骨骼的力學(xué)特性[各行內(nèi)容]

1、第四節(jié) 骨骼的力學(xué)特性 丁浩1專項(xiàng)材料骨：連結(jié)形成骨骼，構(gòu)成人體支架，支持體重、 保護(hù)內(nèi)臟，并參與運(yùn)動(dòng)，充當(dāng)杠桿。l 對(duì)機(jī)體起支持運(yùn)動(dòng)和保護(hù)的作用l功能 紅骨髓是造血部位l 骨組織是機(jī)體鈣、磷的儲(chǔ)存庫2專項(xiàng)材料骨的分類骨的分類l成人有206塊骨l按部位分：l 顱骨l 軀干骨l 四肢骨中軸骨3專項(xiàng)材料按形狀分按形狀分l1.長骨長骨l 尺骨尺骨 掌骨掌骨 l2.短骨短骨l 腕骨腕骨 跗骨跗骨 l3.扁骨扁骨 l 顱顱 胸胸 盆部盆部 l4.不規(guī)則骨不規(guī)則骨 l 椎骨椎骨 聽小骨聽小骨4專項(xiàng)材料骨骨 的的 構(gòu)構(gòu) 造造 骨髓骨髓 骨質(zhì)骨質(zhì) 骨密質(zhì) 骨松質(zhì) 骨膜骨膜 血管、淋巴和神經(jīng)血管、淋巴和神經(jīng)紅骨

2、髓紅骨髓 黃骨髓黃骨髓 骨骨 骨膜骨膜骨髓骨髓骨密質(zhì)骨密質(zhì)骨松質(zhì)骨松質(zhì)骺線骺線外板外板 內(nèi)板內(nèi)板 板障板障 骨膜骨膜顱骨顱骨 骨密質(zhì)骨密質(zhì)骨松質(zhì)骨松質(zhì)- -板障板障 內(nèi)板內(nèi)板 外板外板5專項(xiàng)材料骨的化學(xué)成分和物理性質(zhì)骨的化學(xué)成分和物理性質(zhì) 有機(jī)質(zhì)：膠原纖維束和粘多糖蛋白等。有機(jī)質(zhì)：膠原纖維束和粘多糖蛋白等。 無機(jī)質(zhì)：堿性磷酸鈣等。無機(jī)質(zhì)：堿性磷酸鈣等。 煅燒骨煅燒骨 脫鈣骨脫鈣骨 6專項(xiàng)材料骨組織骨組織細(xì)胞細(xì)胞骨基質(zhì)骨基質(zhì)骨細(xì)胞骨細(xì)胞成骨細(xì)胞成骨細(xì)胞骨原細(xì)胞骨原細(xì)胞破骨細(xì)胞破骨細(xì)胞有機(jī)成分有機(jī)成分無機(jī)成分無機(jī)成分類骨質(zhì)類骨質(zhì)骨鹽骨鹽一、骨組織結(jié)構(gòu)(osseous tissue)7專項(xiàng)材料無定形

3、基質(zhì)無定形基質(zhì)膠原纖維膠原纖維成骨細(xì)胞分泌，包括大量膠原纖維成骨細(xì)胞分泌，包括大量膠原纖維（9595）及少量無定形基質(zhì)。）及少量無定形基質(zhì)。類骨質(zhì)類骨質(zhì) 凝膠狀，主要成分蛋白多糖、還含有凝膠狀，主要成分蛋白多糖、還含有骨鈣蛋白、骨鈣蛋白、骨橋蛋白骨橋蛋白、骨粘連蛋白。、骨粘連蛋白。粗大的膠原纖維束聚集。粗大的膠原纖維束聚集。 有機(jī)成分有機(jī)成分無機(jī)成分無機(jī)成分又稱又稱骨鹽骨鹽，主要為羥磷灰石結(jié)晶，沿，主要為羥磷灰石結(jié)晶，沿膠原原纖維長軸排列并與之結(jié)合。膠原原纖維長軸排列并與之結(jié)合。骨基質(zhì)（bone matrix） 骨基質(zhì)骨基質(zhì): : 又名骨質(zhì)。是又名骨質(zhì)。是鈣化的鈣化的細(xì)胞間質(zhì)，是人體細(xì)胞間質(zhì)，

