
生物力学:骨的力学性质.ppt
190页骨是坚硬而有生命的器官骨是坚硬而有生命的器官, ,是人体中是人体中能再生和能自我修复的组织骨骼系统能再生和能自我修复的组织骨骼系统的功能主要有两种:的功能主要有两种:一一. .提供对动物体的支持、运动作用并保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护内脏器官、颅腔及骨髓的造血系统二二. .参与机体钙和磷的代谢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变而改变例如:废用或过度使用通常会伴随骨密度的改变伴随骨密度的改变骨的结构骨的结构: : 骨的力学性质骨的力学性质: :结构组成结构组成几何结构几何结构成份结构成份结构骨力学性质的特点骨力学性质的特点骨力学性质的研究方法骨力学性质的研究方法骨材料试样的选取骨材料试样的选取骨力学性质骨力学性质• 结构与功能的相适应结构与功能的相适应• 完美的力学性质完美的力学性质• 力学环境调节骨的结构力学环境调节骨的结构 第一节第一节 骨的结构骨的结构一.人体共有一.人体共有206206块骨,依所在部位可分为块骨,依所在部位可分为: : 颅骨、躯干骨和四肢骨。
颅骨、躯干骨和四肢骨二.按其形状又可分为二.按其形状又可分为: : 长骨长骨,如胫骨、股骨;,如胫骨、股骨; 短骨短骨,如腕骨、跗骨;,如腕骨、跗骨; 扁骨扁骨,如颅骨中的枕骨、顶骨;,如颅骨中的枕骨、顶骨; 不规则骨不规则骨,如椎骨?? 这些形状不同的骨,是长期自这些形状不同的骨,是长期自然演变的结果,它符合最优化原则,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力,同时还具有良好的功能适应性三三. .骨的微观结构骨的微观结构 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,即哈佛氏系统单位,即哈佛氏系统哈佛管:哈佛管: 内含神经和血管内含神经和血管板层骨:板层骨: 包绕在管的周围包绕在管的周围四四. .骨的宏观结构骨的宏观结构 骨分为骨分为密质骨密质骨和和松质骨松质骨 密质骨密质骨一般位一般位于骨的外层于骨的外层松质骨松质骨位于位于骨的内层,骨的内层,由骨小梁形由骨小梁形成筛状结构,成筛状结构,小梁之间的小梁之间的空隙充满了空隙充满了红骨髓。
红骨髓•密质骨:密质骨: 疏松度为疏松度为5 5—30%30% 强度高强度高 变形能力差、变形超变形能力差、变形超 过过2%2%就会产生断裂就会产生断裂 •松质骨:松质骨: 疏松度为疏松度为3030—90%90% 强度低强度低 应变能力好,变形可达应变能力好,变形可达 7% 7%左右左右松松质质骨骨骨骨小小梁梁松质骨松质骨: :1.1.松松质质骨骨具具有有多多孔孔结结构构,,因因而而有较高的能量储存能力有较高的能量储存能力2. 2. 松松质质骨骨内内胶胶原原纤纤维维的的排排列列看看似似是是纷纷乱乱的的,,但但它它并并非非无无序序,,它它是是根根据据主主要要的的受受力力状状态态沿沿着着主主应应力力的的方方向向排排列列,,形形成成最最优优的的受受力力结结构构,,即即用用最最少少的的材材料料承承受受最最大大的的外外部部载荷第二节第二节 骨的成分骨的成分特点:细胞外基质有大量的骨盐沉积,使特点: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骨组织成为人体最坚硬的组织之一骨骨骨组织骨组织骨膜骨膜骨髓骨髓基质基质细胞细胞一一. .骨基质骨基质 钙化的骨组织的细胞外基质。
包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括有机成份和无机成份含水极少有机质:有机质: 胶原纤维(主要由胶原纤维(主要由ⅠⅠ型胶原蛋白构成)型胶原蛋白构成) 无定形基质(蛋白多糖及其复合物)无定形基质(蛋白多糖及其复合物)无机盐:羟磷灰石无机盐:羟磷灰石 ((3Ca3((PO4))2Ca((OH))2 )) 1.1.羟磷灰石是针状结晶体羟磷灰石是针状结晶体晶体是沿着胶原纤维长晶体是沿着胶原纤维长度方向排列的度方向排列的• 非常坚硬非常坚硬, ,沿轴向的压缩弹性模量为沿轴向的压缩弹性模量为165165GPa,GPa,与钢与钢的弹性模量的弹性模量200200GPaGPa相近• 抗压强度大抗压强度大• 脆性大2. 胶原纤维不严格遵守胡克定律,其纵向弹性拉伸模胶原纤维不严格遵守胡克定律,其纵向弹性拉伸模量为量为1.24GPa• 胶原纤维具有韧性和柔软性,并具有部分可延展性胶原纤维具有韧性和柔软性,并具有部分可延展性• 抵抗拉伸抵抗拉伸 骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成的复合材料,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: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的硬材料又可阻止软材料的屈服• 即抗压又抗拉即抗压又抗拉 二二. . 四种骨细胞四种骨细胞 骨祖细胞骨祖细胞 成骨细胞成骨细胞 骨细胞骨细胞 破骨细胞破骨细胞 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,产生新骨质转化,互相配合而吸收旧骨质,产生新骨质骨祖细胞:骨祖细胞:• 骨组织的干细胞,位于骨膜内,可分化成为骨组织的干细胞,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、分化为成骨细胞祖细胞活跃,不断分裂、分化为成骨细胞 在良好的力学环境下,成骨细胞数量增加,胞体增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,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。
