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1、骨的生物力学第1页，本讲稿共73页 学习目标学习目标1.掌握骨的应力、应变、骨的载荷和变形；掌握骨的应力、应变、骨的载荷和变形；2.掌握骨的功能适应性原则；掌握骨的功能适应性原则；3.熟悉骨的生物力学特征；熟悉骨的生物力学特征；4.熟悉运动对骨形态结构的影响及作用原理；熟悉运动对骨形态结构的影响及作用原理；5.了解载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。了解载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。第2页，本讲稿共73页 学习内容学习内容一、一、骨的承载能力骨的承载能力骨的承载能力骨的承载能力二、骨的载荷与变形二、骨的载荷与变形二、骨的载荷与变形二、骨的载荷与变形三、骨的应力与应变三、骨的应力与应变
2、三、骨的应力与应变三、骨的应力与应变四、骨的生物力学特性四、骨的生物力学特性四、骨的生物力学特性四、骨的生物力学特性五、骨折的生物力学五、骨折的生物力学五、骨折的生物力学五、骨折的生物力学六、骨的功能适应性六、骨的功能适应性六、骨的功能适应性六、骨的功能适应性七、骨生物力学指标七、骨生物力学指标七、骨生物力学指标七、骨生物力学指标八、骨质疏松症运动防治八、骨质疏松症运动防治八、骨质疏松症运动防治八、骨质疏松症运动防治第3页，本讲稿共73页骨的生物力学骨的生物力学 一、骨的承载能力一、骨的承载能力衡量骨承载能力的三要素：衡量骨承载能力的三要素：衡量骨承载能力的三要素：衡量骨承载能力的三要素：第一
3、，要求骨有足够的强度。第一，要求骨有足够的强度。第一，要求骨有足够的强度。第一，要求骨有足够的强度。即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。第二，要求骨有足够的刚度。第二，要求骨有足够的刚度。第二，要求骨有足够的刚度。第二，要求骨有足够的刚度。即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。第三，要求骨有足够的稳定性。第三，要求骨有足够的稳定性。第三，要求骨有足够的稳定性。第三，要求骨有足
4、够的稳定性。即指骨保持原有平衡形态的能力。即指骨保持原有平衡形态的能力。即指骨保持原有平衡形态的能力。即指骨保持原有平衡形态的能力。第4页，本讲稿共73页二、骨的载荷及变形二、骨的载荷及变形人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨产生复杂的力。产生复杂的力。产生复杂的力。产生复杂的力。即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。第5页，本讲稿共73页（一）骨的载荷（一）骨的载荷
5、（一）骨的载荷（一）骨的载荷载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸a a、压缩压缩压缩压缩b b、弯曲、弯曲、弯曲、弯曲c c
6、、剪切、剪切、剪切、剪切d d、扭转、扭转、扭转、扭转e e和复合和复合和复合和复合f f等载荷。等载荷。等载荷。等载荷。第6页，本讲稿共73页 1.1.拉伸载荷拉伸载荷拉伸载荷拉伸载荷(图图图图a)a)在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线的在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线的在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线的在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部产生拉应力和力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部产生拉应力和力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部产生拉应力和力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。应
7、变，使骨伸长并同时变细。应变，使骨伸长并同时变细。应变，使骨伸长并同时变细。例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。第7页，本讲稿共73页 2.2.压缩载荷压缩载荷压缩载荷压缩载荷(图图图图b)b)是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、方向相对的载荷。方向相对的载荷。方向相对的载荷。方向相对的载荷。该载荷在骨组织内部产生压应力和应变。该载荷在骨组织内部产生压应力和应变。该载荷在
8、骨组织内部产生压应力和应变。该载荷在骨组织内部产生压应力和应变。如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩。如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩。如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩。如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩。第8页，本讲稿共73页 3.3.弯曲载荷弯曲载荷弯曲载荷弯曲载荷 (图图图图c)c)是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲载荷。例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲载荷。例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲载荷。例如当脊柱
9、前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲载荷。特点：骨骼在弯曲载荷时，其中性轴两旁一侧产生拉应力和特点：骨骼在弯曲载荷时，其中性轴两旁一侧产生拉应力和特点：骨骼在弯曲载荷时，其中性轴两旁一侧产生拉应力和特点：骨骼在弯曲载荷时，其中性轴两旁一侧产生拉应力和拉应变，另一侧则产生压应力和压应变，在中性轴上则没有拉应变，另一侧则产生压应力和压应变，在中性轴上则没有拉应变，另一侧则产生压应力和压应变，在中性轴上则没有拉应变，另一侧则产生压应力和压应变，在中性轴上则没有应力和应变。应力和应变。应力和应变。应力和应变。应力的大小与至骨骼中性轴距离成正比，即距应力的大小与至骨骼中性轴距离成正比，即距应力的大小与至骨骼中
