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1、会计学1生物力学课程生物力学课程骨骼骨骼(gg)力学力学18第一页，共97页。第1页/共97页第二页，共97页。骨是坚硬而有生命的器官,是人体中能再生和能自我修复的组织。骨骼系统的功能主要有两种：一.提供对动物体的支持、运动作用并保护内脏器官、颅腔及骨髓的造血系统。二.参与机体(jt)钙和磷的代谢。第2页/共97页第三页，共97页。骨具有丰富的血供和良好的自我修复(xif)能力。它的结构和性能随着力学环境的改变而改变。例如：废用或过度使用通常会伴随骨密度的改变。第3页/共97页第四页，共97页。第一节第一节 骨的结构骨的结构(jigu)(jigu)第4页/共97页第五页，共97页。一人体共有2
2、06块骨，依所在部位可分为:颅骨、躯干骨和四肢骨。二按其形状又可分为:长骨，如胫骨、股骨；短骨，如腕骨、跗骨(f)；扁骨，如颅骨中的枕骨、顶骨；不规则骨，如椎骨。第5页/共97页第六页，共97页。第6页/共97页第七页，共97页。这些(zhxi)形状不同的骨，是长期自然演变的结果，它符合最优化原则，即用最小的结构材料承受最大的外力，同时还具有良好的功能适应性。第7页/共97页第八页，共97页。三.骨的微观结构(jigu)在显微镜下，构成骨的基本结构(jigu)单位称之为骨单位，即哈佛氏系统。哈佛管：内含(ni hn)神经和血管。板层骨：包绕在管的周围。第8页/共97页第九页，共97页。四四四四
3、.骨的宏观结构骨的宏观结构骨的宏观结构骨的宏观结构 骨分为密质骨和松质骨。骨分为密质骨和松质骨。骨分为密质骨和松质骨。骨分为密质骨和松质骨。密质骨一般位于骨的外层，松质骨位于骨的内层，由骨小密质骨一般位于骨的外层，松质骨位于骨的内层，由骨小密质骨一般位于骨的外层，松质骨位于骨的内层，由骨小密质骨一般位于骨的外层，松质骨位于骨的内层，由骨小梁形成筛状结构，小梁之间的空隙梁形成筛状结构，小梁之间的空隙梁形成筛状结构，小梁之间的空隙梁形成筛状结构，小梁之间的空隙(kngx)(kngx)(kngx)(kngx)充满了红骨髓。充满了红骨髓。充满了红骨髓。充满了红骨髓。第9页/共97页第十页，共97页。密
4、质骨：疏松(sh sn)度为530%强度高 变形能力差、变形超 过2%就会产生断裂 松质骨：疏松度为3090%强度低 应变能力好，变形(bin xng)可达 7%左右第10页/共97页第十一页，共97页。松质骨骨小梁第11页/共97页第十二页，共97页。松质骨:1.松质骨具有多孔结构，因而有较高的能量 储存能力。2.松质骨内胶原纤维的排列看似是纷乱的，但它并非无序，它是根据主要的受力状态 沿着主应力的方向排列，形成最优的受力 结构，即用最少的材料承受(chngshu)最大的外部 载荷。第12页/共97页第十三页，共97页。第13页/共97页第十四页，共97页。第二节第二节 骨的成分骨的成分(c
5、hng(chng fn)fn)骨是由骨组织、骨膜和骨髓骨是由骨组织、骨膜和骨髓骨是由骨组织、骨膜和骨髓骨是由骨组织、骨膜和骨髓(su su)等构成的等构成的等构成的等构成的坚硬坚硬坚硬坚硬器官。骨组织是骨的结构主体，由细胞和钙化器官。骨组织是骨的结构主体，由细胞和钙化器官。骨组织是骨的结构主体，由细胞和钙化器官。骨组织是骨的结构主体，由细胞和钙化的细胞外基质组成。其特点是细胞外基质有大的细胞外基质组成。其特点是细胞外基质有大的细胞外基质组成。其特点是细胞外基质有大的细胞外基质组成。其特点是细胞外基质有大量的骨盐沉积，使骨组织成为人体最坚硬的组量的骨盐沉积，使骨组织成为人体最坚硬的组量的骨盐沉积
