骨的力学性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,骨的力学性质,1,骨是有生命的器官,从力学角度讲，骨是人体受力的主要载体,分类 部位 形态,2,骨的形态,成人全身骨约占体重的,20,，,206块,。,形态多样，分为四类：,长骨,：主要分布于四肢，起支持和杠杆作用,；,长骨中间部为骨干，,呈长管状，骨干,内空腔为骨髓腔，两端膨大，为骺。,如肱骨。,短骨,：形似立方形，多分布于既能承受压力,又能活动的部位，如手的腕骨和足的,跗骨；,3,骨的形态,成人全身骨约占体重的,20,，,206块,。,形态多样，分为四类：,扁骨,：呈板状，富有较大的弹性和坚固性，,围成空腔对腔内器官起保护作用，,如顶骨、枕骨等；,不规则骨,：形状不规则，如椎骨、蝶骨。,4,第一节 骨的成分,有机质,胶原纤维、无定形基质,四种骨组织细胞：,骨祖细胞,成骨细胞,骨细胞,破骨细胞,无机盐-主要是羟基磷灰石,水,5,6,无机物,碱性磷酸钙为主的无机盐类、碳酸钙等。,作用,：使骨挺硬坚实。,有机物,大量排列规则的骨胶原纤维束和粘多糖蛋白,作用,：作为骨支架，赋予骨弹性和韧性，,使骨具有基本形态。,7,第二节 骨的构造,骨膜,：,紧贴在除关节面以外的骨表面的一层,致密纤维结缔组织,膜，很坚韧，分为内外两层。内层中有一些细胞可分化为,成骨细胞和破骨细胞。,骨膜内含有丰富的,血管,和,神经,，对骨起营养作用。,骨由,骨膜、骨质,和,骨髓,构成，有丰富的,血管,和,神经,。活体内的每一块骨都是一个活的器官。,8,骨膜,骨膜内的,成骨细胞,在生长发育期能形成新骨，使骨长粗。成年以后则处于相对静止状态，但在骨折时，成骨细胞可再增生活动，促进骨的愈合。,骨膜内的,破骨细胞,能破坏骨质。,成骨细胞与破骨细胞对骨的发生、生长改造、修复起着重要作用。,9,骨质,分骨密质和骨松质两类。,骨密质：,在骨的表面，由层层紧密排列的,骨板,构成，结构致密坚硬，抗压、抗扭曲力强。,10,骨松质,骨松质：,骨松质在骨密质的内面，结构疏松，弹性较大，由许多片状的,骨小梁,交织排列而成。 呈蜂窝状，骨小梁与压力的传递方向一致，能承受很大的压力。,11,骨密质和骨松质的,分布,长骨骨干,：,有很厚的骨密质，骨干,中央为骨髓腔。,长骨骨骺及短骨,：,表面有一层薄的骨密,质，中央为骨松质。,扁骨,：,内外表面都是骨密质形,成的骨板，中央为骨松质,12,骨髓,在胎儿和幼儿时期全部都是,红骨髓,，具有造血功能。随着年龄的增长(约57岁)，骨髓腔中的红骨髓逐渐被脂肪组织所代替，颜色变黄称为,黄骨髓,，失去造血功能。但当大失血或严重贫血时，黄骨髓可再转变为红骨髓，恢复造血功能。,在,骨骺、短骨,及,扁骨,的骨松质内的红骨髓终生保持造血功能。,充填于骨髓腔和骨松质的网眼内。,13,骨的显微结构,作用,：骨组织与软骨组织均属于具有支持和保护作用的结缔组织。,骨质、,骨膜（血管、神经）、骨髓,骨组织,骨细胞：多突起，位于骨陷窝内，埋藏,在固体状态基质中,基质：基质和纤维排列成紧密的骨板。,具有一定的形状和强大的坚韧性,和弹性。,软骨组织,骨组织,透明软骨、弹力软骨和纤维软骨,14,骨的显微结构,15,第三节 骨的力学特性,具有很高的抗拉、压性能,有一定的硬度,从骨的结构而言，经过生物优化过程，具有最优的力学性能，既优化为最大的强度、最省的材料、最轻的重量。,16,骨的可塑性,：在生长、发育过程中，由于各种条件的影响使得骨的形态有所改变。,骨的粘弹性,：在外力作用下，骨产生的形变与时间相关。