10、性轴距离成正比，即距应力的大小与至骨骼中性轴距离成正比，即距中性轴越远，其应力就越大。中性轴越远，其应力就越大。中性轴越远，其应力就越大。中性轴越远，其应力就越大。第9页，本讲稿共73页 4.4.剪切载荷剪切载荷剪切载荷剪切载荷(图图图图d)d)在骨的表面受到一对大小相等、在骨的表面受到一对大小相等、在骨的表面受到一对大小相等、在骨的表面受到一对大小相等、方向相反且相距很近的力的作用。方向相反且相距很近的力的作用。方向相反且相距很近的力的作用。方向相反且相距很近的力的作用。在骨内部也会产生剪切应力和应变。在骨内部也会产生剪切应力和应变。在骨内部也会产生剪切应力和应变。在骨内部也会产生剪切应力和
11、应变。例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。第10页，本讲稿共73页 5.5.扭转载荷扭转载荷扭转载荷扭转载荷 (图图图图e)e)加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转载加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转载加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转载加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转载荷。荷。荷。荷。如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。在生理状态下，扭转载荷常见于
12、前臂、脊柱的旋转与骨关在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转与骨关在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转与骨关在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转与骨关节的旋转活动中。节的旋转活动中。节的旋转活动中。节的旋转活动中。当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整个骨骼当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整个骨骼当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整个骨骼当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整个骨骼结构中。结构中。结构中。结构中。第11页，本讲稿共73页 6.复合载荷复合载荷(图图f)人体在运动时，由于骨的几何结构不规则，人体在运动时，由于骨的几何结构不规则，人体在运
13、动时，由于骨的几何结构不规则，人体在运动时，由于骨的几何结构不规则，同时又受到多种不定的载荷，同时又受到多种不定的载荷，同时又受到多种不定的载荷，同时又受到多种不定的载荷，往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复合往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复合往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复合往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复合载荷。载荷。载荷。载荷。如人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复合。如人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复合。如人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复合。如人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复合。像跌倒后发生的桡骨远端骨折，便是既有剪切力又有压像跌倒后发生
14、的桡骨远端骨折，便是既有剪切力又有压像跌倒后发生的桡骨远端骨折，便是既有剪切力又有压像跌倒后发生的桡骨远端骨折，便是既有剪切力又有压缩力等多种力综合作用的结果。缩力等多种力综合作用的结果。缩力等多种力综合作用的结果。缩力等多种力综合作用的结果。第12页，本讲稿共73页持续载荷持续载荷持续载荷持续载荷对骨也会产生一定的影响。对骨也会产生一定的影响。即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织会产生即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织会产生即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织会产生即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织会产生缓慢变形或蠕变。缓慢变形或蠕变。缓慢变形或蠕变。缓慢变形或蠕变。在加
15、载后的最初数小时（在加载后的最初数小时（在加载后的最初数小时（在加载后的最初数小时（6 68 8小时），其蠕变现象最小时），其蠕变现象最小时），其蠕变现象最小时），其蠕变现象最显著，随后蠕变的速率则会降低。显著，随后蠕变的速率则会降低。显著，随后蠕变的速率则会降低。显著，随后蠕变的速率则会降低。一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是拉力、一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是拉力、一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是拉力、一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭转力。剪切力和扭转力。剪切力和扭转力。剪切力和扭转力。骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。骨所受的正常
