生物力學骨力學

1、骨力學,第四章,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,Galileo 發(fā)現(xiàn)加載與骨形態(tài)的關系1834 Bell 骨可以使盡可能少的材料承擔載荷 Ward 增加壓縮載荷，可增加骨形成 Ludwig 重力、肌力對維持骨質(zhì)量的必要性1862德國學者 加壓對骨生長的影響1867瑞士學者 骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)與承載大小、 方向有關 Wollf 《骨轉(zhuǎn)化定律》

2、,一、骨力學研究方面的簡史：,第一節(jié) 引言,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,二、骨力學的研究內(nèi)容和涉及的幾個問題,1.骨結(jié)構(gòu)研究,3.骨的應力適應性,2.應力-應變研究,4.骨折治療研究,(骨的生長與斷裂）,（骨功能適應性理論）,（骨的力學性質(zhì)）,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,（引言）,本構(gòu)曲線 影響因素,微觀結(jié)構(gòu) 宏觀力學性質(zhì),生長理論 斷裂類型,*5.脊柱生物力學,*6.關

3、節(jié)生物力學,*7.骨骼肌力學,*8.顱腦損傷力學,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,三、骨力學的四個基本概念,1.骨強度：,2.骨剛度：,生物材料或非生物材料組成的構(gòu)件抵抗破壞的能力,生物材料或非生物材料組成的構(gòu)件抵抗變形的能力,斷裂或過大的塑性變形,彈性變形的允許限度,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,3.骨韌性：,4.骨穩(wěn)定性：,生物材料或非生物材料組成的構(gòu)件 在外力作用下發(fā)生斷裂前

4、所能達到 的最大變形程度,生物材料或非生物材料組成的構(gòu)件保持其原有平衡形態(tài)的能力,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,四、骨的基本知識（功能 形態(tài) 結(jié)構(gòu) 組織成分）,骨是一個有生命的器官 ——骨中有血液循環(huán),機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨是一個能運動的器官 ——通過關節(jié)肌肉承受外力,骨是一個良好適應性材料,——能再生和能自我修復,骨是一個粘彈性材料,——即

5、具有彈性又具有粘性,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,（一）骨功能：,一方面：組成骨骼系統(tǒng),另一方面：調(diào)節(jié)血液的電解質(zhì)濃度,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,提供對動物體的支撐維持人體的正常形態(tài)使肌肉附著帶動肢體運動作用保護內(nèi)臟器官、顱腔,調(diào)節(jié)鈣離子、氫離子、磷酸氫根離子的濃度保持體內(nèi)礦物質(zhì)的動態(tài)平衡即骨髓的造血、鈣磷的儲存與代謝,（二）骨形態(tài)：,機動 目錄 上頁 下頁

6、 返回 結(jié)束,按其形狀可分為：,人體共有206塊骨，依所在部位可分為:顱骨、軀干骨和四肢骨。,長骨，呈管狀 如脛骨、股骨；短骨，類正方體 承壓有能動 如腕骨、跗骨；扁骨，呈板狀 如顱骨中的枕骨、頂骨；不規(guī)則骨，如椎骨。,這些形狀不同的骨，是長期自然演變的結(jié)果，它符合最優(yōu)化原則，即用最小的結(jié)構(gòu)材料承受最大的外力，同時還具有良好的功能適應性。,1、骨的微觀結(jié)構(gòu),哈佛管： 內(nèi)含神經(jīng)和血管。板層骨：

7、 包繞在管的周圍。,（三）骨結(jié)構(gòu)：,在顯微鏡下，構(gòu)成骨的基本結(jié)構(gòu)單位稱之為骨單位，即哈佛氏系統(tǒng)。,骨的構(gòu)造,2、骨的宏觀結(jié)構(gòu) 骨分為密質(zhì)骨和松質(zhì)骨密質(zhì)骨一般位于骨的外層松質(zhì)骨位于骨的內(nèi)層，由骨小梁形成篩狀結(jié)構(gòu)，小梁之間的空隙充滿了紅骨髓。,密質(zhì)骨的骨小體的板層結(jié)構(gòu),松質(zhì)骨的骨小梁的桁架結(jié)構(gòu),密質(zhì)骨,松質(zhì)骨,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨質(zhì)致密堅硬（疏松度為5—30%）,骨板排列規(guī)整結(jié)合緊密 僅

8、留下一些部位作為血管和神經(jīng)的通道,表面積相對小,……松 軟（疏松度為30—90%）,……排列呈蜂窩網(wǎng)狀 網(wǎng)孔內(nèi)充滿骨髓血管神經(jīng),……巨大,強度高變形能力差（變形超過2%會斷裂）,強度低應變能力好（變形可達7%左右）,,,松質(zhì)骨:松質(zhì)骨具有多孔結(jié)構(gòu)，因而有較高的能量 儲存能力。松質(zhì)骨內(nèi)膠原纖維的排列看似是紛亂的， 但它并非無序，它是根據(jù)主要的受力狀態(tài) 沿著主應力的方向排列，形成最優(yōu)的受力 結(jié)構(gòu)，即用最少的材料承受最大