4、是人體最大的最大的CaCa2+2+ 庫。庫。 8專項(xiàng)材料有機(jī)成分有機(jī)成分膠原纖維膠原纖維基質(zhì)：蛋白多糖及其復(fù)合物基質(zhì)：蛋白多糖及其復(fù)合物無機(jī)成分無機(jī)成分：羥磷灰石結(jié)晶（羥磷灰石結(jié)晶（Ca10PO4 6OH2)24%75%骨鹽骨鹽 90%類骨質(zhì)：類骨質(zhì)：最初形成時(shí)并無骨鹽沉積的骨基質(zhì)。最初形成時(shí)并無骨鹽沉積的骨基質(zhì)。9專項(xiàng)材料骨基質(zhì)呈板層狀排列稱為骨板，是骨基質(zhì)結(jié)構(gòu)骨基質(zhì)呈板層狀排列稱為骨板，是骨基質(zhì)結(jié)構(gòu)形式。同一骨板內(nèi)膠原纖維形式。同一骨板內(nèi)膠原纖維平行排列平行排列，相鄰骨，相鄰骨板間膠原纖維板間膠原纖維相互垂直相互垂直。10專項(xiàng)材料長骨結(jié)構(gòu)長骨結(jié)構(gòu)骨骺骨骺骨干骨干骨膜骨膜關(guān)節(jié)軟骨關(guān)節(jié)軟骨2.

5、長骨的結(jié)構(gòu)長骨的結(jié)構(gòu)骨髓骨髓11專項(xiàng)材料a. 密質(zhì)骨結(jié)構(gòu)密質(zhì)骨結(jié)構(gòu)骨干骨干環(huán)骨板環(huán)骨板(內(nèi)、外內(nèi)、外)哈弗斯系統(tǒng)哈弗斯系統(tǒng)(骨單位骨單位)間骨板間骨板哈弗斯骨板哈弗斯骨板中央管中央管12專項(xiàng)材料骨松質(zhì)骨松質(zhì)骨髓腔骨髓腔骨骨骺骺骨骨干干13專項(xiàng)材料骨外膜骨外膜(periosteum)外層外層：膠原纖維粗大密集膠原纖維粗大密集， 形成穿通纖維形成穿通纖維內(nèi)層內(nèi)層：富含小血管和細(xì)胞富含小血管和細(xì)胞 （骨原細(xì)胞骨原細(xì)胞） 骨內(nèi)膜：骨內(nèi)膜：(endosteum)富含血管神經(jīng)富含血管神經(jīng)，有骨原細(xì)胞有骨原細(xì)胞 骨膜的功能骨膜的功能 營養(yǎng)骨組織營養(yǎng)骨組織 為骨的生長和修復(fù)提供骨祖細(xì)胞。為骨的生長和修復(fù)提供骨

6、祖細(xì)胞。b.松質(zhì)骨：片狀或針狀骨板（小梁）松質(zhì)骨：片狀或針狀骨板（小梁）c.骨膜骨膜 DCT14專項(xiàng)材料3. 3. 骨的發(fā)生骨的發(fā)生( (一一) )、骨組織發(fā)生的基本過程、骨組織發(fā)生的基本過程1.1.骨組織的形成骨組織的形成 類骨質(zhì)類骨質(zhì)骨質(zhì)骨質(zhì) 骨祖細(xì)胞骨祖細(xì)胞成骨細(xì)胞成骨細(xì)胞分泌纖維及基質(zhì)，形成類分泌纖維及基質(zhì)，形成類骨質(zhì)骨質(zhì)鈣化形成骨質(zhì)鈣化形成骨質(zhì), ,成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌?xì)胞。成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌?xì)胞。2.2.骨組織的破壞骨組織的破壞15專項(xiàng)材料(二二)、骨發(fā)生的方式、骨發(fā)生的方式1、膜內(nèi)成骨、膜內(nèi)成骨(intramembranous ossification)間充質(zhì)間充質(zhì)胚胎性結(jié)胚胎性結(jié)締組

7、織膜締組織膜 骨骨（扁骨扁骨） 16專項(xiàng)材料2、軟骨內(nèi)成骨、軟骨內(nèi)成骨(endochondral ossification)間充質(zhì)間充質(zhì)透明軟透明軟骨雛形骨雛形骨骨（長骨和長骨和不規(guī)則骨不規(guī)則骨） (1).軟骨雛形形成軟骨雛形形成(2).骨領(lǐng)形成骨領(lǐng)形成(3).初級(jí)骨化中心與骨髓腔形成初級(jí)骨化中心與骨髓腔形成(4).次級(jí)骨化中心與骨骺形成次級(jí)骨化中心與骨骺形成17專項(xiàng)材料18專項(xiàng)材料( (三三) )、軟骨的進(jìn)一步生長、軟骨的進(jìn)一步生長1.1.骨的加長骨的加長 是通過骺板的不斷生長是通過骺板的不斷生長, ,并替換成骨組織實(shí)現(xiàn)的。并替換成骨組織實(shí)現(xiàn)的。2.2.骨的增粗骨的增粗 骨外膜中的骨祖細(xì)胞分