16、生理负荷是这些力的综合。骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。第13页，本讲稿共73页（二）骨的基本变形（二）骨的基本变形 骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的变形，骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的变形，骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的变形，骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的变形，如腰脊柱前凸即是受力变形。如腰脊柱前凸即是受力变形。如腰脊柱前凸即是受力变形。如腰脊柱前凸即是受力变形。根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般可根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般可根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般可根据骨骼受载形式及受载后的变
17、形形式，一般可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等五种将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等五种将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等五种将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等五种基本变形。基本变形。基本变形。基本变形。第14页，本讲稿共73页力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时，在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时，在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时，在中等量负荷时，负
18、荷骨会出现变形，当负荷去除时，骨的原有形状和几何学结构便恢复。骨的原有形状和几何学结构便恢复。骨的原有形状和几何学结构便恢复。骨的原有形状和几何学结构便恢复。如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力决
19、定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力的大小、力的方向和力的作用点，及组成骨组织的材的大小、力的方向和力的作用点，及组成骨组织的材的大小、力的方向和力的作用点，及组成骨组织的材的大小、力的方向和力的作用点，及组成骨组织的材料特性等。料特性等。料特性等。料特性等。骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引 起骨的断裂。骨在承受轴向力起骨的断裂。骨在承受轴向力起骨的断裂。骨在承受轴向力起骨的断裂
20、。骨在承受轴向力(axialforce)(axialforce)与承受弯曲与承受弯曲与承受弯曲与承受弯曲 (bending)(bending)或扭转力或扭转力或扭转力或扭转力(torsionalforce)(torsionalforce)方面存在有很大方面存在有很大方面存在有很大方面存在有很大 差异。差异。差异。差异。大骨抵抗力的能力优于小骨。大骨抵抗力的能力优于小骨。大骨抵抗力的能力优于小骨。大骨抵抗力的能力优于小骨。第15页，本讲稿共73页骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特骨的几何结构对抵抗特殊方向
21、的力具有一定的特殊性。殊性。殊性。殊性。在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物质特性也很重要。质特性也很重要。质特性也很重要。质特性也很重要。当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性形变。形变。形变。形变。如果外力撤除后仍有剩余形变，这种性质则称为如果外力撤除后仍有剩余形变，这种性质则称为如果外力撤除后仍有剩余形变，这种性质则称为如果外力撤
22、除后仍有剩余形变，这种性质则称为弹塑性。弹塑性。弹塑性。弹塑性。钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。第16页，本讲稿共73页三、骨的应力与应变三、骨的应力与应变 骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。（
23、一）骨的应力（一）骨的应力（一）骨的应力（一）骨的应力概念概念概念概念：当外力作用于骨时，：当外力作用于骨时，：当外力作用于骨时，：当外力作用于骨时，骨以形变产生内部的阻抗骨以形变产生内部的阻抗骨以形变产生内部的阻抗骨以形变产生内部的阻抗以抗衡外力，即是骨产生的应力。以抗衡外力，即是骨产生的应力。以抗衡外力，即是骨产生的应力。以抗衡外力，即是骨产生的应力。特点特点特点特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨
24、横断面面积之比，单位为Pascal(Pa=N/mPascal(Pa=N/m2 2)，即牛顿，即牛顿，即牛顿，即牛顿/平方米。平方米。平方米。平方米。计算公式：计算公式：计算公式：计算公式：第17页，本讲稿共73页种类种类种类种类：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相应的应力，如压应力、拉压力等。应的应力，如压应力、拉压力等。应的应力，如压应力、拉压力等。应的应力，如压应力、拉压力等。作用作用作用作用：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用，：应力对骨的改变、生长和吸