9、的外部 載荷。,,松質(zhì)骨骨小梁,（四）骨的成分,,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨是由骨組織、骨膜和骨髓等構(gòu)成的骨組織是骨的結(jié)構(gòu)主體由細胞和鈣化的細胞外基質(zhì)及纖維組成其特點是細胞外基質(zhì)有大量的骨鹽沉積還有部分有機質(zhì)，使骨組織成為人體最堅硬的而又有一定韌性的結(jié)締組織,,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,,骨細胞 ：骨原細胞 成骨細胞 骨細胞 破骨細胞（骨細胞最多，位于骨基質(zhì)內(nèi)，

10、其余三種細胞均位于骨組織的邊緣）骨基質(zhì)： 大量鈣化的細胞間質(zhì) 。（基質(zhì)含有大量的固體無機鹽——羥基磷灰石晶體71.8%，有機質(zhì)——粘多糖蛋白28.2%） 骨纖維： 骨膠原纖維（分層 交叉）,1、骨基質(zhì) 鈣化的骨組織的細胞外基質(zhì)。包括有機成份和無機成份,含水極少。,有機質(zhì)：膠原纖維（主要由Ⅰ型膠原蛋白構(gòu)成）無定形基質(zhì)（蛋白多糖及其復合物）無機鹽：羥磷灰石 （3Ca3（PO4）2Ca（OH）2 ）,,●

11、羥磷灰石是針狀結(jié)晶體，長約200A，橫截面面積為2500A。晶體是沿著膠原纖維長度方向排列的。非常堅硬,沿軸向的彈性模量為165GPa,與鋼的彈性模量200GPa相近。●膠原纖維不嚴格遵守胡克定律，其縱向彈性模量為1.24GPa。膠原纖維具有韌性和柔軟性，因此可以抵抗拉伸，并具有部分可延展性。,可見骨是由膠原纖維和羥磷灰石組成的復合材料，它具有優(yōu)異的力學性能。因為： 柔韌的膠原可阻止硬材料的脆性斷裂，而堅硬的骨鹽又可阻止軟

12、材料的屈服。,無機鹽等礦物質(zhì)產(chǎn)生位移少膠原纖維等有機成分組織中充滿液體承擔較大變形,鋼筋混泥土結(jié)構(gòu),,從力學角度講，骨組織是一種雙相的的復合材料，一相為無機物，另一相為膠原和無定形基質(zhì)，當堅固的脆性材料嵌入另一種力度較弱但柔韌性強的材料中后，復合材料的性能比其中任何一種單純材料更加堅韌。,2、 四種骨細胞骨祖細胞 成骨細胞 骨細胞 破骨細胞,四種細胞在不同的生物力學環(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)。,,（1）

13、骨祖細胞：骨組織的干細胞，位于骨膜內(nèi)，體積小，呈梭形，弱嗜堿性?？煞只蔀槌晒羌毎统绍浌羌毎７只较蛉Q于所處的部位和所受的刺激性質(zhì)。例如，當骨生長、改建或骨折修復時，骨祖細胞活躍，不斷分裂、分化為成骨細胞。,⑵成骨細胞：分布于骨組織表面，胞體有細小突起，矮柱狀或橢圓形，胞質(zhì)嗜堿性。電鏡下可見大量的和高爾基復合體。成骨細胞合成和分泌骨基質(zhì)的有機成分，形成類骨質(zhì)。成骨時，成骨細胞還釋放基質(zhì)小泡。泡內(nèi)有細小的鈣化結(jié)晶，是鈣化

14、的起始部位。成骨細胞分泌類骨質(zhì)后被包埋于其中，便成為骨細胞。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,其數(shù)量、形狀、合成分泌功能受應力環(huán)境影響，如應力的性質(zhì)、大小、頻率等，它還受年齡、遺傳、疾病、內(nèi)分泌的影響。在良好的力學環(huán)境下。成骨細胞數(shù)量增加，胞體增大，合成分泌功能明顯增強，因此可以加速骨折愈合，使骨密度增加，剛度明顯增加。在有害應力或低應力環(huán)境下，骨折愈合遲緩，甚至不愈合，骨質(zhì)疏松，強度下降。,*成骨細胞是其中

15、重要的感受與效應細胞。力離子通道、G蛋白與酪氨酸激酶、整合素受體與細胞骨架等多種途徑，感受體內(nèi)外力學刺激，并將力學刺激信號轉(zhuǎn)化為細胞生物化學信號，介導力相關敏感基因表達，合成各種酶類等活性物質(zhì)，激活信號網(wǎng)絡級聯(lián)反應，參與一系列復雜的生理病理活動。,位于骨板內(nèi)或骨板間，胞體較小，有許多細長突起，胞體呈扁橢圓形。胞體所在的腔隙陷窩；突起所在的腔隙稱骨小管。骨細胞的結(jié)構(gòu)和功能與其成熟度有關。剛轉(zhuǎn)變的骨細胞與成骨細胞相似，仍能產(chǎn)生類骨質(zhì)。隨