8、化為成骨細(xì)胞骨外膜中的骨祖細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞, ,在骨干表在骨干表面添加骨組織面添加骨組織, ,使骨干變粗。使骨干變粗。19專項(xiàng)材料 影響骨生長發(fā)育的因素影響骨生長發(fā)育的因素除除遺傳因素遺傳因素外，體內(nèi)的外，體內(nèi)的激素水平激素水平（生長（生長激素、甲狀腺激素、甲狀旁腺激素、降鈣素、激素、甲狀腺激素、甲狀旁腺激素、降鈣素、性激素等）、性激素等）、維生素含量維生素含量（維生素（維生素A A、D D、C C）及其他活性物質(zhì)及其他活性物質(zhì)（轉(zhuǎn)化生長因子、表皮生長（轉(zhuǎn)化生長因子、表皮生長因子、白細(xì)胞介素因子、白細(xì)胞介素1 1等）均不同程度地影響等）均不同程度地影響骨的生長發(fā)育。骨的生長發(fā)育。20專項(xiàng)材料

9、二、骨骼的力學(xué)特性二、骨骼的力學(xué)特性l（一）骨骼的載荷模式l1.拉伸l2.壓縮l3.彎曲l4.剪切l(wèi)5.扭轉(zhuǎn)l6.復(fù)合載荷21專項(xiàng)材料骨的應(yīng)力是指骨結(jié)構(gòu)受到外來載荷時(shí)其表面單位面積所受到的力。骨的應(yīng)變是指骨在外力作用下的局部形變，包括線性應(yīng)變和剪切應(yīng)變。 骨的應(yīng)力與應(yīng)變曲線（二）應(yīng)力對(duì)骨結(jié)構(gòu)的影響22專項(xiàng)材料v應(yīng)力較小時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在著一個(gè)線性關(guān)系，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，稱為彈性區(qū)。去除外部載荷移后，材料將恢復(fù)到原來的形狀，即不會(huì)造成永久形變。v載荷持續(xù)增加時(shí)，骨最外層某些部位就會(huì)發(fā)生屈服，即彈性區(qū)末端點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。屈服點(diǎn)以后的曲線則變成了非線性，

10、骨將產(chǎn)生永久變形，稱為塑性區(qū)。v載荷持續(xù)增加，骨組織的結(jié)構(gòu)體將在某個(gè)部位失效（骨折，圖中C點(diǎn)為斷裂點(diǎn)），對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為極限應(yīng)力（C）。23專項(xiàng)材料 在應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中的彈性區(qū)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變之間存在著一定的關(guān)系，即應(yīng)力/應(yīng)變是常數(shù)，此常數(shù)為材料的彈性模量或楊氏模量，其大小等于這段直線的斜率。彈性模量或楊氏模量大小表示了材料抵抗變形的能力，稱為剛度。 24專項(xiàng)材料 達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下面的面積表示導(dǎo)致骨折所需要的能量。一般骨在生理負(fù)荷范圍內(nèi)，骨產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)外力去除后，彈性區(qū)內(nèi)的能量能同時(shí)被骨釋放，使骨恢復(fù)原狀。但當(dāng)骨不斷受到外力作用時(shí)，其應(yīng)變能量不能被及時(shí)完全釋放，經(jīng)積累后可

11、能會(huì)損壞材料的結(jié)構(gòu)。25專項(xiàng)材料 骨的生長是破壞和重建兩個(gè)過程對(duì)立統(tǒng)一的結(jié)果。骨的塑形與重建是通過適應(yīng)力的作用，這種適應(yīng)性是按沃爾夫（Wolff）定律進(jìn)行的。 適宜的載荷對(duì)骨有積極的影響，但過載、過用或過度沖擊性載荷可引起骨損傷甚至骨折發(fā)生。 （三）機(jī)械應(yīng)力對(duì)骨生長的影響26專項(xiàng)材料 運(yùn)動(dòng)中，骨會(huì)反復(fù)受力，超過某一生理限度時(shí)使骨組織受到損傷，造成骨的損傷為疲勞性損傷。 在持續(xù)性緊張的骨骼肌運(yùn)動(dòng)中，首先引起骨骼肌疲勞，收縮能力降低，其結(jié)果是抵消作用于骨上的應(yīng)力的能力也減弱，導(dǎo)致對(duì)骨的作用力過大，骨結(jié)構(gòu)在反復(fù)的應(yīng)力刺激下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生骨折。（四）骨疲勞27專項(xiàng)材料持續(xù)劇烈運(yùn)動(dòng)持續(xù)劇烈運(yùn)動(dòng)/ /大強(qiáng)度勞動(dòng)大強(qiáng)度勞動(dòng)骨骼肌疲勞骨骼肌疲勞貯存能量能力下降貯存能量能力下降動(dòng)作結(jié)構(gòu)特征改變動(dòng)作結(jié)構(gòu)特征改變骨受載荷異常骨受載荷異常應(yīng)力分布改變應(yīng)力分布改變高拉伸高拉伸復(fù)復(fù) 合合高壓縮高壓縮斜行骨折斜行骨折斜行裂紋斜行裂紋橫行骨折橫行骨折橫向裂紋橫向裂紋28專項(xiàng)材