25、收起着调节作用，：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用，：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用，应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。第18页，本讲稿共73页（二）应变（二）应变概念概念概念概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。：骨的应变是指骨在外力作
26、用下的局部变形。：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表示量与原尺度之比。一般以百分比来表示量与原尺度之比。一般以百分比来表示量与原尺度之比。一般以百分比来表示(下图下图下图下图)。由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小当
27、骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变的极限当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变的极限当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变的极限当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变的极限时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。第19页，本讲稿共73页（三）应力（三）应力（三）应力（三）应力-应变曲线应变曲线应变曲线应变曲线 表示应力和应变之间的关系。表示应力和应变之间的关系。表示应力和应变之间的关系。表示应力和应变之间的关系。应力应力应力应力-应变曲线分成两个区：应变曲线分成两个区：应变曲线分成两个区：
28、应变曲线分成两个区：弹性变形区弹性变形区弹性变形区弹性变形区和和和和塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形区区区区。在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。弹性区末端点或塑性区初始点称弹性区末端点或塑性区初始点称弹性区末端点或塑性区初始点称弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点屈服点屈服点屈服点。该点对应的应力是产生骨最大应力的该点对应的应力是产生骨最大应力的该点对应的应力是产生骨最大应力的该点对应的应力是产生骨最大应力的弹性形变，亦称为弹性形变
29、，亦称为弹性形变，亦称为弹性形变，亦称为弹性极限弹性极限弹性极限弹性极限。塑性区：屈服点以后的区。塑性区：屈服点以后的区。塑性区：屈服点以后的区。塑性区：屈服点以后的区。此时已出现结构的损坏和永久变形。此时已出现结构的损坏和永久变形。此时已出现结构的损坏和永久变形。此时已出现结构的损坏和永久变形。当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。第20页，本讲稿共73页导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。导致骨折所需的应力叫骨的最大应
30、力或极限强度。导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。在应力在应力在应力在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量(Young(Young s Modules)s Modules)，表示材料抗形变的能力。，表示材料抗形变的能力。，表示材料抗形变的能力。，表示材料抗形变的能力。一般而言，弹性模量是一个常数。一般而言，弹性模量是一个常数。一般而言，弹性模量是一个常数。一般而言，弹性模量是一个常数。弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。弹性模量越大，产生一定应变所需的
31、应力越大。弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。第21页，本讲稿共73页（四）骨应变能量（四）骨应变能量概念概念概念概念：达到极限负荷时的应力应变曲线下面的面积：达到极限负荷时的应力应变曲线下面的面积：达到极限负荷时的应力应变曲线下面的面积：达到极限负荷时的应力应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量。表示导致骨折所需要的能量。表示导致骨折所需要的能量。表示导致骨折所需要的能量。一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形
32、，是弹性区内骨所能承受应力的大小。所能承受应力的大小。所能承受应力的大小。所能承受应力的大小。当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。使骨恢复原状。使骨恢复原状。使骨恢复原状。但当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能但当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能但当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能但当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能被及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构，临被及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构，临被