6、，使骨组织成为人体最坚硬的组量的骨盐沉积，使骨组织成为人体最坚硬的组织之一。织之一。织之一。织之一。第14页/共97页第十五页，共97页。第15页/共97页第十六页，共97页。一.骨基质 钙化的骨组织的细胞外基质。包括有机(yuj)成份和无机成份,含水极少。第16页/共97页第十七页，共97页。有机质：胶原纤维（主要(zhyo)由型胶原蛋白构成）无定形基质（蛋白多糖及其复合物）无机盐：羟磷灰石 （3Ca3（PO4）2Ca（OH）2）第17页/共97页第十八页，共97页。羟磷灰石是针状结晶体(jngt)，长约200A。晶体(jngt)是沿着胶原纤维长度方向排列的。非常坚硬,沿轴向的弹性模量为16
7、5GPa,与钢的弹性模量200GPa相近。胶原纤维不严格遵守胡克定律，其纵向弹性模量为1.24GPa。第18页/共97页第十九页，共97页。第19页/共97页第二十页，共97页。第20页/共97页第二十一页，共97页。第21页/共97页第二十二页，共97页。第22页/共97页第二十三页，共97页。胶原纤维具有韧性和柔软性，因此可以抵抗拉伸，并具有部分可延展性。可见骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成(z chn)的复合材料，它具有优异的力学性能。因为：柔韧的胶原可阻止硬材料的脆性断裂，而坚硬的硬材料又可阻止软材料的屈服。第23页/共97页第二十四页，共97页。二.四种(s zhn)骨细胞 骨祖细胞 成
8、骨细胞 骨细胞 破骨细胞 第24页/共97页第二十五页，共97页。四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转化(zhunhu)，互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。骨祖细胞：骨组织的干细胞，位于骨膜内，可分化成为成骨细胞和成软骨细胞。分化方向取决于所处的部位和所受的刺激性质。例如，当骨生长、改建或骨折修复时，骨祖细胞活跃，不断分裂、分化为成骨细胞。第25页/共97页第二十六页，共97页。成骨细胞的功能是合成分泌胶原、钙化基质。其数量、形状、合成分泌功能受应力环境(hunjng)影响，如 应力的性质、大小、频率等，它还受年龄、遗传、疾病、内分泌的影响。在良好的力学环境(hunjng)下。成骨细胞数量增
9、加，胞体增大，合成分泌功能明显增强，因此可以加速骨折愈合，使骨密度增加，刚度明显增加。在有害应力或低应力环境(hunjng)下，骨折愈合迟缓，甚至不愈合，骨质疏松，强度下降。第26页/共97页第二十七页，共97页。第27页/共97页第二十八页，共97页。成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞。力敏感的离子通道、G蛋白与酪氨酸激酶、整合素受体与细胞骨架等多种途径，感受体内外力学刺激，并将力学刺激信号转化为细胞生物化学信号，介导力相关敏感基因表达，合成各种酶类等活性物质，激活信号网络级联反应，参与一系列复杂的生理病理(bngl)活动。第28页/共97页第二十九页，共97页。骨细胞：成骨细胞产生类骨质后
10、，自身(zshn)被包埋其中，分泌能力逐渐减弱，转变为骨细胞。第29页/共97页第三十页，共97页。破骨细胞：吞噬和分解非受力骨组织和坏死骨组织。合成并分泌溶胶原酶，对失去应力的胶原进行溶解；合成分泌多种水解酶,对羟基磷灰石进行水解破坏；其形状、数量和合成功能受应力环境影响，在低应力区，破骨骨细胞数量增加，体积(tj)变大，骨组织以破坏、吸收为主，骨质疏松，强度、刚度降低。第30页/共97页第三十一页，共97页。正常骨骼处于一个吸收与生长重建的连续过程，成骨细胞与破骨细胞的生理活性保持着动态平衡，机械力学刺激是必不可少(b b k sho)的条件之一。第31页/共97页第三十二页，共97页。大