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,强度下降愈合,骨质疏松,强度下降 数量、形状、合成分泌功能受数量、形状、合成分泌功能受成骨细胞成骨细胞的功能是合成分泌胶原、钙化基质的功能是合成分泌胶原、钙化基质应力环境影响,如应力的应力环境影响,如应力的性质、大小、频率等性质、大小、频率等 年龄、遗传、疾病、内分泌的影响年龄、遗传、疾病、内分泌的影响 成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞力力敏感离子通道敏感离子通道G G蛋白蛋白酪氨酸激酶酪氨酸激酶整合素受体整合素受体细胞骨架细胞骨架使细胞感受体内外力学刺激使细胞感受体内外力学刺激 将力学刺激信号转化为细胞将力学刺激信号转化为细胞 生物化学信号生物化学信号力相关敏感基因表达,力相关敏感基因表达,合成各种酶类等活性物质合成各种酶类等活性物质,,激活信号网络级联反应激活信号网络级联反应一系列复杂的生理病理活动一系列复杂的生理病理活动骨细胞:骨细胞:成骨细胞产生类骨质后,自身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,转变被包埋其中,分泌能力逐渐减弱,转变为骨细胞。
为骨细胞破骨细胞:破骨细胞:吞噬和分解非受力骨组织和坏死骨组吞噬和分解非受力骨组织和坏死骨组•合成并分泌合成并分泌溶胶原酶溶胶原酶,对失去应力的胶原进行溶解;,对失去应力的胶原进行溶解;•合成分泌多种合成分泌多种水解酶水解酶, 对羟基磷灰石进行水解破坏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,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,在低应力区,破骨骨细胞数量增加,体积变大, 骨组织以破坏、吸收为主骨组织以破坏、吸收为主, ,骨质疏松,强度、骨质疏松,强度、 刚度降低刚度降低 正常骨骼处于一个吸收与生长重建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,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、骨可导致骨密度、骨钙含量、骨基质蛋白、骨形成速度的降低。
形成速度的降低 体内实验及临床应用,发现适当的牵张应力(动体内实验及临床应用,发现适当的牵张应力(动载)在骨折修复、骨缺损的整复等中,能刺激骨组织载)在骨折修复、骨缺损的整复等中,能刺激骨组织自身生长与重建自身生长与重建第三节第三节 骨的力学特性骨的力学特性 从骨的结构而言,经过生物优化过程,从骨的结构而言,经过生物优化过程,具有最优力学性能,优化为具有最优力学性能,优化为最大的强度最大的强度最省的材料最省的材料最轻的重量最轻的重量例如:例如:1. 密密质骨抗压性能最好,极限应力:质骨抗压性能最好,极限应力: 压缩压缩190Mpa 拉伸拉伸130Mpa 剪切剪切70Mpa 通过对骨骼力学性质的讨论可知,通过对骨骼力学性质的讨论可知,密质骨的受密质骨的受压性能力最好压性能力最好,,受拉其次受拉其次,,受剪最差受剪最差。
图中阴影部分为松质骨密质骨与松质骨相比,图中阴影部分为松质骨密质骨与松质骨相比,松质骨的拉伸、压缩及剪切等强度均小得多松质骨的拉伸、压缩及剪切等强度均小得多 骨骨的空心结构,硬质骨(密质骨)的空心结构,硬质骨(密质骨)集中在外面,密质骨的强度、弹性模量比集中在外面,密质骨的强度、弹性模量比松质骨大松质骨大1010倍松松质骨的多孔结构可吸收、储存能量质骨的多孔结构可吸收、储存能量 密密质质骨骨内内部部的的的的哈哈佛佛氏氏孔孔可可以以阻阻止止表表面裂纹的向内延伸面裂纹的向内延伸 在研究骨的力学性能时必须考虑到它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工程材料均不具有这个特性 从从力力学学和和工工程程的的角角度度看看,,人人体体无无非非是是一一种种由由生生命命材材料料((骨骨骼骼、、肌肌肉肉))构构成成的的结结构构而而已已,,骨骨骼骼作作为为生生物物体体上上具具有有一一定定刚刚性性的的材材料料,,起起着着构构架架和和支支撑撑的的作作用用,,是是生生物物体体造造型型的的结结构构部部分分。
在在生生物物体体存存活活时时间间,,几几乎乎每每时时每每刻刻都都处处于于受受力力状状态态,,因因此此,,和和一一般般结结构构材材料料一一样样,,也也有有强强度度、、变变形形、、稳稳定定、、疲疲劳劳等等要要求求,,一一旦旦超超过过了限度,就有灾难性的后果了限度,就有灾难性的后果一一. .骨的材料力学性能特点骨的材料力学性能特点 1.1.骨与工程材料相比,其最大的特点在于骨与工程材料相比,其最大的特点在于: :((1 1)它是一个有生命的器官)它是一个有生命的器官 这这体体现现于于力力学学环环境境与与骨骨的的生生长长、、发发育育、、再造和吸收密切相关再造和吸收密切相关 为为了了适适应应不不断断变变化化的的力力学学环环境境,,骨骨在在不不断断地地进进行行结结构构的的适适应应性性改改建建和和缩缩形形例例如如应应力力对对骨骨的的生生长长、、吸吸收收起起着着调调节节作作用用,,每每一一块块骨骨都都对对应应一一个个最最适适宜宜的的应应力范围,应力过高、过低都会造成骨的萎缩力范围,应力过高、过低都会造成骨的萎缩 此此外外骨骨的的强强度度、、弹弹性性模模量量还还与与年年龄龄、、性性别别和病理等因素有关和病理等因素有关。
