骨的力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)：彎曲與壓縮

骨的力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)：彎曲與壓縮《生物力學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院：實(shí)驗(yàn)人姓名:專業(yè):同組實(shí)驗(yàn)人姓名：日期： 室溫:年級(jí)：學(xué)號(hào)：相對(duì)濕度:骨的力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)：彎曲與壓縮［實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 了解熟悉材料彎曲、壓縮的測(cè)試條件、測(cè)試原理以及操作；2、 通過對(duì)骨頭的彎曲以及壓縮試驗(yàn)，進(jìn)一步了解骨頭材料的力學(xué)性能。［儀器用具］骨頭，游標(biāo)卡尺，鋼尺，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)，壓縮試驗(yàn)機(jī)［原理概述］骨的主要成分是有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽和水。在干骨中有機(jī)質(zhì)占重量的35%,無(wú)機(jī)鹽占65%,但在濕骨中，有機(jī)質(zhì)約占其重量的22%，無(wú)機(jī)鹽占46%，水占32%。骨內(nèi)的有機(jī)質(zhì)主要包括膠原纖維，無(wú)定形基質(zhì)和三種骨細(xì)胞。膠原纖維由膠原蛋白分子組成，占骨內(nèi)有機(jī)質(zhì)的90%。無(wú)定形基質(zhì)約占骨內(nèi)有機(jī)質(zhì)的10%，其主要成分為糖一蛋白質(zhì)復(fù)合物。骨內(nèi)有機(jī)物除了膠原纖維和無(wú)定形基質(zhì)以外，還有四種骨組織細(xì)胞:骨祖細(xì)胞、成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。這四種細(xì)胞在不同的生物力學(xué)環(huán)境中能相互轉(zhuǎn)化，互相配合而吸收舊骨質(zhì)，產(chǎn)生新骨質(zhì)。就密度而言，骨可以分為密質(zhì)骨和松質(zhì)骨，密質(zhì)骨和松質(zhì)骨是兩種疏松度差別很大的材料，所謂疏松度是指骨骼內(nèi)非礦化（非骨性）組織所占的比例。密質(zhì)骨的疏松度為5%~30%，而松質(zhì)骨則為30%~90%。兩者的力學(xué)性能差異很大。首先，密質(zhì)骨強(qiáng)度高，但變形能力差，變形超過2%就會(huì)產(chǎn)生斷裂；松質(zhì)骨強(qiáng)度低但變形可達(dá)7%左右，其次，由于松質(zhì)骨具有孔狀結(jié)構(gòu)，因而具有較高的能量?jī)?chǔ)存能力。松質(zhì)骨內(nèi)膠原纖維的排列雖然看似紛亂，但并非無(wú)序，它是根據(jù)主要的受力狀態(tài)沿著柱應(yīng)力的方向排列，形成優(yōu)化的受力結(jié)構(gòu)，以最少的材料承受最大的外部負(fù)載。密質(zhì)骨一般位于骨的外層，松質(zhì)骨位于骨的內(nèi)層。以長(zhǎng)骨為例，其骨干是一層厚壁而中空的圓柱體，中央的骨髓腔充滿骨髓，厚壁為密質(zhì)骨；長(zhǎng)骨的兩端主要由松質(zhì)骨組成，周圍附以由密質(zhì)骨構(gòu)成的薄層皮質(zhì)。骨是有生命的器官，這是它與其他工程材料相比的最大的特點(diǎn)。首先，骨的生長(zhǎng)、發(fā)育、再造和吸收與其力學(xué)環(huán)境密切相關(guān)。為了適應(yīng)不斷變化的力學(xué)環(huán)境，骨在不斷地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性改建和塑形。其次，骨的狀態(tài)影響其力學(xué)性質(zhì)，例如，新鮮骨經(jīng)過干燥、部分脫水后的干骨相比，拉伸、壓縮強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)都不同。干骨應(yīng)變達(dá)到0?4%—般就被破壞了，而新鮮骨的破壞應(yīng)變可達(dá)12%。骨與工程材料相比的第二個(gè)特點(diǎn)：骨是非均勻的、各向異性的復(fù)合材料，骨是由膠原纖維和羥基磷灰石組成的復(fù)合材料，表現(xiàn)出不均勻性和各向異性。骨所承受的外力來自于自身重力，即地球引力、肌群收縮力、肌張力、外力和各種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力等。骨的受力有以下幾種基本方式:拉伸力、壓縮力、剪切力、彎曲力、扭轉(zhuǎn)力以及復(fù)合受力方式。在本次試驗(yàn)中，主要是研究了骨在彎曲以及壓縮的受力方式下的力學(xué)性能。