16、著類骨質(zhì)逐漸鈣化為骨質(zhì)，細胞逐漸變?yōu)槌墒斓墓羌毎ｓw積變小，減少，突起延長，相鄰骨細胞的突起以相連，骨小管彼此相通。骨陷窩和骨小管內(nèi)含有少量組織液。骨細胞具有一定的溶骨和成骨作用，參與調(diào)節(jié)鈣、磷平衡。成骨細胞產(chǎn)生類骨質(zhì)后，自身被包埋其中，分泌能力逐漸減弱，轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌毎?機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,（3）骨細胞：,⑷破骨細胞：數(shù)量少，主要分布于骨組織的邊緣，是一種的大細胞，直徑30~100μm，含有6~5

17、0個核。目前認為它由多個融合而成，無分裂能力。胞質(zhì)為嗜酸性，細胞器豐富，尤以和線粒體居多。功能活躍的破骨細胞有明顯的極性，光鏡下可見破骨細胞貼近骨基質(zhì)的一側(cè)有皺褶緣。電鏡下呈許多大小和長短不一的突起。胞質(zhì)內(nèi)含多種水解酶和有機酸，溶解骨鹽，分解骨有機成分。表明破骨細胞具有很強的溶骨和吸收能力。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,吞噬和分解非受力骨組織和壞死骨組織。合成并分泌溶膠原酶，對失去應力的膠原進行溶解；

18、合成分泌多種水解酶,對羥基磷灰石進行水解破壞；其形狀、數(shù)量和合成功能受應力環(huán)境影響，在低應力區(qū)，破骨骨細胞數(shù)量增加，體積變大，骨組織以破壞、吸收為主，骨質(zhì)疏松，強度、剛度降低。,總之：正常骨骼處于一個吸收與生長重建的連續(xù)過程成骨細胞與破骨細胞的生理活性保持著動態(tài)平衡機械力學刺激是必不可少的條件之一,五、骨的粘彈性,實驗：,（骨加鹽酸）脫鈣骨——,（脫鈣骨燃燒）骨炭——,骨外形保留,堅固性脫去,富彈性柔韌性,骨外形保留,堅固性脫去

19、,彈性柔韌性脫去,,,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,得出模量隨應變率的變化而變化的時變性,（骨是一個粘彈性材料）,得出彈性、粘性的雙重性,六、骨的各向異性,物質(zhì)成分,結(jié)構(gòu),,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,復合材料的力學性質(zhì)（模量 極限應力應變 粘彈性等）,七、骨的管形結(jié)構(gòu) （以長骨為例）,截面,外形,,八、骨的均勻強度分布（密度分布于應力分布相適應）,強度大,重量輕,,結(jié)構(gòu)強度=比強度

20、 結(jié)構(gòu)模量=比模量,（介紹）骨傷生物力學在我國的發(fā)展,骨傷生物力學---根據(jù)人體構(gòu)件的解剖特征和力學性質(zhì)，用力學原理和方法研究骨折、脫位、矯形、移植及各種急慢性軟組織損傷等病因、病理、治療及愈合機理的科學。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,（介紹）骨傷生物力學研究內(nèi)容,骨的力學性質(zhì) 肌肉、肌腱、韌帶、腱鞘、滑囊力學性質(zhì) 尋找環(huán)境效應對生物組織的影響 骨折的病因、病理、治療 骨矯形、延長、移植的手術療

21、法 骨重建的反饋機理及骨生長的人為控制 傷筋與骨錯縫的研究 骨缺血壞死問題、骨性關節(jié)炎問題 現(xiàn)行骨傷療法的改進和完善,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,,第二節(jié) 骨的基本力學性質(zhì),機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,一、骨的應力應變關系 （一）曲線：拉壓力學性質(zhì)(為例）,對比低碳鋼、合金鋼、鑄鐵,低碳鋼,合金鋼,骨,鑄鐵,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,（各段都

22、有）,（無cd段）,（無oa cd ef段）,（無cd ef段）,1、拉伸,例如：其他材料的拉伸,低碳鋼,合金鋼,硬鋁,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨、金屬和玻璃的力學性質(zhì)比較,三種材料的應力-應變曲線,由韌性材料組成的結(jié)構(gòu)體的載荷-形變曲線,,強度,剛度,能量積累,脆性,密質(zhì)骨在拉伸實驗中的應力-應變曲線,因此，工程學方法可以應用于分析骨的力學性能。目前，骨實驗生物力學的測試技術為萬能實驗機測量法、電測法和

23、光測法。,與其它生物材料相比，如肌肉、血管，骨的性能，如應力—應變關系等，更接近工程材料。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,2、壓縮,低碳鋼屬展性材料,屈服段前——拉伸與壓縮的本構(gòu)曲線重合屈服段后——得不到壓縮強度,,骨屬脆性材料，壓縮與拉伸時有較大差別,抗壓強度大極限應變大彈性模量小,,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,剪切力學特性扭轉(zhuǎn)力學特性彎曲力學特性,,略,結(jié)論：,骨的抗壓