((2 2)骨是一种非均匀的、各向异性的复合)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同方向,骨的力学性能都有很大的差别不同部位的骨不同部位的骨同一部位,不同的局部解剖位置同一部位,不同的局部解剖位置不同方向的骨不同方向的骨2. 与其它生物材料相比,如肌肉、血与其它生物材料相比,如肌肉、血管,骨的性能,如应力管,骨的性能,如应力—应变关系等,应变关系等,更接近工程材料更接近工程材料 因此可用工程学方因此可用工程学方法可以应用于分析骨的力学性能法可以应用于分析骨的力学性能 二二. .骨力学性质的研究方法骨力学性质的研究方法 目目前前,,骨骨实实验验生生物物力力学学的的测测试试技术为:技术为:• 万能实验机测量法万能实验机测量法• 电测法电测法• 图像法图像法直接测量直接测量: : 用万能实验机进行用万能实验机进行直接测量,通常是对某直接测量,通常是对某一种的生物材料进行力一种的生物材料进行力学性质的测量。
学性质的测量电测法电测法: :灵敏度和精确度高,可直接用于现场灵敏度和精确度高,可直接用于现场和模拟测量,但它不能得到应力分布的全貌和模拟测量,但它不能得到应力分布的全貌电阻应变片电阻应变片图象法图象法: :是一种全场性测量法,可以了解到所测骨组织是一种全场性测量法,可以了解到所测骨组织内应力(或位移)分布的全貌,获得的是图像信息内应力(或位移)分布的全貌,获得的是图像信息 CCD CameraFComputeru1lu1u2u1散斑法散斑法 数字散斑相关法是自数字散斑相关法是自8080年代发展起年代发展起来的基于图像相关的一种非接触式位移来的基于图像相关的一种非接触式位移测量方法测量方法 它通过变形前后的两幅数字化散斑它通过变形前后的两幅数字化散斑图像像素灰度之间的相关运算实现对物图像像素灰度之间的相关运算实现对物体表面的位移测量体表面的位移测量 采用适当的方法,对比变形采用适当的方法,对比变形前后的散斑图的变化,就可以高前后的散斑图的变化,就可以高精确地检测出物体表面各点的位精确地检测出物体表面各点的位移这就是散斑干涉法。
移这就是散斑干涉法 该方法是一种非接触式测试方法,该方法是一种非接触式测试方法,对测试环境要求不高,应该说只要周对测试环境要求不高,应该说只要周围环境的振动幅度小于所要求的位移围环境的振动幅度小于所要求的位移测量精度,以及对不同材质和尺寸的测量精度,以及对不同材质和尺寸的试件有合适的加载设备和装卡试件的试件有合适的加载设备和装卡试件的卡具有合适的成像镜头和卡具有合适的成像镜头和CCDCCD即可进行即可进行测试测试. . 在骨的力学分析中常应用在骨的力学分析中常应用有限元有限元方法,可用于:方法,可用于:• 骨胳系统的应力分布分析骨胳系统的应力分布分析• 骨内外固定系统的力学研究骨内外固定系统的力学研究•人工假肢的设计和优化人工假肢的设计和优化 将一个由无限个质点组成和无限个自由度将一个由无限个质点组成和无限个自由度的连续体近似为有限个单元集合体,这样就使的连续体近似为有限个单元集合体,这样就使结构、运动复杂的研究对象的力学参数的计算结构、运动复杂的研究对象的力学参数的计算成为可能成为可能有限元法:有限元法: 模型的精确度视研究对象的模型的精确度视研究对象的不同要求而定,单元的个数越多,不同要求而定,单元的个数越多,精确度越高,当网络的密度为无精确度越高,当网络的密度为无穷大时,所得的解收敛于模型的穷大时,所得的解收敛于模型的精确解精确解。
目前有限元法在国内得到了普遍发目前有限元法在国内得到了普遍发展,各类临床医生从临床角度出发,针展,各类临床医生从临床角度出发,针对不同的问题做了不同的力学模型,用对不同的问题做了不同的力学模型,用来模拟分析临床各种实际问题,象牙科、来模拟分析临床各种实际问题,象牙科、心脏、眼科等这些研究成果对临床工心脏、眼科等这些研究成果对临床工作具有一定的指导意义作具有一定的指导意义 经过长期的进化,人体形成了一个经过长期的进化,人体形成了一个近乎完美的力学结构通常的力学实验近乎完美的力学结构通常的力学实验基本无法直接应用于活体,对人体的力基本无法直接应用于活体,对人体的力学行为进行有限元数值模拟可深化对人学行为进行有限元数值模拟可深化对人体的认识体的认识对骨科生物力学的研究主要可从以下方向进行:对骨科生物力学的研究主要可从以下方向进行:●●骨作为一种材料进行生物力学研究骨作为一种材料进行生物力学研究●●骨骼系统的生物力学研究骨骼系统的生物力学研究●●骨科新型内外固定系统、骨科新术式及人工假肢、骨科新型内外固定系统、骨科新术式及人工假肢、 关节的生物力学研究。
关节的生物力学研究●●细胞水平细胞水平●●分子水平分子水平三三. . 骨材料试样的选取骨材料试样的选取 骨是一种非均匀的、各向异性的复合骨是一种非均匀的、各向异性的复合材料,对于材料,对于不同的骨骼不同的骨骼、、同一骨骼不同的局同一骨骼不同的局部解剖部位部解剖部位、、不同方向不同方向以及以及不同方式不同方式选取的选取的材料试样材料试样, ,所测量的力学性质也会各不相同,所测量的力学性质也会各不相同,因此必须注意切割点的位置并且要沿不同因此必须注意切割点的位置并且要沿不同方向切取试样进行实验比较方向切取试样进行实验比较 对于复合材料的研究,往往又可以对于复合材料的研究,往往又可以有三种不同的选取方式:有三种不同的选取方式: 1 1.单质试样.单质试样 在骨骼上选取单一种类的骨质材料在骨骼上选取单一种类的骨质材料作为试样,如只选取密质骨、松质骨或作为试样,如只选取密质骨、松质骨或软骨制成板状或棒状试样软骨制成板状或棒状试样 2 2..多质试样多质试样 如扁骨这样的结构,呈板、壳状,通如扁骨这样的结构,呈板、壳状,通常制成多质板进行复合材料的参数测定。