,17,力学性质：,极限,强度,：,抗张强度,抗压强度,弯曲强度,刚度,：,弹性模量,：,韧性,：,应力应变曲线：,在此,施加,压力,在此,拉伸,体重的着力点,人 体 股 骨 的 应 力 分 布,18,应力与应变曲线,STRESS,骨密质,骨松质,Greater Area: Absorbs more Energy,19,骨骼及其力学性质,（极限压缩强度和压缩率）,股骨,切向颅骨,径向颅骨,椎骨,骨试件压缩应力应变曲线（,图）,20,骨力学特性的基本概念,力学性质：,（极限）,强度,： 抵抗破坏的能力,抗张强度,抗压强度,弯曲强度,刚度,： 抵抗变形的能力,稳定性：保持相对位置的能力,弹性模量,：,韧性,：,应力应变曲线：,21,骨的材料力学性能特点,有生命,非均匀、各向异性的复合材料,接近于工程材料，用工程学方法分析骨的力学性能,22,骨材料力学试样的选取,单质试样,选取单一种类的骨质材料最为试样（如只选取密致骨）,多质试样,多针对扁骨这样的结构,整体骨骼试样,23,骨的材料力学性能,拉伸压缩,剪切,弯曲,扭转,骨的疲劳性能,骨的断裂韧性,24,骨的拉伸和压缩,成人湿润密质骨试件的拉伸应力应变曲线（,图）,桡骨,腓骨,肱骨,=117Mpa =1.5%,线弹性,25,年龄、部位、性别,同一骨的不同方向的试样,湿骨和干骨,加载速度,26,骨的剪切,受一对大小相等、方向相反，相距很近的力的作用。,影响因素,：干骨湿骨、性别、年龄等,各向异性,27,骨的弯曲,骨在与轴垂直方向上受力会产生弯曲变形，骨在弯曲时受到有拉应力、压应力以及剪应力，情况较为复杂。,长骨-简化为等厚度的椭圆环形截面的直杆。,28,骨的扭转,实验表明，骨的抗扭能力较差,密致骨受压能力最好、受拉性能其次、受剪性能最差。,松质骨各项强度均小的多,29,骨的疲劳性能,运动过程骨反复受力，当作用超过某一限度，骨组织会发生损伤,疲劳损伤,自行修复能力,过度疲劳永久损伤,30,骨受冲击性能,影响因素,冲击载荷大小,冲击载荷作用时间（能量）,骨的结构,31,骨的断裂韧性,断裂韧性某种材料阻止裂纹扩展的能力，描述材料抵抗脆性破坏的能力。,骨上存在孔洞、缺陷、裂隙等，降低了骨的断裂韧性。,32,第四节 软骨,软骨由软骨组织及其周围的软骨膜构成，软骨组织由软骨细胞、基质及纤维构成。,根据软骨组织内所含纤维成分的不同，可将软骨分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨三种，其中以透明软骨的分布较广，结构也较典型。,软骨是具有某种程度硬度和弹性的支持器管。,33,一、透明软骨(Hyaline Cartilage),透明软骨间质内仅含少量胶原原纤维，基质较丰富，新鲜时呈半透明状。主要分布于关节软骨、肋软骨等。,二、纤维软骨(Fibrous Cartilage)：纤维软骨分布于椎间盘、关节盘及耻骨联合等处。基质内富含胶原纤维束，呈平行或交错排列。软骨细胞较小而少，成行排列于胶原纤维束之间。,34,三、弹性软骨(Elastic Cartilage),弹性软骨分布于耳廓及会厌等处。结构类似透明软骨，仅在间质中含有大量交织成网的弹性纤维，纤维在软骨中部较密集，周边部较稀少。这种软骨具有良好的弹性。,四、软骨膜(Perichondrium),除关节面的软骨表面以外，软骨的周围均覆有一层较致密的结缔组织，即软骨膜。其外层纤维较致密，主要为保护作用；内层较疏松，富含细胞、神经及一些小血管。在紧贴软骨处的软骨膜内还有一种能形成骨或软骨的幼稚细胞(干细胞)，呈梭形，可增殖分化为软骨细胞。软骨膜能保护及营养软骨，同时对软骨的生长有重要作用。,35,关节软骨,关节软骨主要的功能是缓解压力的作用，在压力作用下，软骨被压缩，解除压力，又可伸展，可以保护软骨下的骨骼不受破坏，或者仅发生轻微的损伤。,除此之外，关节软骨还有润滑作用，使骨端滑动。,由于弹性作用，可迅速恢复原状，因此关节软骨的形状改变而体积不变。在青年人，这种弹性作用较强，缓冲效果亦佳。