33、及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构，临被及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构，临床上则表现为疲劳性骨折。床上则表现为疲劳性骨折。床上则表现为疲劳性骨折。床上则表现为疲劳性骨折。第22页，本讲稿共73页四、骨的生物力学特性四、骨的生物力学特性包括骨的材料力学特性和结构力学特性。包括骨的材料力学特性和结构力学特性。包括骨的材料力学特性和结构力学特性。包括骨的材料力学特性和结构力学特性。骨的材料力学特性：骨的材料力学特性：骨的材料力学特性：骨的材料力学特性：是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形状无关。是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形状无关。是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形
34、状无关。是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形状无关。骨的结构力学特性：骨的结构力学特性：骨的结构力学特性：骨的结构力学特性：是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有关，而且受骨的几何特性即形状、尺寸等的影响。关，而且受骨的几何特性即形状、尺寸等的影响。关，而且受骨的几何特性即形状、尺寸等的影响。关，而且受骨的几何特性即形状、尺寸等的影响。第23页，本讲稿共73页（一）骨组织的基本生物力学特性（一）骨组织的基本生物力学特性 1.1.各向
35、异性各向异性各向异性各向异性骨的结构为中间多孔介质的各向异性体，其不同方向骨的结构为中间多孔介质的各向异性体，其不同方向骨的结构为中间多孔介质的各向异性体，其不同方向骨的结构为中间多孔介质的各向异性体，其不同方向的力学性质不同，即各向异性。的力学性质不同，即各向异性。的力学性质不同，即各向异性。的力学性质不同，即各向异性。2.2.弹性和坚固性弹性和坚固性弹性和坚固性弹性和坚固性骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并具有抗张能力。具有抗张能力。具有抗张能力。具有抗张能
36、力。骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具有坚固性，具有抗压能力。有坚固性，具有抗压能力。有坚固性，具有抗压能力。有坚固性，具有抗压能力。第24页，本讲稿共73页3.3.抗压力强、抗张力差抗压力强、抗张力差抗压力强、抗张力差抗压力强、抗张力差骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损坏，在张力情况下易损坏。坏，在张力情况下易损坏。坏，
37、在张力情况下易损坏。坏，在张力情况下易损坏。4.4.耐冲击力和持续力差耐冲击力和持续力差耐冲击力和持续力差耐冲击力和持续力差骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比，其持续性能、耐疲骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比，其持续性能、耐疲骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比，其持续性能、耐疲骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比，其持续性能、耐疲劳性能较差。劳性能较差。劳性能较差。劳性能较差。5.5.应力强度的方向性应力强度的方向性应力强度的方向性应力强度的方向性皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两
38、者的刚皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚度也不同。度也不同。度也不同。度也不同。皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。第25页，本讲稿共73页6.6.骨的强度和刚度骨的强度和刚度骨的强度和刚度骨的强度和刚度1 1）骨强度）骨强度）骨强度）骨强度是指骨在承受载荷时所具
39、有的足够的抵抗是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗破坏的能力，以致不发生破坏。破坏的能力，以致不发生破坏。破坏的能力，以致不发生破坏。破坏的能力，以致不发生破坏。在压缩载荷的试验中，载荷变形曲线能反映结构在压缩载荷的试验中，载荷变形曲线能反映结构在压缩载荷的试验中，载荷变形曲线能反映结构在压缩载荷的试验中，载荷变形曲线能反映结构强度的三个参数是：强度的三个参数是：强度的三个参数是：强度的三个参数是：结构在破坏前所能承受的载荷结构在破坏前所能承受的载荷结构在破坏前所能承受的载荷结构在破坏前所能承受的载荷;结构在破坏前所能承受
40、的变形结构在破坏前所能承受的变形结构在破坏前所能承受的变形结构在破坏前所能承受的变形;结构在破坏前所能贮存的结构在破坏前所能贮存的结构在破坏前所能贮存的结构在破坏前所能贮存的能量。能量。能量。能量。2 2）骨的刚度）骨的刚度）骨的刚度）骨的刚度是指骨具有足够的抵抗变形的能力。是指骨具有足够的抵抗变形的能力。是指骨具有足够的抵抗变形的能力。是指骨具有足够的抵抗变形的能力。在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变形过大，往往会影响骨结构与功能。形过大，往往会影响骨结构与功
41、能。形过大，往往会影响骨结构与功能。形过大，往往会影响骨结构与功能。骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。第26页，本讲稿共73页影响骨强度与刚度的因素有：影响骨强度与刚度的因素有：影响骨强度与刚度的因素有：影响骨强度与刚度的因素有：.压应力压应力压应力压应力肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的发生；发生；发生；发生；.骨的大小和形状骨的大小和形状骨的大小和形