常制成多质板进行复合材料的参数测定 3 3.整体骨骼试样.整体骨骼试样 为了能模拟人体活动时骨受力的实际情为了能模拟人体活动时骨受力的实际情况,应选取整体骨骼进行参数测定例如况,应选取整体骨骼进行参数测定例如对椎骨,通常选取整体骨骼试样,便于直对椎骨,通常选取整体骨骼试样,便于直接发现整体骨在受力过程中的最薄弱部位接发现整体骨在受力过程中的最薄弱部位 4. .骨骼系统骨骼系统 四四. .骨的生物力学性能骨的生物力学性能 从力学角度讲,骨组织是一种双相的从力学角度讲,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,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复合材料的性能比其中任何一种单纯材料更加坚韧更加坚韧 从功能上说,骨最重要的力学性从功能上说,骨最重要的力学性质是它的强度、刚度,可通过骨在外质是它的强度、刚度,可通过骨在外力作用下的变形可得到,即应力力作用下的变形可得到,即应力- -应变应变关系。
关系由韧性材料组成的结构体 的载荷-形变曲线刚度:刚度:能量积累:曲线下能量积累:曲线下 的面积的面积脆性:骨折前的变形脆性:骨折前的变形强度强度结构在破坏前所能承受的载荷结构在破坏前所能承受的载荷结构在破坏前所能承受的变形结构在破坏前所能承受的变形弹性范围内的曲线斜率表示弹性范围内的曲线斜率表示密质骨在拉伸实验中的应力密质骨在拉伸实验中的应力- -应变曲线应变曲线1.1.骨、金属和玻璃的力学性质比较骨、金属和玻璃的力学性质比较三三种种材材料料的的应应力力- -应应变变曲曲线线 新鲜骨抗压性能比砖块大新鲜骨抗压性能比砖块大3030倍,比花岗倍,比花岗岩大岩大2.52.5倍在建筑材料中只有钢筋水泥在倍在建筑材料中只有钢筋水泥在弹性与坚固性相结合方面能与骨相比弹性与坚固性相结合方面能与骨相比 2.2.密质骨和松质骨的力学性能密质骨和松质骨的力学性能密密质质骨骨松松质质骨骨压压缩缩实实验验中中的的应应力力- -应应变变关关系系•密质骨:密质骨: 疏松度为疏松度为5 5—30%30% 强度高强度高 变形能力差、变形超变形能力差、变形超 过过2%2%就会产生断裂就会产生断裂 •松质骨:松质骨: 疏松度为疏松度为3030—90%90% 强度低强度低 应变能力好,变形可达应变能力好,变形可达 7% 7%左右左右 积累能量的能力很强积累能量的能力很强两者疏松度差别很大两者疏松度差别很大→→ 两者的力学性能差异很大两者的力学性能差异很大3.3.骨的各向异性骨的各向异性人人股股骨骨干干密密质质骨骨四四个个方方向向加加载载实实验验 对于同一骨骼的同一局部解剖位置,对于同一骨骼的同一局部解剖位置,取不同方向的试样取不同方向的试样,,其拉伸或压缩的强度及弹性模量也有显著的方向差异其拉伸或压缩的强度及弹性模量也有显著的方向差异经防腐处理的人股骨和胫骨密质骨纵向、切向和径向试样拉伸强度极限经防腐处理的人股骨和胫骨密质骨纵向、切向和径向试样拉伸强度极限 股骨纵向为股骨纵向为85.085.0MpaMpa,,切向为切向为16.416.4MpaMpa,,径向为径向为16.216.2MpaMpa 胫骨纵向为胫骨纵向为89.989.9MpaMpa,,切向为切向为13.413.4MpaMpa,,径向为径向为15.415.4MpaMpa由图可见,沿骨轴方向的纵向试样的拉伸强度极限比其它方向大。
由图可见,沿骨轴方向的纵向试样的拉伸强度极限比其它方向大4.4.肌肉的活动对骨应力分布的影响肌肉的活动对骨应力分布的影响 骨在体内受到载合时,附着于骨的肌肉骨在体内受到载合时,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部分或完全抵消张应收缩产生的压应力能够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力的效应这样就降低或抵消了骨的张应力作用胫骨三点弯曲实验胫骨三点弯曲实验5.5.骨的应变率依赖性骨的应变率依赖性 骨是一种粘弹性材料,它的力学性能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加载随受到的加载速率的变化而发生改变加载于骨的载荷速率越高,骨在骨折前表现的刚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度就越高,能承受的载荷也就越高在体内,应变每天都发生着相当大的变化在体内,应变每天都发生着相当大的变化五五种种应应变变率率下下皮皮质质骨骨的的应应变变率率依依赖赖性性 在临床上,了解加载速度是非常在临床上,了解加载速度是非常重要的。
因为它能影响骨折方式和软重要的因为它能影响骨折方式和软组织损伤数量组织损伤数量 当骨折发生时,它积累的能量就会释放当骨折发生时,它积累的能量就会释放 加载速度低,能量通过单一形式的骨折加载速度低,能量通过单一形式的骨折线,骨和软组织相对保持完整,此时骨折端线,骨和软组织相对保持完整,此时骨折端没有或发生很小的位移没有或发生很小的位移 加载速度较高时,更多的积累能量不能加载速度较高时,更多的积累能量不能够通过单一骨折线很快释放,会发生粉碎性够通过单一骨折线很快释放,会发生粉碎性骨折和广泛性软组织损伤骨折和广泛性软组织损伤人胫骨在高速扭转力作用下发生骨折人胫骨在高速扭转力作用下发生骨折 临床上,根据骨折时能量的释放将临床上,根据骨折时能量的释放将骨折分为三种类型:骨折分为三种类型: 低能量:运动损伤,滑雪等低能量:运动损伤,滑雪等 高能量:车祸高能量:车祸 超高能量:高速的枪弹伤超高能量:高速的枪弹伤骨质疏松对骨粘弹性的影响骨质疏松对骨粘弹性的影响6.6.年龄相关性骨退化性改变年龄相关性骨退化性改变 随着年龄的增加,骨密度会发生进行性随着年龄的增加,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。
