生物力学课程——骨骼力学18.ppt

第一节 骨的结构 四.骨的宏观结构 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，由骨小梁形成筛状结构，小梁之间的空隙充满了红骨髓。 第二节 骨的成分 骨是由骨组织、骨膜和骨髓等构成的坚硬 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 量的骨盐沉积，使骨组织成为人体最坚硬的组 织之一。 拉伸实验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,但是老年人骨脆性更大，失去了形变能力。 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、费用和钙不足等。 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，这种循环载荷下造成骨的损伤为疲劳损伤。 疲劳曲线显示载荷与载荷反复次数之间的相互作用 骨的疲劳过程不仅仅受到载荷强度和反复次数的影响，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。 在一般情况下，如果因疲劳而使骨产生细小裂纹时,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。 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的条件之一。 大量研究表明：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。 第三节 骨的力学特性 具有很高的抗压、抗拉性能，又有一定的硬度。 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。 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。 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。 二、骨的材料力学性能特点 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范围，应力过高、过低都会造成骨的萎缩。 其次骨的干、湿状态影响其力学性质。 此外骨的强度、弹性模量还与年龄、性别和病理等因素有关。 2.骨与工程材料相比的第二个特点： 骨是一种非均匀的、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。 与其它生物材料相比，如肌肉、血管，骨的性能，如应力—应变关系等，更接近工程材料。 因此，工程学方法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。 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一种单纯材料更加坚韧。 从功能上说，骨最重要的力学性质是它的强度、刚度和应力-应变关系。 通过骨在外力作用下的变形可得到。 由韧性材料组成的结构体的载荷-形变曲线 强度 刚度 能量积累 脆性 密质骨在拉伸实验中的应力-应变曲线 1.骨、金属和玻璃的力学性质比较 三种材料的应力-应变曲线 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-应变关系 密质骨： 疏松度为5—30% 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30—90% 强度低 应变能力好，变形可达 7%