42、状骨的大小和形状骨的横截面积的大小及骨组织在骨的横截面积的大小及骨组织在骨的横截面积的大小及骨组织在骨的横截面积的大小及骨组织在骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。如骨试件在压缩时，和刚度也越大。如骨试件在压缩时，和刚度也越大。如骨试件在压缩时，和刚度也越大。如骨试件在压缩时，和刚度也越大。破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。第27页
43、，本讲稿共73页 7.7.机械力对骨的影响机械力对骨的影响机械力对骨的影响机械力对骨的影响 机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，应力骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，应力骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，应力骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。8.8.骨是人体理想的结构材料骨是人
44、体理想的结构材料骨是人体理想的结构材料骨是人体理想的结构材料 骨具有强度大质量轻的特点。骨具有强度大质量轻的特点。骨具有强度大质量轻的特点。骨具有强度大质量轻的特点。第28页，本讲稿共73页（二）骨受载时的生物力学特性（二）骨受载时的生物力学特性1.1.骨对应力的反应骨对应力的反应骨对应力的反应骨对应力的反应骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态，骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态，骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态，骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态，应力越大，骨的增生和密度越大，最终，又提应力越大，骨的增生和密度越大，最终，又提应力越大，骨的增生和密度越大，最终，又提应力越大，
45、骨的增生和密度越大，最终，又提高了骨的生理应力能力。高了骨的生理应力能力。高了骨的生理应力能力。高了骨的生理应力能力。1 1）密质骨对应力的反应）密质骨对应力的反应）密质骨对应力的反应）密质骨对应力的反应：密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可承受较大的压缩应力。承受较大的压缩应力。承受较大的压缩应力。承受较大的压缩应力。第29页，本讲稿共73页2 2）松质骨对应力的反应）松质骨对应力的反应）松质骨对应力的反应）松质骨对应力的反应：骨松质的疏松度为骨
46、松质的疏松度为骨松质的疏松度为骨松质的疏松度为30309090，其应力其应力其应力其应力应变特征与密质骨有很大差异。应变特征与密质骨有很大差异。应变特征与密质骨有很大差异。应变特征与密质骨有很大差异。松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负荷很快减低，低于应变水平。荷很快减低，低于应变水平。荷很快减低，低于应变水平。荷很快减低，低于应变水平。松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显
47、降低。松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。第30页，本讲稿共73页2.2.骨密质在受载时的生物力学特性骨密质在受载时的生物力学特性骨密质在受载时的生物力学特性骨密质在受载时的生物力学特性人类骨骼人类骨骼人类骨骼人类骨骼80%80%是皮质骨。是皮质骨。是皮质骨。是皮质骨。在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变较小，其应在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变较小，其应在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变较小，其应在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变较小，其应变超过原长的变超过原长的变超过原长的变超过原长的2 2时就发生断裂，而骨松质的应变超过时就发生断裂，而骨松质的应变超过时就发
48、生断裂，而骨松质的应变超过时就发生断裂，而骨松质的应变超过7 7时时时时才断裂，这与密质骨的疏松度及能量储存能力较松质骨小才断裂，这与密质骨的疏松度及能量储存能力较松质骨小才断裂，这与密质骨的疏松度及能量储存能力较松质骨小才断裂，这与密质骨的疏松度及能量储存能力较松质骨小有关。有关。有关。有关。第31页，本讲稿共73页 3.骨松质在受载时的生物力学特性骨松质在受载时的生物力学特性 骨松质具有多孔结构而具有较高的能量储存能力骨松质具有多孔结构而具有较高的能量储存能力骨松质具有多孔结构而具有较高的能量储存能力骨松质具有多孔结构而具有较高的能量储存能力。（。（。（。（1 1 1 1）骨松质的结构特点
49、：骨松质的结构特点：骨松质的结构特点：骨松质的结构特点：骨松质由针状或片状骨小梁相交织成网状结构。骨松质由针状或片状骨小梁相交织成网状结构。骨松质由针状或片状骨小梁相交织成网状结构。骨松质由针状或片状骨小梁相交织成网状结构。其显微结构分为四种基本结构类型：其显微结构分为四种基本结构类型：其显微结构分为四种基本结构类型：其显微结构分为四种基本结构类型：针状非对称形开放网格、针状非对称形开放网格、针状非对称形开放网格、针状非对称形开放网格、片状非对称形封闭网格、片状非对称形封闭网格、片状非对称形封闭网格、片状非对称形封闭网格、针状圆柱体形开放网格、针状圆柱体形开放网格、针状圆柱体形开放网格、针状圆
50、柱体形开放网格、片状圆柱体形封闭网格。片状圆柱体形封闭网格。片状圆柱体形封闭网格。片状圆柱体形封闭网格。第32页，本讲稿共73页 2).骨松质结构特征与应力适应性骨松质结构特征与应力适应性骨松质的网格形式与其结构密度有密切关系。骨松质的网格形式与其结构密度有密切关系。骨松质的网格形式与其结构密度有密切关系。骨松质的网格形式与其结构密度有密切关系。不同部位骨松质具有着不同类型的显微结构。不同部位骨松质具有着不同类型的显微结构。不同部位骨松质具有着不同类型的显微结构。不同部位骨松质具有着不同类型的显微结构。骨松质的结构密度与其所受的应力大小成正比，在密度相骨松质的结构密度与其所受的应力大小成正比，