降低,纵向骨小梁变细,横向骨小梁被吸收随之的结果就是松质骨的数量显著下降和皮随之的结果就是松质骨的数量显著下降和皮质骨变薄质骨变薄年轻年轻年长年长骨量、年龄和性别之间的关系骨量、年龄和性别之间的关系拉伸实验中年轻人和老年人胫骨的应力拉伸实验中年轻人和老年人胫骨的应力- -应变曲线应变曲线 两者的骨强度相近两者的骨强度相近, ,但是老年人骨脆但是老年人骨脆性更大,失去了形变能力性更大,失去了形变能力 年龄相关的骨量丢失取决于很年龄相关的骨量丢失取决于很多因素,如年龄、性别、内分泌异多因素,如年龄、性别、内分泌异常、活动减少、费用和钙不足等常、活动减少、费用和钙不足等激素对股骨干的作用激素对股骨干的作用7.7.骨的疲劳性能骨的疲劳性能 人在不断的运动的过程中,骨会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,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。
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,如果因疲劳而使在一般情况下,如果因疲劳而使骨产生细小裂纹时骨产生细小裂纹时, ,由于活体骨骼具有由于活体骨骼具有自我修复能力自我修复能力, ,因而活骨的疲劳寿命要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,过度的疲劳能力也是有一定限度的,过度的疲劳导致永久性的损伤导致永久性的损伤 疲劳骨折往往发生在持续过度活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动的部位,这种持续过度活动使肌肉疲劳,收缩乏力,导致它们积累能量疲劳,收缩乏力,导致它们积累能量的能力和抵消应力的能力大大减弱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,的应力异常增高,疲劳损伤逐渐积累,最终导致骨折。
最终导致骨折 骨折可发生在张力侧,骨折可发生在张力侧,也可发生在压力侧,或者也可发生在压力侧,或者两侧均可发生两侧均可发生 张力侧导致横断骨折,张力侧导致横断骨折,很快发生完全性骨折很快发生完全性骨折 压力侧疲劳骨折发压力侧疲劳骨折发生较慢,不容易防碍骨的生较慢,不容易防碍骨的重建,因此不大发生完全重建,因此不大发生完全骨折股骨干受到异常负载股骨干受到异常负载大量的疲劳实验表明大量的疲劳实验表明: :(1)(1)骨疲劳损伤发展的过程同工程上的复合材骨疲劳损伤发展的过程同工程上的复合材料相同,即要经历分层、失粘、基体发生微裂料相同,即要经历分层、失粘、基体发生微裂纹、裂纹扩展、纤维破坏断裂、空洞形成和扩纹、裂纹扩展、纤维破坏断裂、空洞形成和扩大、基体开裂等一系列破环过程大、基体开裂等一系列破环过程2)(2)由疲劳而引起各力学参数的改变,例如骨的由疲劳而引起各力学参数的改变,例如骨的强度、刚度、韧性等逐渐下降以至完全丧失,强度、刚度、韧性等逐渐下降以至完全丧失,这也是复合材料的特点这也是复合材料的特点3)(3)骨的非均匀性和各向异性在疲劳性能上骨的非均匀性和各向异性在疲劳性能上 亦表现极为显著亦表现极为显著。
8.8.骨的受冲击性能骨的受冲击性能 冲击力是指作用时间短而数值很大的力,冲击力是指作用时间短而数值很大的力,它是产生骨折的主要原因它是产生骨折的主要原因 人体从颅骨到趾骨绝大部分骨骼都可能因人体从颅骨到趾骨绝大部分骨骼都可能因冲击力而产生骨折冲击力而产生骨折 当骨骼受到物体撞击时,撞击物的动量(当骨骼受到物体撞击时,撞击物的动量( M V M V ))的数值对骨骼的损伤程度起主要作用的数值对骨骼的损伤程度起主要作用此处此处M M为撞击物体的质量,为撞击物体的质量,V V为物体与被撞骨骼为物体与被撞骨骼间相对运动的速度间相对运动的速度 动动量量较较小小一一般般只只会会出出现现裂裂纹纹,,而而动动量量较较大大则则引引起起骨骨折折如如撞撞击击速速度度V V很很高高,,即即加加载载速速度度很很快快,,则则骨骨骼骼呈呈现现脆脆性性,,此此时时多多出出现现粉粉碎性骨折碎性骨折 随随着着年年龄龄的的增增大大,,骨骨骼骼的的脆脆性性也也加加大大,,此此时时即即便便在在较较低低速速度度的的撞撞击击下下也也可可能能出出现现粉碎性骨折。
粉碎性骨折骨承受冲击能力的大小与骨的结构关系密切骨承受冲击能力的大小与骨的结构关系密切 进行冲击实验比较,发现头颅骨耐冲击能力要比进行冲击实验比较,发现头颅骨耐冲击能力要比长骨高长骨高40% 40% 左右原因:原因:一方面在于颅骨为扁骨,内外表面是密质骨骨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外部载荷的能力 对于活体中的骨,耐冲击能力还应考虑到对于活体中的骨,耐冲击能力还应考虑到骨周围的肌肉、皮肤、内脏器官组织等的影响,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较为客观的数据9.9.骨的断裂韧性骨的断裂韧性 所谓断裂韧性是指某种材料阻止裂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纹扩展的能力,一般用它描述材料抵抗脆性破坏的能力脆性破坏的能力。
