì)。 成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞對骨的發(fā)生、生長改造、修復(fù)起著重要作用。,9,精制類,骨質(zhì),分骨密質(zhì)和骨松質(zhì)兩類。,骨密質(zhì)： 在骨的表面，由層層緊密排列的骨板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，抗壓、抗扭曲力強(qiáng)。,10,精制類,骨松質(zhì),骨松質(zhì)：骨松質(zhì)在骨密質(zhì)的內(nèi)面，結(jié)構(gòu)疏松，彈性較大，由許多片狀的骨小梁交織排列而成。 呈蜂窩狀，骨小梁與壓力的傳遞方向一致，能承受很大的壓力。,11,精制類,骨密質(zhì)和骨松質(zhì)的分布,長骨骨干： 有很厚

4、的骨密質(zhì)，骨干 中央為骨髓腔。 長骨骨骺及短骨： 表面有一層薄的骨密 質(zhì)，中央為骨松質(zhì)。 扁骨： 內(nèi)外表面都是骨密質(zhì)形 成的骨板，中央為骨松質(zhì),12,精制類,骨髓,在胎兒和幼兒時期全部都是紅骨髓，具有造血功能。隨著年齡的增長(約57歲)，骨髓腔中的紅骨髓逐漸被脂肪組織所代替，顏色變黃稱為黃骨髓，失去造血功能。但當(dāng)大失血或嚴(yán)重貧血時，黃骨髓可再轉(zhuǎn)變?yōu)榧t骨髓，恢復(fù)造血功能。 在骨骺、短骨及扁骨的骨松質(zhì)內(nèi)的紅骨髓終生保持造血功能。,充填于骨髓腔和骨松質(zhì)的網(wǎng)眼內(nèi)。,13,精制類,骨的顯微結(jié)構(gòu),作用：骨組織與軟骨組織均屬于具有支持和保護(hù)作用的結(jié)締組織。,骨質(zhì)、骨膜（血管、神經(jīng)）、骨髓,骨組織,骨細(xì)胞：多

5、突起，位于骨陷窩內(nèi)，埋藏 在固體狀態(tài)基質(zhì)中 基質(zhì)：基質(zhì)和纖維排列成緊密的骨板。 具有一定的形狀和強(qiáng)大的堅(jiān)韌性 和彈性。,軟骨組織 骨組織,透明軟骨、彈力軟骨和纖維軟骨,14,精制類,骨的顯微結(jié)構(gòu),15,精制類,第三節(jié) 骨的力學(xué)特性,具有很高的抗拉、壓性能 有一定的硬度 從骨的結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)過生物優(yōu)化過程，具有最優(yōu)的力學(xué)性能，既優(yōu)化為最大的強(qiáng)度、最省的材料、最輕的重量。,16,精制類,骨的可塑性：在生長、發(fā)育過程中，由于各種條件的影響使得骨的形態(tài)有所改變。 骨的粘彈性：在外力作用下，骨產(chǎn)生的形變與時間相關(guān)。,17,精制類,力學(xué)性質(zhì)： 極限強(qiáng)度： 抗張強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度 彎曲強(qiáng)度 剛度： 彈性模量： 韌

6、性： 應(yīng)力應(yīng)變曲線：,在此 施加 壓力,在此 拉伸,體重的著力點(diǎn),人 體 股 骨 的 應(yīng) 力 分 布,18,精制類,應(yīng)力與應(yīng)變曲線,STRESS,骨密質(zhì) 骨松質(zhì),Greater Area: Absorbs more Energy,19,精制類,骨骼及其力學(xué)性質(zhì)（極限壓縮強(qiáng)度和壓縮率）,股骨,切向顱骨,徑向顱骨,椎骨,骨試件壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（ 圖）,20,精制類,骨力學(xué)特性的基本概念,力學(xué)性質(zhì)： （極限）強(qiáng)度： 抵抗破壞的能力 抗張強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度 彎曲強(qiáng)度 剛度： 抵抗變形的能力 穩(wěn)定性：保持相對位置的能力 彈性模量： 韌性： 應(yīng)力應(yīng)變曲線：,21,精制類,骨的材料力學(xué)性能特點(diǎn),有生命 非均勻、

7、各向異性的復(fù)合材料 接近于工程材料，用工程學(xué)方法分析骨的力學(xué)性能,22,精制類,骨材料力學(xué)試樣的選取,單質(zhì)試樣 選取單一種類的骨質(zhì)材料最為試樣（如只選取密致骨） 多質(zhì)試樣 多針對扁骨這樣的結(jié)構(gòu) 整體骨骼試樣,23,精制類,骨的材料力學(xué)性能,拉伸壓縮 剪切 彎曲 扭轉(zhuǎn) 骨的疲勞性能 骨的斷裂韌性,24,精制類,骨的拉伸和壓縮,成人濕潤密質(zhì)骨試件的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線（ 圖）,橈骨,腓骨,肱骨=117Mpa =1.5%,線彈性,25,精制類,年齡、部位、性別 同一骨的不同方向的試樣 濕骨和干骨 加載速度,26,精制類,骨的剪切,受一對大小相等、方向相反，相距很近的力的作用。 影響因素：干骨濕骨、性別、