11、量研究(ynji)表明：机械力学刺激过低时，如宇航失重和长期卧床、肢体制动的人员均可导致骨密度、骨钙含量、骨基质蛋白、骨形成速度的降低。第32页/共97页第三十三页，共97页。第三节 骨的力学特性 具有很高的抗压、抗拉性能(xngnng)，又有一定的硬度。第33页/共97页第三十四页，共97页。从骨的结构而言，经过生物优化过程，具有最优力学性能，即优化为最大的强度、最省的材料、最轻的重量。如：骨的空心结构，硬质骨（密质骨）集中在外面，密质骨的弹性模量(tn xn m lin)比松质骨大10倍。密质骨内部的的哈佛氏孔可以阻止表面裂纹的向内延伸。松质骨的多孔结构可吸收、储存能量。第34页/共97页
12、第三十五页，共97页。从力学和工程的角度看，人体无非是一种由生命材料（骨骼、肌肉）构成的结构而已，骨骼作为生物体上具有一定刚性的材料，起着构架和支撑的作用，是生物体造型的结构部分。在生物体存活时间，几乎每时每刻(mi sh mi k)都处于受力状态，因此，和一般结构材料一样，也有强度、变形、稳定、疲劳等要求，一旦超过了限度，就有灾难性的后果。第35页/共97页第三十六页，共97页。在研究骨的力学性能时必须考虑到它是一种有生命的材料，骨不断地完善并重建(zhn jin)新的骨组织，吸收老的骨组织，而工程材料均不具有这个特性。第36页/共97页第三十七页，共97页。二、骨的材料力学(ci lio
13、l xu)性能特点 第37页/共97页第三十八页，共97页。1.骨与其它工程材料相比，其最大的特点在于:它是一个有生命的器官。这体现于力学环境与骨的生长、发育、再造和吸收密切相关。为了适应不断变化的力学环境，骨在不断地进行结构的适应性改建和缩形。例如应力(yngl)对骨的生长、吸收起着调节作用，每一块骨都对应一个最适宜的应力(yngl)范围，应力(yngl)过高、过低都会造成骨的萎缩。第38页/共97页第三十九页，共97页。其次骨的干、湿状态影响其力学性质。此外骨的强度(qingd)、弹性模量还与年龄、性别和病理等因素有关。第39页/共97页第四十页，共97页。2.骨与工程材料相比的第二个特点
14、：骨是一种(y zhn)非均匀的、各向异性的复合材料。骨是由胶原纤维和羟基磷灰石组成的复合材料，表现出非均匀性和各向异性。在不同部位，即使在同一部位的不同方向，骨的力学性能都有很大的差别。第40页/共97页第四十一页，共97页。与其它生物材料相与其它生物材料相比，如肌肉比，如肌肉(jru)(jru)、血管，骨的性能，如应血管，骨的性能，如应力力应变关系等，更接应变关系等，更接近工程近工程材料。材料。第41页/共97页第四十二页，共97页。因此，工程学方法(fngf)可以应用于分析骨的力学性能。目前，骨实验生物力学的测试技术为万能实验机测量法、电测法和光测法。第42页/共97页第四十三页，共97
15、页。四.骨的生物力学性能 从力学角度讲，骨组织是一种双相的的复合材料，一相为无机物，另一相为胶原和无定形基质，当坚固的脆性材料嵌入另一种力度较弱但柔韧性强的材料中后，复合材料的性能比其中任何(rnh)一种单纯材料更加坚韧。第43页/共97页第四十四页，共97页。从功能上说，骨最重要的力学性质是它的强度、刚度和应力(yngl)-应变关系。通过骨在外力作用下的变形可得到。第44页/共97页第四十五页，共97页。由韧性材料组成的结构体的载荷(zi h)-形变曲线强度(qingd)刚度(n d)能量积累脆性第45页/共97页第四十六页，共97页。密质骨在拉伸实验中的应力(yngl)-应变曲线第46页/