骨经常全因受到某种损伤或内在的骨经常全因受到某种损伤或内在的缺陷而存在小的裂纹,此时必须要考虑缺陷而存在小的裂纹,此时必须要考虑这种裂纹对这种裂纹对骨材料强度的影响骨材料强度的影响以及以及骨材骨材料所具有的抗裂能力料所具有的抗裂能力,因而引进骨的断,因而引进骨的断裂韧性这裂韧性这—力学参数力学参数 由由于于骨骨内内骨骨质质分分布布的的非非均均匀匀性性以以及及骨骨内内存存在在着着孔孔洞洞、、缺缺陷陷和和裂裂纹纹等等,,使使得得对对骨骨断断裂裂韧韧性性的的研研究究更更为为困困难难和和复复杂杂,,同时也降低了骨的断裂韧性同时也降低了骨的断裂韧性五五. .骨的重建骨的重建 骨具有重建能力,通过改变其大小、形状骨具有重建能力,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或丢失松质骨和着应力的作用水平变化而获得或丢失松质骨和密质骨的现象称为密质骨的现象称为WolffWolff定律,说明机械应力能定律,说明机械应力能影响和调节骨的重建影响和调节骨的重建 骨骼肌的活动或者重力都能对骨骨骼肌的活动或者重力都能对骨折进行加载作用。
折进行加载作用 骨量和身体的重量呈正比关系,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身体越重,对应的骨量越多相反长期处于失重状态会导致承重骨发生骨期处于失重状态会导致承重骨发生骨量丢失 骨折后用于固定骨折部位的植入物骨折后用于固定骨折部位的植入物在骨折愈合后也会降低骨的强度和刚度在骨折愈合后也会降低骨的强度和刚度废用和活动减少状态对骨骼是有害的废用和活动减少状态对骨骼是有害的正常组和制动组猕猴腰椎载荷-变形曲线图正常组和制动组猕猴腰椎载荷-变形曲线图 第四节第四节 骨的连接骨的连接 骨骨与与骨骨之之间间的的连连接接装装置置称称骨骨连连接接,,按按连连接接形形式式及及连连接接组组织织不不同同,,分分直直接连接和间接连接两种接连接和间接连接两种 (一)(一)直接连接直接连接 骨骨与与骨骨间间借借致致密密结结缔缔组组织织、、软软骨骨或或 骨骨直直接接连连接接,,其其间间无无腔腔隙隙,,称称直直接接连连接接,,包包括括纤纤维维连连接接、、软软骨骨连连接接和和骨骨性性结结合合三三种种形式。
形式 其其特特点点是是活活动动幅幅度度小小或或不不能能活活动动如如颅颅骨骨之之间间的的骨骨缝缝、、椎椎骨骨之之间间的的椎椎间间盘盘等等,,这这种连接形式其活动范围很小种连接形式其活动范围很小 (二)(二)间接连接间接连接 骨骨与与骨骨之之间间通通过过关关节节相相连连它它是是全全身身骨骨的的主主要要连连接接方方式式,,其其活活动动范范围围大大,,可可完完成成各各种种不不同同的的运动 每个关节都具有关节面、关节囊和关节腔三种基本构造每个关节都具有关节面、关节囊和关节腔三种基本构造关节面:关节面: 是构成关节的相对面,一骨的关节面隆凸,构成关节是构成关节的相对面,一骨的关节面隆凸,构成关节头,另一骨的关节面凹陷,形成关节窝关节面覆盖一薄头,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,层透明软骨,称关节软骨,其表面光滑,有弹性,可减少称关节软骨,其表面光滑,有弹性,可减少运动时的摩擦,并缓冲震荡运动时的摩擦,并缓冲震荡关节囊:关节囊: 为为结结缔缔组组织织膜膜构构成成的的囊囊,,分分内内、、外外两两层层。
外外层层为为纤纤维维层层,,由由致致密密结结缔缔组组织织构构成成,,厚厚而而坚坚韧韧;;内内层层为为滑滑膜膜层层,,由疏松结缔组织构成,薄而柔软,能分泌滑液由疏松结缔组织构成,薄而柔软,能分泌滑液关节腔:关节腔: 是是关关节节软软骨骨与与滑滑膜膜围围成成的的密密闭闭腔腔隙隙,,内内含含少少量量滑滑液液,,有有润润滑滑关关节节以以减减小小摩摩擦擦的的作作用用腔腔内内为为负负压压,,增增加加了了关关节节的的稳稳固性膝关节膝关节 半月板是半月板是2个月牙形的纤维软骨,位于个月牙形的纤维软骨,位于胫骨胫骨平台内侧和外侧的平台内侧和外侧的关节关节面无血液供给,营养主无血液供给,营养主要来自关节滑液,只有与关节囊相连的边缘部分要来自关节滑液,只有与关节囊相连的边缘部分才能从滑膜得到一些血液供给才能从滑膜得到一些血液供给 半月板介于股骨髁与胫骨平台之间,就象是缓冲器,半月板介于股骨髁与胫骨平台之间,就象是缓冲器,保护了二者关节面,吸收向下传达的震荡,尤其是在过保护了二者关节面,吸收向下传达的震荡,尤其是在过度屈曲或伸直时,此作用更明显当从高处跳下时,膝度屈曲或伸直时,此作用更明显。
当从高处跳下时,膝部承受了身体重力作用所带来的相当大的力,但股骨髁部承受了身体重力作用所带来的相当大的力,但股骨髁与胫骨平台的软骨并没有受到损伤,是因为半月板的存与胫骨平台的软骨并没有受到损伤,是因为半月板的存在,将此力分散至整个膝关节同时承受,而不仅局限于在,将此力分散至整个膝关节同时承受,而不仅局限于股骨髁接触胫骨平台上的一个局限点股骨髁接触胫骨平台上的一个局限点 此外,半月板可以防止股骨发生移位,因为半月板此外,半月板可以防止股骨发生移位,因为半月板的楔状形体可以弥补股骨髁与胫骨平台间的不相称,将的楔状形体可以弥补股骨髁与胫骨平台间的不相称,将圆形的股骨髁与胫骨平台之周围死腔充填,从而增加了圆形的股骨髁与胫骨平台之周围死腔充填,从而增加了膝关节的稳定性,并能防止关节囊及滑膜组织进入关节膝关节的稳定性,并能防止关节囊及滑膜组织进入关节面之间 半月板自身的生物力学半月板自身的生物力学 具有各向异性及非均匀性,说明半月板能适应膝关具有各向异性及非均匀性,说明半月板能适应膝关节运动中的各种力学要求节运动中的各种力学要求 在压力下,在压力下,半月板前半月板前1/3的弹性模量较后的弹性模量较后1/3高;高; 在张力下,纵形标本较横形标本弹性模量高,在张力下,纵形标本较横形标本弹性模量高, 表层较深层弹性模量高;表层较深层弹性模量高; 半月板在膝关节中的生物力学半月板在膝关节中的生物力学• 承重承重 在不负重时,胫骨与股骨不接触,全由半月板衬垫在不负重时,胫骨与股骨不接触,全由半月板衬垫两者之间。