24、強度遠大于抗拉強度,骨的抗拉強度略大于抗切強度,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,（二）力學指標：（總結(jié)）,剛度：,屈服應力：骨單元分離 細微骨折,極限強度：,極限應變：,能量損耗：,直線段——斜率,曲線段——割線模量、微分模量,平線段——直接讀,曲線段——殘余應變的20%法,直接讀,直接讀,滯后環(huán)面積,,長度延伸率,截面收縮率,展性與脆性：,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,殘余應變：,

25、直接讀,二、各種影響骨力學性質(zhì)的因素,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,說明：①不同骨骼的力學性質(zhì)會有所不同 ②相同骨骼拉、壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲的力學性質(zhì)也會有所不同,骨的力學性質(zhì)受到性別、年齡、取材部位和方向、骨的狀態(tài)（干骨或濕骨）、加載速度等因素的影響，會在某一范圍變化。,（一）骨的各向異性及解剖部位的差異,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨是由膠原纖維和羥基磷灰石組成的復合材料

26、，表現(xiàn)出非均勻性和各向異性。在不同部位，即使在同一部位的不同方向，骨的力學性能都有很大的差別。,1、解剖部位：,長骨的管狀部位及常受力部位——,非均勻性,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨強度最高彈性模量最大,例如 無機鹽針狀晶體抗壓骨膠原纖維抗拉,2、各向異性：,沿骨軸線方向 ——,各向異性,,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨強度最高彈性模量最大極限應變最高,例如 縱向排列

27、的纖維較多可提高骨的拉伸強度橫向排列的纖維較多可提高骨的壓縮強度,人股骨干密質(zhì)骨四個方向加載實驗,約為1,約為4/5,約為1/2,約為1/5,（二）骨的干濕度,干骨,濕骨,含水量不同,干骨比濕骨 ——,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨強度高彈性模量大極限應變小能量儲存少,①孔隙度的多少,密質(zhì)骨比松質(zhì)骨 ——,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨強度高彈性模量大極限應變小能量儲

28、存少,區(qū)分骨的腔隙與固體基質(zhì),區(qū)分固體基質(zhì)中的無機和有機成分,②礦化率的大小,隨著孔隙度的增加，骨強度和骨剛度下降。,隨著礦化率的增加，骨強度和骨剛度上升。,表面密度不同,（三）骨的松密質(zhì),,密質(zhì)骨松質(zhì)骨壓縮實驗中的應力-應變關系,（四）性別和年齡（職業(yè)、經(jīng)歷、遺傳、營養(yǎng)）,（15到19歲女性除外）,隨年齡的增加 ——,1、年齡：,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨強度下降（明顯）彈性模量減小極限應變降低（

29、橫向比縱向下降明顯）,年齡相關性骨退化性 隨著年齡的增加，骨密度會發(fā)生進行性降低，縱向骨小梁變細，橫向骨小梁被吸收。隨之的結(jié)果就是松質(zhì)骨的數(shù)量顯著下降和皮質(zhì)骨變薄。,,年輕,年長,骨量、年齡和性別之間的關系,2、性別：,（15到19歲女性除外）,更年期后男性力學參數(shù)下降比女性明顯,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,更年期前女性力學參數(shù)下降比男性明顯,無論男性女性 ——,骨強度下降（明顯）彈性模量減小極限

30、應變降低（橫向比縱向明顯）,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,生化成分和顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,礦化增加 膠原老化,繼發(fā)骨單位的數(shù)量有關,哈弗系統(tǒng)的數(shù)量及平均直徑的增加導致骨小體數(shù)目減少孔隙度增加骨小梁數(shù)目減少斷裂增加,年齡相關的骨量丟失取決于很多因素，如年齡、性別、內(nèi)分泌異常、活動減少、費用和鈣不足等。,拉伸實驗中年輕人和老年人脛骨的應力-應變曲線,兩者的骨強度相近,但是老年人骨脆性更大，失去了形變能力。,(五

31、）運動負荷的影響,1、加載速率----單位時間內(nèi)載荷的增長量。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨反復受較大載荷作用次數(shù)多可使骨強度骨剛度骨極限應變逐漸喪失引起疲勞骨折,顯微損傷的積累結(jié)果纖維損傷增加快于修復過程,加載速率與塑性變形傳播速率比較,骨的疲勞性能 人在不斷的運動的過程中，骨會反復受力，當這種反復作用的力超過某一生理限度時會使骨組織受到損傷，這種循環(huán)載荷下造成骨的損傷為疲勞損傷。,疲勞曲線顯

