關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性

關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性一、軟骨(cartilage)軟骨細(xì)胞軟骨組織基質(zhì)軟骨纖維軟骨膜膠原原纖維透明軟骨彈性纖維彈性軟骨膠原纖維纖維軟骨

特性：軟骨組織是一種固態(tài)結(jié)締組織，略有彈性，內(nèi)無血管、淋巴管和神經(jīng)。功能：支持、保護(hù)。分類：根據(jù)所含纖維的不同，軟骨可分為透明軟骨、纖維軟骨和彈性軟骨。(一)、透明軟骨(hyalinecartilage)分布關(guān)節(jié)、肋軟骨、呼吸道等部位。特點(diǎn)新鮮時(shí)呈透明狀，較脆，易折斷。

膠原原纖維透明軟骨（二）、纖維軟骨(fibrouscartilage)分布椎間盤、關(guān)節(jié)盤、恥骨聯(lián)合面等。結(jié)構(gòu)軟骨基質(zhì)內(nèi)膠原纖維豐富。肉眼觀察此類軟骨呈乳白色。膠原纖維纖維軟骨（三）彈性軟骨(elasticcartilage)分布耳廓、外耳道、咽鼓管、會(huì)厭等。結(jié)構(gòu)軟骨基質(zhì)內(nèi)彈性纖維豐富。肉眼觀察此類軟骨呈黃色。彈性纖維彈性軟骨11二、關(guān)節(jié)軟骨人體的關(guān)節(jié)分為纖維狀關(guān)節(jié)、軟骨質(zhì)關(guān)節(jié)和滑膜關(guān)節(jié)三種類型。其中，僅滑膜關(guān)節(jié)亦稱為動(dòng)關(guān)節(jié)，允許較大幅度的活動(dòng)。在正常年輕關(guān)節(jié)內(nèi)，動(dòng)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)骨末端覆蓋了一層厚1-6mm、致密且透明的白色結(jié)締組織，稱為透明關(guān)節(jié)軟骨。關(guān)節(jié)軟骨是一種十分特殊的組織，在一般人的壽命期內(nèi)都可以無損地承擔(dān)高負(fù)荷關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。12但從生理學(xué)的角度上看，關(guān)節(jié)軟骨實(shí)際上是一種孤立的組織，沒有單獨(dú)的血液和淋巴供應(yīng)。它主要依賴軟骨下骨組織提供軟骨下部近1/3的血供，其余依賴滑膜周圍毛細(xì)血管的滲入。2024/1/313動(dòng)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軟骨的功能其主要功能是：①分散壓力。關(guān)節(jié)軟骨受壓時(shí)提供較大的接觸面以降低其上的壓力②關(guān)節(jié)面做動(dòng)作時(shí)減少摩擦力，降低磨損。2024/1/314關(guān)節(jié)軟骨的組成成分關(guān)節(jié)軟骨層結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要圖解2024/1/315關(guān)節(jié)軟骨的組成成分

膠原纖維蛋白多糖軟骨細(xì)胞水分顯微鏡下的關(guān)節(jié)軟骨2024/1/316膠原纖維是體內(nèi)含量最豐富的蛋白。高度結(jié)構(gòu)性的組織，可形成最佳的力學(xué)性能。膠原為關(guān)節(jié)軟骨提供一種纖維狀超微結(jié)構(gòu)，這種膠原網(wǎng)和多水的糖蛋白一起，共同抵抗關(guān)節(jié)的應(yīng)力和應(yīng)變。2024/1/317蛋白多糖蛋白多糖是一種蛋白多糖大分子,由核心蛋白附著了一個(gè)或多個(gè)粘多糖（硫酸角質(zhì)素與硫酸軟骨素）組成。糖蛋白有一特殊部分與膠原密切相連，并把膠原纖維結(jié)合到一起。2024/1/318一個(gè)蛋白多糖大分子的簡(jiǎn)圖洗瓶刷模型2024/1/319軟骨細(xì)胞和水分軟骨細(xì)胞2024/1/320軟骨各成分間結(jié)構(gòu)上的相互作用硫酸軟骨素與硫酸角質(zhì)素鏈上相距很近的硫酸基和羧基團(tuán)離子在生理PH溶液中被拉開，留下了高濃度的固定負(fù)電荷產(chǎn)生分子內(nèi)與分子間的強(qiáng)電荷-電荷排斥力，使組織內(nèi)保持一種挺而伸展的狀態(tài)。當(dāng)軟骨面受力時(shí)，可發(fā)生瞬間變形，這主要是糖蛋白區(qū)的形狀改變所致，這種外加的應(yīng)力使軟骨基質(zhì)中的內(nèi)壓超過了膨脹壓，引起液體從組織中外流。2024/1/321軟骨各成分間結(jié)構(gòu)上的相互作用2024/1/322軟骨各成分間結(jié)構(gòu)上的相互作用2024/1/323關(guān)節(jié)軟骨的生物學(xué)性質(zhì)滲透性蠕變反應(yīng)潤(rùn)滑2024/1/324關(guān)節(jié)軟骨的生物學(xué)性質(zhì)滲透性表示液體流過多孔物質(zhì)的固體基質(zhì)時(shí)的摩擦阻力。滲透性越低，承載時(shí)液體流動(dòng)阻力越大。與普通海綿的滲透性相比，健康軟骨的滲透性是很小的。隨著壓力和變形的增加，健康關(guān)節(jié)軟骨的滲透性大大降低。因此，關(guān)節(jié)軟骨具有一個(gè)機(jī)械反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，阻止組織間液完全流出。2024/1/325軟骨的蠕變反應(yīng)