两者之间 在负重时,有约在负重时,有约70%70%的负重区域在半月板上,这就大的负重区域在半月板上,这就大大降低了胫骨平台上的应力,从而保护了软骨大降低了胫骨平台上的应力,从而保护了软骨 如果将半月板切除,则胫骨平台上的峰压力可上升如果将半月板切除,则胫骨平台上的峰压力可上升两倍,并将引起软骨退变两倍,并将引起软骨退变 • 维持膝关节运动协调维持膝关节运动协调 半月板随着胫骨一起运动,内侧半月板较外半月板随着胫骨一起运动,内侧半月板较外侧半月板移位小,且半月板在膝关节屈伸过程中侧半月板移位小,且半月板在膝关节屈伸过程中可以变形以适应膝关节的解剖形态保持了膝关可以变形以适应膝关节的解剖形态保持了膝关节几何形态的协调,从而维持膝关节运动协调节几何形态的协调,从而维持膝关节运动协调 • 维持稳定维持稳定 半月板切除在前交叉韧带完整时,不引半月板切除在前交叉韧带完整时,不引起胫骨前移,而在前交叉韧带断裂时,则引起胫骨前移,而在前交叉韧带断裂时,则引起更大程度的胫骨前移起更大程度的胫骨前移 • 吸收震荡吸收震荡 有这样一些膝痛病人,关节镜检病理未发现任有这样一些膝痛病人,关节镜检病理未发现任何异常情况,而其症状明显,后经检查发现其半月何异常情况,而其症状明显,后经检查发现其半月板吸收功能较差。
板吸收功能较差 另外半月板还有润滑关节等功能,另外半月板还有润滑关节等功能,半月板可将关节液均匀涂布于关节表半月板可将关节液均匀涂布于关节表面,使关节的摩擦系数大为减小面,使关节的摩擦系数大为减小 除除以以上上主主要要部部分分以以外外还还有有韧韧带带、、关关节节盂盂缘缘、、滑滑液液囊囊等等辅辅助助结结构构,,起起加加固固关节和增加灵活性的作用关节和增加灵活性的作用 关关节节的的运运动动主主要要分分为为屈屈和和伸伸、、内内收收和和外外展展、、旋旋内内和和旋旋外外遗遗迹迹环环转转等等四四种形式 关节软骨是一种十分特殊的组织,在一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地承担高负荷关般人的寿命期内都可以无损地承担高负荷关节运动,但是从生理角度来看,关节软骨属节运动,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经支配,而且软骨细胞密度比其它组织少 关关节节软软骨骨是是一一种种多多孔孔的的粘粘弹弹性性材材料料。
组组织织间间隙隙中中充充满满着着液液体体,,应应力力作作用用下下,,液液体体可可在在组组织织中中流流进进或或流流出出当当组组织织膨膨胀胀时时液液体体流流入入组组织织,,当当组组织织收收缩缩时时液液体体又又流流出出来来,,液液体体在在压压力力作作用用下下的的流流动动可可能能就就是是这这种种无无血血管管组组织织取取得得营营养养的的途途径径,,软骨力学性能会随着液体的含量而改变软骨力学性能会随着液体的含量而改变 关关节节软软骨骨在在关关节节活活动动防防止止磨磨损损方方面面表表现现出出非非凡凡的的润润滑滑性性能能它它的的摩摩擦擦系系数数((表表面面滑滑动动阻阻力力与与正正压压力力之之比比))要要比比油油在在金金属属上上润润滑滑低低两两个个数数量量级级,,比比最最好好的的人人工工材材料料低低许许多多倍倍成成年年人人的的关关节节几几乎乎没没有有再再生生能能力力, , 但但可可以以维持整整一生而不会磨损破坏维持整整一生而不会磨损破坏 对于关节在润滑方面有如此之对于关节在润滑方面有如此之高效率的机理,不少学者作了一些探高效率的机理,不少学者作了一些探讨,研究其原因,一方面在于关节软讨,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,使得关节中承压的接触面随时转移,使得应力得到良好分布应力得到良好分布 另一方面在于关节软骨滑膜液另一方面在于关节软骨滑膜液本身的流变特性,在切变率增大时本身的流变特性,在切变率增大时粘度下降,有利于润滑粘度下降,有利于润滑 此外聚合物流动时产生的法向应此外聚合物流动时产生的法向应力有利于承受载荷,力有利于承受载荷,或者有一种或者有一种润润滑分子物质与软骨层的相互作用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这些都有利于提高关节的润滑作用 骨关节病是一种常见病多发病,它是活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组织,可见局灶下骨板以及滑膜等关节周围组织,可见局灶性、侵蚀性软骨破坏,软骨下硬化、囊性变性、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要与年龄、损伤和肥胖等因素有关第六节第六节 脊柱生物力学脊柱生物力学 脊柱被称为力学的奇迹脊柱被称为力学的奇迹 脊柱的功能:脊柱的功能:• 在各种体位支撑躯干,在各种体位支撑躯干,有很好的承重能力有很好的承重能力;;• 为躯干的各种运动提供足够的机动性;为躯干的各种运动提供足够的机动性;• 保护脊髓不受损伤保护脊髓不受损伤 脊柱是由脊柱是由2626块骨块骨组成,其中颈椎组成,其中颈椎1212块,胸椎块,胸椎7 7块,腰块,腰椎椎5 5块,骶骨一块,块,骶骨一块,尾骨一块,相邻椎尾骨一块,相邻椎骨之间靠椎间盘连骨之间靠椎间盘连接成人共有接成人共有2323个 椎间盘在脊柱中起着重要作用椎间盘在脊柱中起着重要作用 • 以较软的组织保护脊椎骨本体,避免椎骨间以较软的组织保护脊椎骨本体,避免椎骨间 的不均匀接触和磨损;的不均匀接触和磨损;• 它可吸收载荷能量,避免脊髓和脑受到较大它可吸收载荷能量,避免脊髓和脑受到较大 的冲击;的冲击;• 它可通过自身变形使椎骨之间可以有相对旋转。