16、共97页第四十七页，共97页。1.骨、金属和玻璃的力学(l xu)性质比较三种材料(cilio)的应力-应变曲线第47页/共97页第四十八页，共97页。2.密质骨和松质骨的力学性能。密质骨松质骨压缩实验中的应力(yngl)-应变关系第48页/共97页第四十九页，共97页。密质骨：疏松度为530%强度(qingd)高 变形能力差、变形超 过2%就会产生断裂 松质骨：疏松度为3090%强度(qingd)低 应变能力好，变形可达 7%左右 积累能量的能力很强两者疏松(sh sn)度差别很大 两者的力学性能差异很大第49页/共97页第五十页，共97页。第50页/共97页第五十一页，共97页。3.骨的各
17、向异性(xin y xn)人股骨干密质骨四个方向(fngxing)加载实验第51页/共97页第五十二页，共97页。4.肌肉的活动对骨应力分布的影响 骨在体内受到复合时，附着于骨的肌肉会发生收缩，改变应力在骨内的分布。肌肉收缩产生的压应力能够(nnggu)部分或完全抵消张应力的效应。这样就降低或抵消了骨的张应力作用。第52页/共97页第五十三页，共97页。胫骨三点弯曲(wnq)实验第53页/共97页第五十四页，共97页。5.骨的应变率依赖性 骨是一种粘弹性材料，它的力学性能随受到的加载速率的变化而发生改变(gibin)。加载于骨的载荷速率越高，骨在骨折前表现的刚度就越高，能承受的载荷也就越高。第
18、54页/共97页第五十五页，共97页。在体内，应变每天都发生着相当(xingdng)大的变化。五种(w zhn)应变率下皮质骨的应变率依赖性第55页/共97页第五十六页，共97页。在临床上，了解加载速度是非常重要的。因为(yn wi)它能影响骨折方式和软组织损伤数量。第56页/共97页第五十七页，共97页。人胫骨在高速扭转力作用(zuyng)下发生骨折第57页/共97页第五十八页，共97页。临床上，根据骨折时能量的释放将骨折分为三种(sn zhn)类型：低能量：运动损伤，滑雪等 高能量：车祸 超高能量：高速的枪弹伤第58页/共97页第五十九页，共97页。6.年龄相关性骨退化性 随着年龄的增加，
19、骨密度会发生进行性降低，纵向骨小梁变细，横向骨小梁被吸收(xshu)。随之的结果就是松质骨的数量显著下降和皮质骨变薄。第59页/共97页第六十页，共97页。年轻(ninqng)年长(nin chn)第60页/共97页第六十一页，共97页。第61页/共97页第六十二页，共97页。骨量、年龄和性别(xngbi)之间的关系第62页/共97页第六十三页，共97页。拉伸实验(shyn)中年轻人和老年人胫骨的应力-应变曲线 两者的骨强度相近,但是(dnsh)老年人骨脆性更大，失去了形变能力。第63页/共97页第六十四页，共97页。年龄相关的骨量丢失取决于很多因素，如年龄、性别、内分泌异常、活动减少、费用(
20、fi yong)和钙不足等。第64页/共97页第六十五页，共97页。7.骨的疲劳性能 人在不断的运动的过程中，骨会反复受力，当这种反复作用的力超过某一生理限度时会使骨组织受到损伤，这种循环载荷(zi h)下造成骨的损伤为疲劳损伤。第65页/共97页第六十六页，共97页。疲劳曲线显示载荷(zi h)与载荷(zi h)反复次数之间的相互作用第66页/共97页第六十七页，共97页。骨的疲劳过程不仅仅受到载荷强度和反复次数(csh)的影响，还受到载荷频率的影响。体内骨具有自我修复能力，只有在骨重建不足以弥补骨疲劳损伤才发生骨折。第67页/共97页第六十八页，共97页。在一般情况下，如果因疲劳而使骨产生