然而老年人其纤维变性，弹性减弱，关节软骨的延伸能力也减弱，且恢复原状的能力也变得不如青年人，再加上老年人关节液减少，使关节软骨变得干燥，因此老年人的关节软骨易受损伤，经常发生退行性骨关节病。,36,第五节 骨的连接,直接连接,韧带连接,软骨结合,骨结合,间接连接,关节,37,韧带连接,两骨之间靠结缔组织直接连结的叫韧带连接。韧带多呈膜状、扁带状或束状，由致密结缔组织构成。肉眼观呈白色，有光泽，附着于骨的地方与骨膜编织在一起，很难剥除，有的韧带由弹性结缔组织构成，肉眼观呈淡黄色，叫做黄韧带（如项韧带）。一般的韧带连接允许两骨间有极微的动度。但有些骨与骨之间，两直线缘相对或互以齿状缘相嵌，中间有少量结缔组织纤维穿入两侧的骨质中，使连结极为紧密，叫做缝，如颅骨的冠状缝和人字缝。,38,软骨结合,相邻两骨之间以软骨相连接叫软骨结合。软骨组织属结缔组织的一种，呈固态有弹性，由大量的软骨细胞和间质构成，由于间质的成分不同，又有透明软骨、纤维软骨和弹力软骨的区分。第一助骨连于胸骨的软骨属透明软骨，而相邻椎骨椎体之间的椎间盘则由纤维软骨构成。由于软骨具有一定弹性，所以能做轻微的活动。有的软骨结合保持终生，而大部分软骨结合在发育过程中骨化变为骨结合。,39,骨结合,由软骨结合经骨化演变而成，完全不能活动，如五块骶椎以骨结合融为一块骶骨。,40,关节,尽管人体的关节有多种多样，但其基本结构不外有关节面、关节囊和关节腔。,1、 关节面：各骨相互接触处的光滑面叫关节面。关节面为一层软骨覆盖称关节软骨。,2、 关节囊：由结缔组织组成，它附着于关节面周围的骨面上。可分为内外两层，外层为纤维层，由致密结缔组织构成；内层为滑膜层，由薄层疏松结缔组织构成，可分泌滑液，起到润滑作用。,3、 关节腔：就是关节软骨和关节囊间所密闭的腔隙。,41,第六节 骨的功能适应性原理,Wolf定律,：活体骨按其所受应力而改变成分、内部结构以及外部形态重建（内部重建、表面重建）,42,第七节 骨折,不同受力形式下的骨折,拉伸力,压缩力,弯曲力,扭转力,复合力,外力作用性质和骨折,静力,冲击力,交变载荷,骨折愈合的力学环境,骨痂愈合过程,直接骨愈合,接触愈合,间隙愈合,影响骨折愈合的力学环境,43,不同受力形式下的骨折,不同受力形式下的骨折,拉伸力,压缩力,常发生于脊柱，原因是破坏性的压缩力,弯曲力,骨折常先发生于张应力一侧,扭转力,常见于长骨，骨折形状表现为螺旋形,复合力,44,外力作用性质和骨折,外力作用性质和骨折,静力,冲击力,造成骨折的主要原因,交变载荷,45,骨折愈合的力学环境,骨折愈合的力学环境,骨痂愈合过程,直接骨愈合,接触愈合,间隙愈合,46,骨痂愈合过程,固定稳定性较差的骨折，在多个方向应力刺激下，通过骨痂的形成和改建、塑形获得骨折愈合。,阶段：,炎症期,修复期,改建塑形期,47,骨折修复期,1、血肿的形成：,血肿,软组织损伤、血管破裂,骨折,巨噬细胞、血小板、血细胞,生化反应,毛细血管通透性,纤维蛋白原,不溶纤维蛋白素,凝血因子：凝血酶、血小板、 钙,纤维网架,纤维细胞,胶原、骨基质,骨折处肉芽组织,入侵细胞、毛细血管增生,使血块吸收，形成,收集入侵细胞,48,骨折修复期,2、纤维骨痂的形成：,肉芽组织,骨内膜,成骨细胞,骨髓内,软骨质,骨小梁,骨外膜内层骨细胞,成软骨细胞,骨外膜软骨,3、骨痂改建期：,成骨细胞,破骨细胞,骨移除和骨代替,49,直接骨愈合,无肌肉应力遮挡,紧密接触,弯曲、扭转、剪切力完全被控制,只有轴向压力,血供良好,50,间隙愈合,紧密接触不可能无间隙,间隙处通过新骨生成而愈合,51,影响骨折愈合的力学环境,固定牢固程度,应力遮挡,应力替代,接触面积,接触紧密程度,52,骨组织再生能力强，可完全愈合。,长骨单纯性骨折愈合分三期：,血肿的形成与急性炎症期,修复期,重建期,53,