32、示載荷與載荷反復次數(shù)之間的相互作用,許多研究者試圖用數(shù)學關系來表達疲勞壽命N與載荷(應力σ)、密度(ρ)、溫度(T)等因素之間的關系。 logN = Aσ+B， A、B為常數(shù) LogN = Aρ+B， A、B為常數(shù) Log(2N) = Alogσ+ BT + C Log(2N) = ALogσ+ BT + Cρ + D該式表明，疲勞壽命隨負荷增加而減小，隨溫度升高亦減小，而隨密度的增加而增加。,骨的疲勞

33、過程不僅僅受到載荷強度和反復次數(shù)的影響，還受到載荷頻率的影響。 體內(nèi)骨具有自我修復能力，只有在骨重建不足以彌補骨疲勞損傷才發(fā)生骨折。,在一般情況下，如果因疲勞而使骨產(chǎn)生細小裂紋時,由于活體骨骼具有自我修復能力,因而活骨的疲勞壽命要比尸骨長，從而保證人體可以長期運動和反復受力。但是這種自行修復的能力也是有一定限度的，過度的疲勞導致永久性的損傷。,疲勞骨折往往發(fā)生在持續(xù)過度活動的部位，這種持續(xù)過度活動使肌肉疲勞，收縮乏力，導致它們

34、積累能量的能力和抵消應力的能力大大減弱。隨之發(fā)生的骨應力分布變化使骨受到的應力異常增高，疲勞損傷逐漸積累，最終導致骨折。,加載應變速率與塑性變形傳播速率比較,靜載荷,動載荷,隨加載速率的增加骨強度增大；彈性模量增大；極限應變升高；能量儲存多。,隨加載速率的增加骨強度增大；彈性模量增大；極限應變降低；能量儲存少。,手型記憶,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,2、應變速率----單位時間內(nèi)應變的改變量。

35、,未成年骨：通過塑形和改建共同完成,成年骨：主要是保持骨的力學性質(zhì),發(fā)育的不同階段應變率大小與骨量增加關系不一致,3s-1,在體內(nèi)，應變每天都發(fā)生著相當大的變化。,五種應變率下皮質(zhì)骨的應變率依賴性,骨的應變率依賴性 骨是一種粘彈性材料，它的力學性能隨受到的加載速率的變化而發(fā)生改變。加載于骨的載荷速率越高，骨在骨折前表現(xiàn)的剛度就越高，能承受的載荷也就越高。,在臨床上，了解加載速度是非常重要的。因為它能影響骨折方式和軟組織損傷數(shù)量。

36、,當骨折發(fā)生時，它積累的能量就會釋放。 加載速度低，能量通過單一形式的骨折線，骨和軟組織相對保持完整，此時骨折端沒有或發(fā)生很小的位移。 加載速度較高時，更多的積累能量不能夠通過單一骨折線很快釋放，會發(fā)生粉碎性骨折和廣泛性軟組織損傷。,（六）應力集中,圓孔 溝橫 切口 細紋等,應力集中系數(shù)：,應力不再均勻分布，有破損的局部應力最大。,應力集中使骨強度降低。,機動 目錄 上頁 下頁 返回

37、結(jié)束,*骨的斷裂韌性 是指某種材料阻止裂紋擴展的能力，一般用它描述材料抵抗脆性破壞的能力。 骨經(jīng)常會因受到某種損傷或內(nèi)在的缺陷而存在小的裂紋，此時必須要考慮這種裂紋對骨材料強度的影響以及骨材料所具有的抗裂能力，因而引進骨的斷裂韌性這—力學參數(shù)。,由于骨內(nèi)骨質(zhì)分布的非均勻性以及骨內(nèi)存在著孔洞、缺陷和裂紋等，使得對骨斷裂韌性的研究更為困難和復雜，同時也降低了骨的斷裂韌性。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)

38、束,7.骨的受沖擊性能 (1) 骨在沖擊載荷作用下產(chǎn)生損傷的程度和損傷的形式，一方面取決于沖擊載荷具有的能量大小，另一方面還要取決于沖擊載荷的作用時間。,,沖擊能量越大，沖擊時間越短，造成骨的損傷程度越大。,例：當—顆高速飛行的子彈打人頭顱中去時，盡管子彈具有很大的動能，但在穿入骨中去的過程中能量大量被吸收，其結(jié)果只將骨打穿一個洞而不產(chǎn)生骨折。 但是用一鈍器猛擊頭部卻使顱骨破碎，這是因為在顱骨表面沖擊時間很短，沖擊能量來不及被吸

39、收所致。,(2)骨承受沖擊能力的大小與骨的結(jié)構(gòu)關系密切 進行沖擊實驗比較，發(fā)現(xiàn)頭顱骨耐沖擊能力要比長骨高40% 左右。原因：一方面在于顱骨為扁骨，內(nèi)外表面是密質(zhì)骨骨板，中間一層海綿骨，具有吸收沖擊能的作用。 另一方面顱骨呈薄殼狀結(jié)構(gòu)，具有良好的承受外部載荷的能力。,對于活體中的骨，耐沖擊能力還應考慮到骨周圍的肌肉、皮膚、內(nèi)臟器官組織等的影響，在進行實驗時應盡可能模擬真實情況以便獲得較為客觀的數(shù)據(jù)。,作業(yè)：設計實驗,