21、细小裂纹时,由于活体骨骼具有自我修复能力,因而活骨的疲劳寿命要比尸骨长，从而保证人体可以长期(chngq)运动和反复受力。但是这种自行修复的能力也是有一定限度的，过度的疲劳导致永久性的损伤。第68页/共97页第六十九页，共97页。疲劳骨折往往发生在持续过度活动的部位，这种持续过度活动使肌肉疲劳，收缩乏力，导致(dozh)它们积累能量的能力和抵消应力的能力大大减弱。随之发生的骨应力分布变化使骨受到的应力异常增高，疲劳损伤逐渐积累，最终导致(dozh)骨折。第69页/共97页第七十页，共97页。8.骨的受冲击性能(1)骨在冲击载荷作用(zuyng)下产生损伤的程度和损伤的形式，一方面取决于冲击载荷
22、具有的能量大小，另一方面还要取决于冲击载荷的作用(zuyng)时间。第70页/共97页第七十一页，共97页。冲击能量越大，冲击时间(shjin)越短，造成骨的损伤程度越大。第71页/共97页第七十二页，共97页。例：当颗高速飞行的子弹打人头颅中去时，尽管子弹具有很大的动能，但在穿入骨中去的过程中能量大量被吸收，其结果只将骨打穿一个洞而不产生骨折。但是用一钝器猛击头部却使颅骨破碎(p su)，这是因为在颅骨表面冲击时间很短，冲击能量来不及被吸收所致。第72页/共97页第七十三页，共97页。(2)骨承受冲击能力的大小与骨的结构关系密切 进行(jnxng)冲击实验比较，发现头颅骨耐冲击能力要比长骨高
23、40%左右。原因：一方面在于颅骨为扁骨，内外表面是密质骨骨板，中间一层海绵骨，具有吸收冲击能的作用。另一方面颅骨呈薄壳状结构，具有良好的承受外部载荷的能力。第73页/共97页第七十四页，共97页。对于活体中的骨，耐冲击能力(nngl)还应考虑到骨周围的肌肉、皮肤、内脏器官组织等的影响，在进行实验时应尽可能模拟真实情况以便获得较为客观的数据。第74页/共97页第七十五页，共97页。9.骨的断裂韧性 所谓断裂韧性是指某种材料阻止裂纹扩展的能力，一般用它描述材料抵抗脆性破坏的能力。骨经常全因受到某种损伤或内在的缺陷而存在小的裂纹，此时必须要考虑这种裂纹对骨材料强度的影响以及骨材料所具有的抗裂能力，因
24、而引进(ynjn)骨的断裂韧性这力学参数。第75页/共97页第七十六页，共97页。由于骨内骨质分布的非均匀性以及骨内存在着孔洞、缺陷(quxin)和裂纹等，使得对骨断裂韧性的研究更为困难和复杂，同时也降低了骨的断裂韧性。第76页/共97页第七十七页，共97页。骨的力学性质受到性别、年龄、取材部位和方向、骨的状态（干骨或湿骨）、加载速度(sd)等因素的影响，会在某一范围变化。第77页/共97页第七十八页，共97页。五.骨的重建(zhn jin)骨具有重建能力，通过改变其大小、形状和结构来适应外界的力学要求。这种骨能够随着应力的作用水平变化而获得(hud)或丢失松质骨和密质骨的现象称为Wolff定
25、律，说明机械应力能影响和调节骨的重建。第78页/共97页第七十九页，共97页。骨量和身体的重量呈正比关系，身体越重，对应的骨量越多。相反长期处于失重状态会导致(dozh)承重骨发生骨量丢失。骨骼肌的活动(hu dng)重力(zhngl)骨骼加载第79页/共97页第八十页，共97页。废用和活动(hu dng)减少状态对骨骼是有害的。正常组和制动组猕猴腰椎载荷(zi h)变形曲线图第80页/共97页第八十一页，共97页。第四节 骨的连接 骨与骨之间的连接装置称骨连接，按连接形式(xngsh)及连接组织不同，分直接连接和间接连接两种。第81页/共97页第八十二页，共97页。（一）直接连接 骨与骨间借