首先的是骨的彎曲試驗(yàn)，骨在與軸垂直方向上受力會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，骨的彎曲實(shí)驗(yàn)比軸向拉伸或壓縮以及剪切實(shí)驗(yàn)困難，因?yàn)樵趶澢鷷r(shí)的應(yīng)力有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，而且它們都是非均勻分布的。骨的彎曲實(shí)驗(yàn)分為整骨（長(zhǎng)骨）和試樣兩種。通過實(shí)驗(yàn)可測(cè)定骨承受彎曲時(shí)各橫截面上的正應(yīng)力分布、彎曲強(qiáng)度和撓度。對(duì)于長(zhǎng)骨的整骨彎曲實(shí)驗(yàn)，將骨簡(jiǎn)化為等厚的橢圓環(huán)行橫截面的直桿。實(shí)際上任何長(zhǎng)骨都木是直的，且橫截面的變化都很大，也不等厚；而且在彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí)，將伴隨著扭轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)中一般用骨水泥固定骨的兩端（邊界夾持），可以減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。由于骨是由密質(zhì)骨、松質(zhì)骨、血液、骨髓等物質(zhì)組成，因此，整骨彎曲實(shí)驗(yàn)只能反映整骨的抗彎力學(xué)性能。骨彎曲實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣的橫截面多為矩形，試樣長(zhǎng)和截面的高和寬的尺寸選取不一，長(zhǎng)度 10~80mm，寬度2.5~3?6mm，高1.2~2.5mm。實(shí)驗(yàn)條件和方法對(duì)測(cè)得的彎曲強(qiáng)度極限、最大撓度和彈性模量等有著不同程度的影響。用整骨實(shí)驗(yàn)和骨試樣實(shí)驗(yàn)測(cè)得的彎曲強(qiáng)度極限不同，例如對(duì)肱骨，整骨實(shí)驗(yàn)的彎曲強(qiáng)度極限為143?6MPa，而用試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為195MPa。標(biāo)準(zhǔn)試樣選自同一骨的不同部位，測(cè)得的彎曲強(qiáng)度也不同。試樣的方向性對(duì)彎曲強(qiáng)度也有較大的影響，平行于骨軸方向的試樣其彎曲強(qiáng)度顯著大于垂直于骨軸的試樣。整骨實(shí)驗(yàn)測(cè)得人體濕骨的彎曲力學(xué)性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彎曲破壞載荷以股骨最高，而且破壞發(fā)生在彎曲拉應(yīng)力一側(cè)；彎曲強(qiáng)度以尺、橈骨最高；彈性模量以股骨最高；最大撓度為腓骨，而在本實(shí)驗(yàn)中，所用材料為豬的肋骨。三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)是材料性能測(cè)試中常采用的一種方法,通過該方法可以方便的獲得材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。實(shí)驗(yàn)示意圖如下：

三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)示意圖壓縮實(shí)驗(yàn)的骨試樣較小，例如，長(zhǎng)方體試樣長(zhǎng)為5mm,橫截面為1mmx1.3mm。若是新鮮或濕骨試樣置于生理鹽水中，進(jìn)行拉伸或壓縮實(shí)驗(yàn)。壓縮力在骨內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變，骨受壓縮后縮短,壓應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。松質(zhì)骨的拉壓性能遠(yuǎn)差于密質(zhì)骨。骨的拉伸、壓縮力學(xué)性質(zhì)受到性別、年齡、取材、部位和方向、骨的狀態(tài)（干或濕骨）、加載速度等因素的影響，在某一范圍變化，且骨的抗拉強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度。骨的拉伸和壓縮力學(xué)性質(zhì)隨著年齡和性別的不同而不同。下圖是男女股骨和肱骨強(qiáng)度極限隨年齡的變化圖：從圖中可以看出，除女性15~19歲年齡組外，不同性別的骨骼的平均作用強(qiáng)度極限隨年齡增大顯著中山大學(xué)工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程減小（10%）,極限應(yīng)變顯著減?。?5%）。不同的骨骼，包括肱骨、尺骨、橈骨、股骨、脛骨和腓骨等，所表現(xiàn)的壓縮力學(xué)性質(zhì)是不同的。下表中是有關(guān)肱骨、尺骨、橈骨、股骨、脛骨和腓骨壓縮力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)值。