40、1.說明骨的力學性質(zhì)是各向異性的,2. 藥物對骨質(zhì)疏松癥的治療作用,3. 推薦兩套康復計劃，試評價其效果,取材：,分組：,方法：測量哪些物理量、怎么測量,實驗結(jié)果的表達：,實驗目的：,骨的力學性質(zhì)及各種因素的影響,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨與其他工程材料相比：,骨是一個有生命的器官,骨是一個粘彈性材料,骨是一個運動的器官,骨是一個良好適應性材料,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,第三

41、節(jié) 骨功能適應性理論,骨與其它工程材料相比其最大的特點是:具有豐富的血供和良好的自我修復重建的能力。（功能適應性）,骨的改變（生長、增值、吸收、萎縮）受(遺傳、激素活性、載荷）三種因素的控制,這主要體現(xiàn)于它的結(jié)構(gòu)、成分和性能隨著力學環(huán)境的改變而改變。 （幾何特征 力學特征 組成成分）（粘彈性 各向異性 管形結(jié)構(gòu) 均勻強度分布）,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,如宇航失重和長期臥床、肢體制動的人員均可

42、導致骨密度、骨鈣含量、骨基質(zhì)蛋白、骨形成速度的降低。,例如：應力對骨的生長、吸收起著調(diào)節(jié)作用，每一塊骨都對應一個最適宜的應力范圍，應力過高、過低都會造成骨密度的改變導致萎縮。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,一、Wolff定律,德國醫(yī)學博士 Wolff 1892年 提出關于骨變化定律：,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨功能的每一改變，都有與數(shù)學法則一致的確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)的變化。

43、,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,Roux 骨生長的最小-最大原理—— 松質(zhì)骨的桁架結(jié)構(gòu) （Kummer根據(jù)上原理算出了股骨頭三維桁架結(jié)構(gòu)）（Hayes據(jù)髕骨應力分析和實驗表明骨小梁結(jié)構(gòu)確是按最小正應力法線方向排列的）,理論基礎：最小的結(jié)構(gòu)材料，承受最大的外力。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,Evans 壓力能刺激新生骨的生長理論——

44、 骨折愈合的重要因素 （Pauwels 對上原理做了理論證明）,理論基礎：骨是壓電晶體,最完美的幾何結(jié)構(gòu)（外部和內(nèi)部）,最合理的組成成分（有機物和無機物）,最具說服力的力學指標（強度、剛度和密度）,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,目標：優(yōu)化設計原則,說明：,骨功能適應性理論是對多種功能而言的，符合綜合優(yōu)化設計原則。,機體可能通過四種方式對載荷做出動態(tài)響應,（骨細胞 骨膠原 骨礦物質(zhì) 骨細胞外

45、液）,圖,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,Wolff定律的反饋機制：,Wolff定律可能的作用方式,二、骨的功能適應性,1、遺傳,2、激素活性,生長素——加快細胞分裂，加速次級過程。,腎上腺皮質(zhì)激素——……,內(nèi)分泌素——……,雌性激素——……,維生素A C D——……,降鈣素——……,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨功能適應性：骨有使其形態(tài)結(jié)構(gòu)、組成成分及力學性質(zhì)適應于其載荷環(huán)境變化的本

46、領。,3、載荷,骨的重建：定義——活體骨不斷地進行著生長、加強、再吸收的過程。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,條件——施加應力與骨組織所習慣的應力不同時骨將重建。,分成——內(nèi)部重建 表面重建,表面重建：指的是在骨的外表面上骨材料的再吸收或沉積。,內(nèi)部重建：指的是通過改變骨組織的體積密度時骨組織內(nèi)部的再吸收或加強。,①幾何特征上的適應,外部：,凸起 表面積增大 體積增大,凹進 表面積減小 體積減小,機

47、動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,（以股骨為例）,股骨要承受向內(nèi)側(cè)彎曲與壓縮負荷的作用,最大壓應力出現(xiàn)在截面內(nèi)側(cè),最大拉應力出現(xiàn)在截面外側(cè),截面前后為中性層通過低應力區(qū),桿類彎曲梁…,截面類工字型…,骨干殼形結(jié)構(gòu)…,圖,內(nèi)部：,排列有序度增加 數(shù)目增多 厚度增加,排列有序度減弱 數(shù)目減少 厚度減小,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨小梁的桁架結(jié)構(gòu)，排列的有序、數(shù)目適中…,骨小體的板層結(jié)

48、構(gòu)，排列的有序、數(shù)目適中…,圖,②力學指標上的適應,強度：,密度：,強度、密度與應力的分布有很好的一致性。,強度與密度的分布有不完全一致性。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,圖,強度增加 密度增大,強度減弱 密度減小,③組成成分上的適應,無機物：,有機質(zhì)：,孔隙度減少 X光片透過率減弱,孔隙度增多 X光片透過率增強,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,例如 干骨橫斷面上每平方毫米骨單元平均

