生物力学课程——骨骼力学18.ppt

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1、骨的力学性质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。二.参与机体钙和磷的代谢。骨具有丰富的血供和良好的自我修复能力。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。第一节骨的结构一．人体共有206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；扁骨，如颅骨中的枕骨、顶骨；不规则骨，如椎骨。这些形状不同的骨，是长期自然演变的结果，它符合最优化原则，即用最小的

2、结构材料承受最大的外力，同时还具有良好的功能适应性。三.骨的微观结构在显微镜下，构成骨的基本结构单位称之为骨单位，即哈佛氏系统。哈佛管：内含神经和血管。板层骨：包绕在管的周围。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。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%左右松质骨骨小梁松质骨: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

3、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最大的外部载荷。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。一.骨基质钙化的骨组织的细胞外基质。包括有机成份和无机成份,含水极少。有机质：胶原纤维（主要由Ⅰ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）●羟磷灰石是针状结晶体，长约200A。晶体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

4、为165GPa,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。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。二.四种骨细胞骨祖细胞成骨细胞骨细胞破骨细胞四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转化，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

5、或骨折修复时，骨祖细胞活跃，不断分裂、分化为成骨细胞。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。在良好的力学环境下。成骨细胞数量增加，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下，骨折愈合迟缓，甚至不愈合，骨质疏松，强度下降。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

6、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活动。骨细胞：成骨细胞产生类骨质后，自身被包埋其中，分泌能力逐渐减弱，转变为骨细胞。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，体积变大，骨组织以破坏、吸收为主，骨质疏松，强度、刚度降低。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

7、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

8、，是生物体造型的结构部分