性質(zhì)肱骨尺骨橈骨股骨脛骨腓骨壓極限強(qiáng)度（MPa）135117120170162125縮延伸率（%）1.902.002.001.801.902.10彈性模量（GPa）———17.9319.8214.73實(shí)驗(yàn)得出的人濕骨和干骨試樣壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，干骨切向和徑向壓縮強(qiáng)度極僅為63%和65%,而濕骨分別為82%和89%。濕骨和干骨的力學(xué)性質(zhì)不同。對(duì)于拉伸和壓縮強(qiáng)度特性、彈性模量以及硬度等，干骨均高于濕骨。骨頭的壓縮力學(xué)性質(zhì)與加載速率有關(guān)。當(dāng)拉伸實(shí)驗(yàn)中加載速度范圍變化不大時(shí)，骨的加載速度對(duì)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系影響不大，可以忽略不計(jì)。然而，如果加載速度足夠大，例如快速?zèng)_擊拉伸或者壓縮時(shí)，則其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系有明顯的變化。同上彎曲試驗(yàn)，本次的壓縮試驗(yàn)中也是用豬的肋骨作為實(shí)驗(yàn)材料。［實(shí)驗(yàn)步驟］彎曲試驗(yàn)：（1） 測(cè)量試樣中間部分的直徑d，測(cè)量三點(diǎn)取其算術(shù)平均值。（2） 根據(jù)試樣斷裂的負(fù)荷選擇負(fù)荷范圍。（3） 根據(jù)厚度選擇跨度、速度和壓頭。（4） 將試樣放于支座上固定，壓頭與試樣應(yīng)是線接觸，并保證與試樣寬度的接觸線垂直于試樣長(zhǎng)度方向。（5） 開動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)，自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括最大力，抗彎強(qiáng)度，彎曲彈性模量以及受力變化圖。壓縮試驗(yàn)：（1） 除非產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)另有規(guī)定，否則試樣應(yīng)按GB2918進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。（2） 沿試樣高度方向測(cè)量三處橫截面尺寸計(jì)算平均值。（3） 把試樣放在兩壓板之間，并使試樣中心線與兩壓板中心連線重合，確保試樣端面與壓板表面平行。調(diào)整實(shí)驗(yàn)機(jī)，使壓板表面恰好與試樣端面接觸，并把此時(shí)定為測(cè)定形變的零點(diǎn)。（4） 根據(jù)材料的規(guī)定調(diào)整實(shí)驗(yàn)速度。若沒有規(guī)定，則調(diào)整速度1mm/min。（5） 開動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)。［實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理］骨頭彎曲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：試驗(yàn)方案：金屬?gòu)澢W(xué)性能試驗(yàn)方法（三計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：GB/T

中山大學(xué)工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程 ,中山大學(xué)工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程 ,.“…「…一-八一…14452-93(三點(diǎn)彎曲)試樣形狀：板材試驗(yàn)時(shí)間「L50.266663試驗(yàn)速度：5mm/min試驗(yàn)日期：2013-11-2014:59:40跨距Ls：60mm 試樣寬度b：11.29mm試樣高度h：10.37mm最大力矩形試樣抗彎強(qiáng)度obb矩形試樣彎曲彈性模量Eb矩形試樣彎曲彈性模量EbNMPaMPaMPaW1439.52632.5821431.21731431.2173平均值439.52632.5821431.21731431.2173標(biāo)準(zhǔn)偏差(n)0.0000.0000.00000.0000

時(shí)論］在彎曲試驗(yàn)中，骨頭的彎曲彈性模量E為：1431?2173MPa，在受力范圍0~439?526N的范圍內(nèi)，忽略骨頭材料本身的不規(guī)則行所帶來的影響，可以認(rèn)為，骨頭材料收到的應(yīng)力一應(yīng)變成正比例分布,在此范圍內(nèi)，骨頭的彈性模量最大；在達(dá)到骨頭受力的最高點(diǎn)時(shí)，受力開始下降，這是由于骨頭材料開始出現(xiàn)斷裂的情況，直到后來受力的突然降低到0N,骨頭全部斷裂。由于骨頭材料本身的不規(guī)則形狀，使得骨頭尺寸的測(cè)量，骨頭位置的固定都會(huì)出現(xiàn)一定程度上的誤差，所以應(yīng)力一應(yīng)變曲線并非準(zhǔn)確的線性曲線，但是在誤差的范圍內(nèi)是允用的。其次，在骨頭壓縮實(shí)驗(yàn)中，骨頭材料的壓縮應(yīng)力一應(yīng)變圖并沒有像其他剛性材料的應(yīng)力一應(yīng)變圖那樣（