49、數(shù)16.39（外）14.7（內(nèi)）12.6（前）12.1（后）,圖,廢用和活動減少狀態(tài)對骨骼是有害的。,正常組和制動組獼猴腰椎載荷－變形曲線圖,不動猴的骨組織有可觀的吸收現(xiàn)象。,例子：松質(zhì)骨的內(nèi)部重建,1、反饋平衡理論,生長、增殖與吸收、萎縮之間互相平衡,三、骨的功能適應性理論,①應力是最優(yōu)值時：生長與吸收平衡,②應力上線和應力下線：,當應力大于最優(yōu)值時——,當應力小于最優(yōu)值時——,當應力大于應力上線時——,當應力小于應力下線時——,機

50、動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨的功能適應性理論反饋圖,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,2、控制機理,①壓電效應：,②鈣的生化活性：,是骨感受應力引起骨再造的機理。,應力增大→電場→成骨細胞中的蛋白絡合↓ 生長占優(yōu)←成骨細胞活躍←,應力增大→羥磷灰石晶體的溶解度↓ 生長占優(yōu)←鈣的生化活性←,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,第四

51、節(jié) 生長與斷裂,一、斷裂：骨折的發(fā)生,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨折的定義 成因 分類 骨折段的移位,二、生長：骨折的治療,影響骨折愈合的因素,骨折的急救骨折的治療原則 （復位固定用藥鍛煉）開放性骨折的處理開放性關節(jié)損傷的處理,骨折的發(fā)生,1、骨折的定義,骨的完整性 和連續(xù)性 中斷時稱骨折。,2、骨折的成因,直接暴力間接暴力積累性勞損病理性骨折,一、斷裂：骨折的發(fā)生及愈合,（一）概念：,機動

52、 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,直接暴力,骨折發(fā)生在暴力直接作用的部位。特點：多為橫骨折或粉碎骨折，軟組織損傷重，開放性骨折多見，雙骨骨折時骨折線在同一平面 。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,開放性骨折的分度,開放性骨折的分度：第一度：皮膚被自內(nèi)向外骨折端刺破第二度：皮膚被割裂或壓碎，皮下組織、 肌肉有中度損傷第三度：廣泛的皮膚、皮下組織與肌肉的

53、 嚴重損傷，常合并血管神經(jīng)損傷,間接暴力,暴力通過傳導 ，杠桿或旋轉(zhuǎn)作用使遠處發(fā)生骨折。特點：多為斜骨折或螺旋骨折,軟組織損傷輕，閉合性骨折多見,雙骨骨折時骨折線不在同一平面。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,積累性勞損,長期、反復、輕微的直接或間接傷力集中在骨骼的某一點上發(fā)生骨折，稱為疲勞性骨折。特點：骨折無移位 愈合慢。,機動 目錄 上頁 下頁 返回

54、 結(jié)束,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,病理性骨折,因骨髓炎、骨結(jié)核、骨腫瘤等骨骼本身病變引起的骨折。 特點：不易愈合，給患者的生理和心理造成巨大傷害。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨囊腫：多房型、骨折,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨囊腫伴病理骨折,,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,3、骨折的分類,根據(jù)骨折處是否與外界相

55、通可分為：,閉合性骨折開放性骨折,第一種分類方法,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,第二種分類方法,根據(jù)骨折的程度及形態(tài)分類,1、不完全骨折(1)裂縫骨折(2)青枝骨折,2、完全骨折(1)橫骨折(2)斜骨折(3)螺旋骨折（粉碎骨折）(5)嵌插骨折(6)壓縮骨折（墩兒）(7)碟骨折（蝶皺）(8)骨骺分離（單純剪切）,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,裂縫骨折,機動 目錄

56、 上頁 下頁 返回 結(jié)束,青枝骨折,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,橫骨折 斜骨折 螺旋骨折,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,,粉碎骨折 嵌插骨折 壓縮骨折,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨骺損傷,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,,,

57、,脆性,展性,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,橫斷型,臨床上（根據(jù)骨折的形狀）的骨折類型：,螺旋型,斜面型,垂直壓縮型,剪切型,碟型,第三種分類方法,根據(jù)骨折復位后的穩(wěn)定性分類,穩(wěn)定骨折：裂縫骨折青枝骨折嵌插骨折橫骨折,不穩(wěn)定骨折：斜骨折螺旋骨折粉碎骨折,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,臨床上，根據(jù)骨折時能量的釋放將骨折分為三種類型：,第四種分類方法,低能量：運動損傷，滑

58、雪等高能量：車禍超高能量：高速的槍彈傷,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,*4、骨折段的移位,發(fā)生原因：暴力，重力，肌牽拉力，搬運不當。,成角移位側(cè)方移位縮短移位分離移位旋轉(zhuǎn)移位,移位的種類：,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,①成角移位:兩骨折段的縱軸線交叉成角,以其頂角的方向為準有向前、后、內(nèi)、外成角。②側(cè)方移位:以近側(cè)骨折段為準,遠側(cè)骨折段向前、后、內(nèi)、外的側(cè)方移位。③

