骨的力学性能.doc

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第二章 骨力学性质及研究方法 2.1 密质骨的力学性质[1] 密质骨较硬,其应力-应变关系与常用的工程材料很相似,因此,常用工程方法可用于骨的应力分析。图 2.1 是人体股骨受单向拉伸时的应力-应变关系。可见,干燥骨较脆,当应变为 4%时即破坏,而鲜骨最大应变可到 1.2%。由于应变范围很小,可以用 Cauchy 应变描述。 式中 x1,x2,x3为直角坐标,u1,u2,u3为位移在 x1,x2,x3上的分量,εij 为应变分量。从图 2.1 可知,在一定应变范围内,骨的弹性响应遵循胡克定律。因此,在比例极限下,骨单向受载时,其应力σ -应变ε 的关系为 σ = Eε (2.2) 式中E 为杨氏模量。表 2.1 给出了一些动物和人的湿的密质骨的力学性能。从表中可以看出:所有骨在压缩时的强度极限和极限应变都比拉伸时大;拉伸时的弹性模量比压缩时大。产生这些差异的原因在于骨结构的非均匀性。以成人股骨(密质骨)为例,其弯曲强度极限为160MPa16kg /mm2 ,拉伸时的剪切模量为54.1± 0.6MPa 。因而在拉伸时的弹性模量为3.2GPa 326kg / mm2 。骨的强度随着动物的年龄、雌雄、骨的位置、载荷的方向、应变率、实验的取样(干与湿)等不同而变化,其中应变率的影响特别重要。应变率大,强度极限也越大。山田(Yamada)(1970)、Evans(1973)、Reilly 和 Burstein(1974)等收集、发表了大量资料。 2.1.1 长骨的解剖结构 图 2.2 是长骨的结构简图。它呈杆状,两头稍大,称干骺端,中间呈柱状称骨干。未成年的动物,每一干骺端都被骨骺所覆盖,并由软骨生成板(growthplate,又称骺板)联结在一起。骨骺的顶部有一层关节软骨作为关节的滑动表面。关节软骨间的干摩擦系数很低(小到 0.0026,是固体材料中最低的),因此软骨表层使关节获得很高的效率。骨骺板是软骨骨化的地方,停止生长时,由松质骨构成的骨骺便与干骺端融合在一起。干骺端与骨骺的外壳是一层很薄的皮质骨,它与骨干的密质骨部分连在一起。 骨干是一个中空的管子,其壁是致密的皮质骨,在骨干处较厚到两端就逐渐变薄。在中间空腔(骨髓腔)内有骨髓。 成熟的长骨的整个表面(关节部分除外)有一层骨膜。骨膜内层含有大量的活性细胞,它的增值意味着骨的生长,称为骨发生层。成熟后,这一层主要由毛细血管网构成。在骨膜的外层有纤维质,它是骨膜的主要成分。如果骨骼受到损伤,骨膜内层细胞将转变成骨细胞。 当我们讨论骨的力学性能时,必须指明研究骨的哪一部分。如表 2.1 中所列的是骨干的骨皮质部分的数据,是以密质骨为试件而测定的。它们代表该部分骨的平均力学性能。 当用显微镜观察时,骨可以看成是一个复合体。图 2.3 是 Ham(1969)提出的密质骨的基本结构。基本单元为 Haversian 系统或骨单元(osteon)。骨单元的中心是一根动脉或静脉,这些血管由称为 Volkmann 管连接其外层有一层层地按同心圆柱方向排列的胶原纤维簇。 骨骼中大约重量的三分之二或者体积的一半以上是无机物,其主要成分是羟磷灰石3Ca3(PO4)2 ?Ca(OH)2 ,是极小的结晶体,长约 200A ,横截面面积为2500 A (50×50A )(Bourne,1972)。其次为胶原纤维。羟磷灰石晶体是沿着胶原纤维长度方向排列的。胶原纤维的排列因骨的不同而有差异。通常以整齐的薄片层状出现,任何一层中的纤维是彼此平行的,与邻近层呈近似于直角的交错排列。在松质骨中,纤维的排列是纷乱的。 2.1.2 骨是一种复合材料 骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成的复合材料,具有优异的力学性能。羟磷灰石沿轴向的杨氏模量为 165GPa,与常用的金属材料相当(钢 200GPa,6061 合金铝 70GPa)。胶原纤维的弹性行为并不严格地遵从胡克定律,其切向模量约为1.24GPa。骨的杨氏模量(人的股骨,拉伸时为 18GPa)介于羟磷灰石和胶原纤维之间,但其材料的力学性能比二者都要好。因为它既能避免硬材料的脆性破坏,又能避免软材料的过早屈服。 复合材料的力学性能(杨氏模量、剪切模量、粘弹性,特别是在破坏时的极限应力和应变等)不仅与复合材料本身的组分及组分含量有关,也与其构造有关。例如:复合材料的几何形状,纤维和基质的联结、纤维联接点处的构造等。人们对骨的强度与骨的质量密度的关系曾做过实验研究。Amtmann 和Schmitt(1968,1971)通过 X 光照片分析人体股骨中钙的分布,测定其质量密度,并与其强度分布作比较。发现强度与密度的相对关系数仅为 0.40-0.42。看来,想要充分了解骨的强度,必须寻求影响其力学性能的结构因素。 2.2 松质骨的力学性质 骨骼系统中,松质骨(小梁骨)以三维的骨板与骨

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