8、年齡等 各向異性,27,精制類,骨的彎曲,骨在與軸垂直方向上受力會產(chǎn)生彎曲變形，骨在彎曲時受到有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及剪應(yīng)力，情況較為復(fù)雜。 長骨-簡化為等厚度的橢圓環(huán)形截面的直桿。,28,精制類,骨的扭轉(zhuǎn),實(shí)驗(yàn)表明，骨的抗扭能力較差 密致骨受壓能力最好、受拉性能其次、受剪性能最差。 松質(zhì)骨各項(xiàng)強(qiáng)度均小的多,29,精制類,骨的疲勞性能,運(yùn)動過程骨反復(fù)受力，當(dāng)作用超過某一限度，骨組織會發(fā)生損傷疲勞損傷 自行修復(fù)能力 過度疲勞永久損傷,30,精制類,骨受沖擊性能,影響因素 沖擊載荷大小 沖擊載荷作用時間（能量） 骨的結(jié)構(gòu),31,精制類,骨的斷裂韌性,斷裂韌性某種材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，描述材料抵抗脆性

9、破壞的能力。 骨上存在孔洞、缺陷、裂隙等，降低了骨的斷裂韌性。,32,精制類,第四節(jié) 軟骨,軟骨由軟骨組織及其周圍的軟骨膜構(gòu)成，軟骨組織由軟骨細(xì)胞、基質(zhì)及纖維構(gòu)成。 根據(jù)軟骨組織內(nèi)所含纖維成分的不同，可將軟骨分為透明軟骨、彈性軟骨和纖維軟骨三種，其中以透明軟骨的分布較廣，結(jié)構(gòu)也較典型。 軟骨是具有某種程度硬度和彈性的支持器管。,33,精制類,一、透明軟骨(Hyaline Cartilage) 透明軟骨間質(zhì)內(nèi)僅含少量膠原原纖維，基質(zhì)較豐富，新鮮時呈半透明狀。主要分布于關(guān)節(jié)軟骨、肋軟骨等。 二、纖維軟骨(Fibrous Cartilage)：纖維軟骨分布于椎間盤、關(guān)節(jié)盤及恥骨聯(lián)合等處?；|(zhì)內(nèi)富含膠

10、原纖維束，呈平行或交錯排列。軟骨細(xì)胞較小而少，成行排列于膠原纖維束之間。,34,精制類,三、彈性軟骨(Elastic Cartilage) 彈性軟骨分布于耳廓及會厭等處。結(jié)構(gòu)類似透明軟骨，僅在間質(zhì)中含有大量交織成網(wǎng)的彈性纖維，纖維在軟骨中部較密集，周邊部較稀少。這種軟骨具有良好的彈性。 四、軟骨膜(Perichondrium) 除關(guān)節(jié)面的軟骨表面以外，軟骨的周圍均覆有一層較致密的結(jié)締組織，即軟骨膜。其外層纖維較致密，主要為保護(hù)作用；內(nèi)層較疏松，富含細(xì)胞、神經(jīng)及一些小血管。在緊貼軟骨處的軟骨膜內(nèi)還有一種能形成骨或軟骨的幼稚細(xì)胞(干細(xì)胞)，呈梭形，可增殖分化為軟骨細(xì)胞。軟骨膜能保護(hù)及營養(yǎng)軟骨，同時

11、對軟骨的生長有重要作用。,35,精制類,關(guān)節(jié)軟骨,關(guān)節(jié)軟骨主要的功能是緩解壓力的作用，在壓力作用下，軟骨被壓縮，解除壓力，又可伸展，可以保護(hù)軟骨下的骨骼不受破壞，或者僅發(fā)生輕微的損傷。 除此之外，關(guān)節(jié)軟骨還有潤滑作用，使骨端滑動。 由于彈性作用，可迅速恢復(fù)原狀，因此關(guān)節(jié)軟骨的形狀改變而體積不變。在青年人，這種彈性作用較強(qiáng)，緩沖效果亦佳。然而老年人其纖維變性，彈性減弱，關(guān)節(jié)軟骨的延伸能力也減弱，且恢復(fù)原狀的能力也變得不如青年人，再加上老年人關(guān)節(jié)液減少，使關(guān)節(jié)軟骨變得干燥，因此老年人的關(guān)節(jié)軟骨易受損傷，經(jīng)常發(fā)生退行性骨關(guān)節(jié)病。,36,精制類,第五節(jié) 骨的連接,直接連接 韌帶連接 軟骨結(jié)合 骨結(jié)合