26、致密结缔组织(jid-zzh)、软骨或 骨直接连接，其间无腔隙，称直接连接，包括纤维连接、软骨连接和骨性结合三种形式。其特点是活动幅度小或不能活动。如颅骨之间的骨缝、椎骨之间的椎间盘等，这种连接形式其活动范围很小。第82页/共97页第八十三页，共97页。（二）间接连接 骨与骨之间通过关节相连。它是全身骨的主要连接方式，其活动范围(fnwi)大，可完成各种不同的运动。第83页/共97页第八十四页，共97页。第84页/共97页第八十五页，共97页。每个关节都具有关节面、关节囊和关节腔三种基本(jbn)构造。第85页/共97页第八十六页，共97页。关节面：是构成关节的相对面，一骨的关节面隆凸，构成关
27、节头，另一骨的关节面凹陷，形成关节窝。关节面覆盖一薄层透明软骨，称关节软骨，其表面光滑，有弹性，可减少运动时的摩擦(mc)，并缓冲震荡。第86页/共97页第八十七页，共97页。关节囊：为结缔组织膜构成的囊，分内、外两层。外层(wi cn)为纤维层，由致密结缔组织构成，厚而坚韧；内层为滑膜层，由疏松结缔组织构成，薄而柔软，能分泌滑液。第87页/共97页第八十八页，共97页。关节腔：是关节软骨与滑膜围成的密闭腔隙，内含(ni hn)少量滑液，有润滑关节以减小摩擦的作用。腔内为负压，增加了关节的稳固性。第88页/共97页第八十九页，共97页。除以上主要部分以外还有韧带、关节盂缘、滑液囊等辅助结构，起
28、加固关节和增加灵活性的作用。关节的运动主要分为屈和伸、内收和外展、旋内和旋外遗迹环转等四种(s zhn)形式。第89页/共97页第九十页，共97页。第五节 关节软骨 (cartilage)软骨略有弹性，能承受压力并耐摩擦，有一定的支持和保护作用。软骨由软骨组织及其周围(zhuwi)的软骨膜构成。第90页/共97页第九十一页，共97页。关节软骨是一种十分特殊的组织，在一般人的寿命期内都可以无损(w sn)地承担高负荷关节运动，但是从生理角度来看，关节软骨属于独立的组织，无血管和淋巴管，也没有神经支配，而且软骨细胞密度比其它组织少。第91页/共97页第九十二页，共97页。关节软骨是一种多孔的粘弹性
29、材料。组织间隙中充满着液体，应力作用下，液体可在组织中流(zhngli)进或流出。当组织膨胀时液体流入组织；当组织收缩时液体又流出来。液体在压力作用下的流动可能就是这种无血管组织取得营养的途径。软骨力学性能会随着液体的含量而改变。第92页/共97页第九十三页，共97页。关节软骨在关节活动防止磨损方面表现出非凡(fifn)的润滑性能。它的摩擦系数（表面滑动阻力与正压力之比）要比油在金属上润滑低两个数量级，比最好的人工材料低许多倍。成年人的关节几乎没有再生能力,但可以维持整整一生而不会磨损破坏。第93页/共97页第九十四页，共97页。对于关节在润滑方面有如此(rc)之高效率的机理，不少学者作了一些
30、探讨，研究其原因，一方面在于关节软骨承压时液体溢出缓慢。而承压面转移时液体重新吸收复原的特性；并且关节中承压的接触面随时转移，使得应力得到良好分布。第94页/共97页第九十五页，共97页。另一方面在于关节软骨滑膜液本身的流变特性，在切变率增大时粘度下降，有利于润滑。此外(cwi)聚合物流动时产生的法向应力有利于承受载荷，或者有一种润滑分子物质与软骨层的相互作用。这些都有利于提高关节的润滑作用。第95页/共97页第九十六页，共97页。骨关节病是一种常见病多发病，它是活动关节的一种慢性的、进行性疾病，以关节基质崩解、软骨细胞明显减少为主要特征。其病理变化最初发生于软骨，以后侵犯软骨下骨板以及滑膜等关节周围(zhuwi)组织，可见局灶性、侵蚀性软骨破坏，软骨下硬化、囊性变和代偿性骨赘等病理变化。以上病理改变主要与年龄、损伤和肥胖等因素有关。第96页/共97页第九十七页，共97页。