一個(gè)恒定的載荷瞬間施加于關(guān)節(jié)上，在載荷的作用下，軟骨的壓縮變形連續(xù)增加，直至獲得一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)或近似值，這就是“蠕變”。2024/1/326蠕變2024/1/327界面潤(rùn)滑潤(rùn)滑：界面潤(rùn)滑和液膜潤(rùn)滑界面潤(rùn)滑是依靠單層潤(rùn)滑劑分子化學(xué)吸附到接觸的固體面上。作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，承載面受到互相滑動(dòng)的潤(rùn)滑劑分子保護(hù)，防止因表面粗糙發(fā)生的粘合和磨損。液膜潤(rùn)滑是一薄層的液膜將表面與表面分開，加載時(shí)液膜內(nèi)產(chǎn)生壓力支持載荷。液膜潤(rùn)滑的兩種典型模型：工程學(xué)上定義為動(dòng)態(tài)流體與擠壓液膜潤(rùn)滑。這些模型應(yīng)用于剛性承載面由相對(duì)不變形材料組成，如不銹鋼。2024/1/328動(dòng)態(tài)流體動(dòng)態(tài)流體潤(rùn)滑常發(fā)生于液膜潤(rùn)滑的不平行的剛性承重表面，彼此相對(duì)切線運(yùn)動(dòng)（即彼此滑動(dòng)），間隙內(nèi)液體形成楔狀。由于承載運(yùn)動(dòng)吸引液體進(jìn)入表面間的楔狀間隙，流體粘性產(chǎn)生一個(gè)支撐力。2024/1/329擠壓液膜發(fā)生于承載表面彼此垂直運(yùn)動(dòng)，流體的粘性抵抗力起到阻止流體從間隙中溢出，且形成液膜，生成支撐力。在短時(shí)間內(nèi)，擠壓液膜機(jī)制足以承受高負(fù)載，但是，液膜最終會(huì)變得很薄，使得兩個(gè)承受面的凸起部分（定點(diǎn)）接觸。2024/1/330動(dòng)關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑作用機(jī)制軟骨的近似無摩擦屬性與人造材料不同。用于解釋剛性非滲透性材料（如鋼鐵）的潤(rùn)滑作用的經(jīng)典理論不能完全解釋動(dòng)關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑作用機(jī)制。例如，當(dāng)承受材料是非剛性的，而是相對(duì)柔軟的，如關(guān)節(jié)表面所覆蓋的關(guān)節(jié)軟骨，會(huì)產(chǎn)生液膜潤(rùn)滑的動(dòng)態(tài)流體滑膜模型與擠壓潤(rùn)滑模型的不同。2024/1/331相對(duì)柔軟的表面承受滑動(dòng)（動(dòng)態(tài)流體）或擠壓液膜作用，且液膜內(nèi)的壓力使得表面明顯變形，這時(shí)的銳化稱為彈性動(dòng)態(tài)流體潤(rùn)滑。這樣的潤(rùn)滑增大了表面面積和一致性，改善了膜的幾何性質(zhì)。承載接觸面積的增大減少潤(rùn)滑劑從承載面之間流走，形成持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的潤(rùn)滑劑膜，從而關(guān)節(jié)的應(yīng)力降低而更持久。2024/1/3322024/1/333軟骨變性的生物力學(xué)

關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)和再生能力有限，如果承受應(yīng)力太大，可能很快發(fā)生完全破壞。高接觸壓力會(huì)減少液膜潤(rùn)滑的可能性。固體表面凹凸不平點(diǎn)的接觸，可引起顯微應(yīng)力點(diǎn)的集中，使這些關(guān)節(jié)面材料發(fā)生磨損。關(guān)節(jié)總載荷頻率和數(shù)量的增加，可以解釋為什么某些職業(yè)的人員關(guān)節(jié)變性的發(fā)生率高。20