12、間接連接 關(guān)節(jié),37,精制類,韌帶連接,兩骨之間靠結(jié)締組織直接連結(jié)的叫韌帶連接。韌帶多呈膜狀、扁帶狀或束狀，由致密結(jié)締組織構(gòu)成。肉眼觀呈白色，有光澤，附著于骨的地方與骨膜編織在一起，很難剝除，有的韌帶由彈性結(jié)締組織構(gòu)成，肉眼觀呈淡黃色，叫做黃韌帶（如項(xiàng)韌帶）。一般的韌帶連接允許兩骨間有極微的動度。但有些骨與骨之間，兩直線緣相對或互以齒狀緣相嵌，中間有少量結(jié)締組織纖維穿入兩側(cè)的骨質(zhì)中，使連結(jié)極為緊密，叫做縫，如顱骨的冠狀縫和人字縫。,38,精制類,軟骨結(jié)合,相鄰兩骨之間以軟骨相連接叫軟骨結(jié)合。軟骨組織屬結(jié)締組織的一種，呈固態(tài)有彈性，由大量的軟骨細(xì)胞和間質(zhì)構(gòu)成，由于間質(zhì)的成分不同，又有透明軟骨、纖

13、維軟骨和彈力軟骨的區(qū)分。第一助骨連于胸骨的軟骨屬透明軟骨，而相鄰椎骨椎體之間的椎間盤則由纖維軟骨構(gòu)成。由于軟骨具有一定彈性，所以能做輕微的活動。有的軟骨結(jié)合保持終生，而大部分軟骨結(jié)合在發(fā)育過程中骨化變?yōu)楣墙Y(jié)合。,39,精制類,骨結(jié)合,由軟骨結(jié)合經(jīng)骨化演變而成，完全不能活動，如五塊骶椎以骨結(jié)合融為一塊骶骨。,40,精制類,關(guān)節(jié),盡管人體的關(guān)節(jié)有多種多樣，但其基本結(jié)構(gòu)不外有關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)腔。 1、 關(guān)節(jié)面：各骨相互接觸處的光滑面叫關(guān)節(jié)面。關(guān)節(jié)面為一層軟骨覆蓋稱關(guān)節(jié)軟骨。 2、 關(guān)節(jié)囊：由結(jié)締組織組成，它附著于關(guān)節(jié)面周圍的骨面上。可分為內(nèi)外兩層，外層為纖維層，由致密結(jié)締組織構(gòu)成；內(nèi)層為滑膜層，

14、由薄層疏松結(jié)締組織構(gòu)成，可分泌滑液，起到潤滑作用。 3、 關(guān)節(jié)腔：就是關(guān)節(jié)軟骨和關(guān)節(jié)囊間所密閉的腔隙。,41,精制類,第六節(jié) 骨的功能適應(yīng)性原理,Wolf定律：活體骨按其所受應(yīng)力而改變成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外部形態(tài)重建（內(nèi)部重建、表面重建）,42,精制類,第七節(jié) 骨折,不同受力形式下的骨折 拉伸力 壓縮力 彎曲力 扭轉(zhuǎn)力 復(fù)合力 外力作用性質(zhì)和骨折 靜力 沖擊力 交變載荷 骨折愈合的力學(xué)環(huán)境 骨痂愈合過程 直接骨愈合 接觸愈合 間隙愈合 影響骨折愈合的力學(xué)環(huán)境,43,精制類,不同受力形式下的骨折,不同受力形式下的骨折 拉伸力 壓縮力 常發(fā)生于脊柱，原因是破壞性的壓縮力 彎曲力 骨折常先發(fā)生于張應(yīng)力

15、一側(cè) 扭轉(zhuǎn)力 常見于長骨，骨折形狀表現(xiàn)為螺旋形 復(fù)合力,44,精制類,外力作用性質(zhì)和骨折,外力作用性質(zhì)和骨折 靜力 沖擊力 造成骨折的主要原因 交變載荷,45,精制類,骨折愈合的力學(xué)環(huán)境,骨折愈合的力學(xué)環(huán)境 骨痂愈合過程 直接骨愈合 接觸愈合 間隙愈合,46,精制類,骨痂愈合過程,固定穩(wěn)定性較差的骨折，在多個方向應(yīng)力刺激下，通過骨痂的形成和改建、塑形獲得骨折愈合。 階段： 炎癥期 修復(fù)期 改建塑形期,47,精制類,骨折修復(fù)期,1、血腫的形成：,血腫,軟組織損傷、血管破裂,骨折,巨噬細(xì)胞、血小板、血細(xì)胞,生化反應(yīng),毛細(xì)血管通透性,纖維蛋白原,不溶纖維蛋白素,凝血因子：凝血酶、血小板、 鈣,纖維網(wǎng)架,纖維細(xì)胞,膠原、骨基質(zhì),骨折處肉芽組織,入侵細(xì)胞、毛細(xì)血管增生 使血塊吸收，形成,收集入侵細(xì)胞,48,精制類,骨折修復(fù)期,2、纖維骨痂的形成：,肉芽組織,骨內(nèi)膜成骨細(xì)胞 骨髓內(nèi),軟骨質(zhì),骨小梁,骨外膜內(nèi)層骨細(xì)