它可通过自身变形使椎骨之间可以有相对旋转 由于椎间盘在脊柱运动中起着重要作用,加上它又是最容易受到伤害的部位,所由于椎间盘在脊柱运动中起着重要作用,加上它又是最容易受到伤害的部位,所以人们很注意对以人们很注意对椎间盘的研究椎间盘的研究 日常生活中日常生活中的复杂躯干活动,的复杂躯干活动,如弯腰,扭转,如弯腰,扭转,负重等,都必须负重等,都必须要极其稳定地完要极其稳定地完成,这些运动是成,这些运动是椎骨与肌肉高度椎骨与肌肉高度复杂的相互作用,复杂的相互作用,协调一致方能完协调一致方能完成 一.椎间盘的结构一.椎间盘的结构 椎间盘由椎间盘由纤维环、纤维环、髓核髓核及及软骨板软骨板组成软骨板软骨板——椎体的上下软骨面,为透明软骨,它构椎体的上下软骨面,为透明软骨,它构 成椎间盘的上下界,覆盖纤维环和髓核成椎间盘的上下界,覆盖纤维环和髓核纤纤维维环环——位位于于髓髓核核的的四四周周,,由由胶胶原原纤纤维维及及纤纤维维软软骨骨组组成成其其中中胶胶原原纤纤维维相相互交叉以同心圆方式排列。
互交叉以同心圆方式排列 纤纤维维环环坚坚韧韧富富有有弹弹性性,,紧紧密密地地连连接接着着相相邻邻的的两两个个锥锥体体,,紧紧密密附附着着于于软软骨骨板板上上,,非非常常坚坚固固,,使使脊脊柱柱在在运运动动时时作作为为一一个个整整体体,,稳稳定定性性极极好好必必须须有有很很大大的的力力量广泛撕裂纤维环,才能引起椎体脱位量广泛撕裂纤维环,才能引起椎体脱位 纤纤维维环环的的特特殊殊排排列列方方向向,,使使相相邻邻椎椎体体可可以以有有轻轻度度活活动动,,但但活活动动到到一一定定限限度度时,纤维环紧张,限制椎体的过度活动时,纤维环紧张,限制椎体的过度活动 髓髓核核——中中间间部部分分为为白白色色而而有有弹弹性性的的胶胶状状物物质质,,称称为为髓髓核核,,约约占占椎椎间间盘盘切切面面积积的的50~60%,,可可随随外外界压力改变其位置和形状,具有很好的弹性界压力改变其位置和形状,具有很好的弹性 髓核的含水量可随年龄增长而变化,髓核的含水量可随年龄增长而变化,新生儿为新生儿为88%,成年时减到,成年时减到70~80% 纤纤维维环环和和上上下下软软骨骨板板将将髓髓核核固固定定,,髓髓核核被被闭闭封封在在其其中中,,使使得得髓髓核核把把受受到到的的压压力力均均匀匀传传递递到到纤纤维维环环和和软骨板。
软骨板二.椎间盘的力学性质二.椎间盘的力学性质 脊柱不论处于功能性运动或静止状态,椎间盘始脊柱不论处于功能性运动或静止状态,椎间盘始终承受着不同载荷,但主要承受的是轴向压缩载荷终承受着不同载荷,但主要承受的是轴向压缩载荷 实验证明,外部载荷可使椎间盘产生较大变形,实验证明,外部载荷可使椎间盘产生较大变形,低载荷时,刚度较小,提供脊柱的柔韧性;低载荷时,刚度较小,提供脊柱的柔韧性;高载荷时,刚度较大,提供了脊柱的稳定性高载荷时,刚度较大,提供了脊柱的稳定性1. 椎间盘的刚度可用弹性模量表示椎间盘椎间盘的刚度可用弹性模量表示椎间盘的弹性模量低于椎体,其数值各人测出的差的弹性模量低于椎体,其数值各人测出的差别较大,范围是别较大,范围是0.88~1.51Mpa,而椎体的弹,而椎体的弹性模量是椎间盘的性模量是椎间盘的100倍2.2.由于椎间盘的生物修复和再生能力很由于椎间盘的生物修复和再生能力很低,所以其疲劳特性十分重要,但这方低,所以其疲劳特性十分重要,但这方面的研究较少面的研究较少BrownBrown所作的疲劳试验发所作的疲劳试验发现,在较小的轴向预载下,仅现,在较小的轴向预载下,仅200200次前屈次前屈5 5o o循环运动后椎间盘即显示破坏,循环运动后椎间盘即显示破坏,10001000次循环后完全破坏,这说明至少在体外次循环后完全破坏,这说明至少在体外试验中椎间盘的疲劳性能很差。
试验中椎间盘的疲劳性能很差3.由于纤维环胶原纤维分层以交错由于纤维环胶原纤维分层以交错120o排列,所排列,所以椎间盘呈明显的各向异性以椎间盘呈明显的各向异性 4.椎间盘重要的力学性质之一是它具有明显的粘弹性,椎间盘重要的力学性质之一是它具有明显的粘弹性, 因而因而椎间盘在椎体间起缓冲垫作用,以储存能量和椎间盘在椎体间起缓冲垫作用,以储存能量和 均匀分布载荷均匀分布载荷 随着年龄的增长及频繁的功能活动,随着年龄的增长及频繁的功能活动,脊柱组织脊柱组织因代谢变化和机能性磨损会出因代谢变化和机能性磨损会出现退化、变性现退化、变性椎间盘退变开始时间较椎间盘退变开始时间较脊柱其它结构为早脊柱其它结构为早 椎间盘因纤维环、髓核、软骨板退椎间盘因纤维环、髓核、软骨板退行性变逐渐变干、变薄、弹性减低,逐行性变逐渐变干、变薄、弹性减低,逐步丧失了贮存能量和分布应力的能力步丧失了贮存能量和分布应力的能力 当当承承受受负负载载时时,,髓髓核核因因不不能能变变形形均均匀匀地地传传递递应应力力,,使使最最大大压压应应力力集集中中于于与与髓髓核核接接触触的的软软骨骨板板上上,,最最大大张张应应力力集集中中于于纤纤维维环环某某一一方方向向,,于于是是易易产产生生髓髓核核突突入入椎椎体体或或纤纤维维环环张张力力侧侧纤纤维维变变性性、、拉拉长长、、断断裂裂,,出出现现裂裂隙隙,,甚甚至至形形成成椎椎间间盘盘膨膨出出、、髓髓核核突突出出或整个椎间盘突出。
或整个椎间盘突出 三.椎骨的结构和力学性质三.椎骨的结构和力学性质 脊脊柱柱分分颈颈椎椎、、胸胸椎椎、、腰腰椎椎三三部部分分,,它它们们在在形形态态上上虽虽有有差差别别,,但但都都是是由由前前体体椎椎体体与与后后部部椎椎弓弓构构成成椎椎体体主主要要由由多多孔孔的的松松质质骨骨构构成成,,周周围围的的密密质质骨骨较较薄薄,,呈呈短短圆圆柱柱状状椎椎体体是是椎椎骨骨的的受受力力主主体体椎椎骨骨的的后后部部由由一一对对椎椎弓弓根根,,一一个个棘棘突突,,四四个个关节突和两个横突构成关节突和两个横突构成• 从颈椎到腰椎椎体承受的压力逐渐增大从颈椎到腰椎椎体承受的压力逐渐增大• 在承受压力的时候,椎体皮质骨对强度只在承受压力的时候,椎体皮质骨对强度只起起10%10%的作用,因此松质骨显得格外重要的作用,因此松质骨显得格外重要。