59、縮短移位:兩骨折段相互重疊或嵌插,使其縮短。④分離移位:兩骨折段在縱軸上相互分離,形成間隙。⑤旋轉(zhuǎn)移位:遠側(cè)骨折段圍繞骨之縱軸旋轉(zhuǎn)。,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,（二）骨折的發(fā)生,應力形式和骨的結(jié)構(gòu)特點—— 決定骨折的發(fā)生和愈合,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨受到力偶的作用可產(chǎn)生：拉伸、壓縮、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形形式導致骨折,1、軸向拉伸及

60、壓縮時應力及骨折,①應力分析：,f,平面假設：,截面各處的應力相等(均勻分布）,橫截面上：,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,斜截面上:,（以拉伸為例）,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,據(jù)平衡條件：,將該分離體上所有的力投影到n,t軸上,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,結(jié)論：,正應力和切應力均隨斜角變化,,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,②骨折

61、形成：,當載荷增大到一定程度——骨單位之間的粘合線失去銜接而被拉開,當載荷增大到一定程度——骨小梁受力失穩(wěn)變形,（多指密質(zhì)骨骨折形成原因）,（多指松質(zhì)骨骨折形成原因）,,,,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,③骨折類型：,骨受拉伸載荷作用——主要是橫斷型（從應力分析情況來看） 也有斜面型,若密質(zhì)骨（骨干） （強度大 剛度大 延伸率?。?骨折面橫形 斜形 鋸齒形,,若松質(zhì)骨（骨骺）

62、 （強度小 剛度小 延伸率大） 骨折面杯口形,,臨床上拉伸引起的骨折多見于松質(zhì)骨,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,例如：,腓骨短肌腱附著點附近的第五跖骨基底骨折跟腱附著點附近的跟骨骨折,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨受壓縮載荷作用——主要是斜面型（從應力分析情況來看） 垂直壓縮型,若密質(zhì)骨（骨干） （抗壓強度遠遠大于抗切強度） 骨

63、折面斜形,,若松質(zhì)骨（骨骺） 骨折面敦兒形,,臨床上壓縮引起的骨折常見于椎骨,（強度大 剛度大 延伸率?。?（強度小 剛度小 延伸率大）,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,例如：,人腰椎椎體壓縮骨折,2、剪切骨折,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,骨受到沿著與載荷平行的界面上產(chǎn)生切應力——導致側(cè)移骨折（側(cè)移骨折：骨折塊之間接觸程度改變即對位不良）,松質(zhì)骨強度低——易出現(xiàn)單純性剪切

64、骨折,臨床上常見：股骨髁骨折股骨頸骨折脛骨平臺骨折跟骨骨折,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,3、扭轉(zhuǎn)時應力及骨折,τ橫,τ縱,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,①應力分析：,橫、縱截面上：,斜截面上:,繞骨軸線轉(zhuǎn)動的力偶矩作用時：,τ橫,τ縱,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,據(jù)平衡條件：,將該分離體上所有的力投影到n,t軸上,橫剪,縱剪,機動 目錄 上

65、頁 下頁 返回 結(jié)束,結(jié)論：,正應力和切應力均隨斜角變化,螺旋型,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,②骨折形成：,順骨纖維的方向——骨的抗切強度最差 骨的抗拉強度也較差,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,③骨折類型：,骨受扭轉(zhuǎn)載荷作用——會出現(xiàn)螺旋型骨折（從應力分析情況來看） （粉碎型骨折）,當載荷增大到一定程度——首先沿骨軸線、垂

66、直骨軸線方向形成剪切裂紋（抗切強度最小 抗拉強度次小）,隨后裂紋沿最大拉、壓應力方向作用的平面上擴展,,,,,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,由于 骨的形狀不規(guī)則 受力不均勻?qū)е?斷裂會出現(xiàn)幾個螺旋形斷口,粉碎型骨折,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,,人脛骨在高速扭轉(zhuǎn)力作用下發(fā)生骨折,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,4、彎曲骨折,,機動 目錄

67、 上頁 下頁 返回 結(jié)束,①應力分析：,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,②骨折形成：,骨折發(fā)生在——撓矩最大的地方 （凸側(cè)和凹側(cè)）,成人骨抗拉強度低 骨折先發(fā)生在受拉的凸側(cè)未成人骨抗壓強度低 骨折先發(fā)生在受壓的凹側(cè),如加載速度緩慢 可出現(xiàn)完全壓裂拉斷的骨折如加載速度較快 可迅速出現(xiàn)全骨拉斷,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,③骨折類型：,骨受彎

68、曲載荷作用——會出現(xiàn)蝶型骨折（從應力分析情況來看）,當載荷增大到一定程度——凸側(cè)多為橫斷型（以受拉為主）,凹側(cè)多為斜面型 （以受壓為主）,整個骨折面為碟型,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,脛骨三點彎曲實驗,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,5、夾板治療骨折時受力,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,第一.由于