关节软骨的生物力学特性.ppt

关节软骨的生物力学特性一、软骨 ( (cartilage) ) 软骨细胞 软骨组织 基质 软骨 纤维 软骨膜胶原原纤维胶原原纤维 透明软骨透明软骨弹性纤维弹性纤维 弹性软骨弹性软骨胶原纤维胶原纤维 纤维软骨纤维软骨 Ø特性：软骨组织是一种固态结缔组织，略有弹性，内无血管、淋巴管和神经Ø功能：支持、保护Ø分类：根据所含纤维的不同，软骨可分为透明软骨、、纤维软骨和弹性软骨(一)、透明软骨(hyaline cartilage)Ø分布•关节、肋软骨、呼吸道等部位Ø特点•新鲜时呈透明状，较脆，易折断胶原原纤维胶原原纤维透透明明软软骨骨（二）、纤维软骨(fibrous cartilage)Ø分布–椎间盘、关节盘、耻骨联合面等Ø结构§软骨基质内胶原纤维丰富§肉眼观察此类软骨呈乳白色胶胶原原纤纤维维纤纤维维软软骨骨（三）弹性软骨(elastic cartilage)Ø分布耳廓、外耳道、咽鼓管、会厌等Ø结构§软骨基质内弹性纤维丰富§肉眼观察此类软骨呈黄色弹性纤维弹性纤维弹弹性性软软骨骨11二、关节软骨二、关节软骨•人人体体的的关关节节分分为为纤纤维维状状关关节节、、软软骨骨质质关关节节和滑膜关节和滑膜关节三种类型。

三种类型•其其中中，，仅仅滑滑膜膜关关节节亦亦称称为为动动关关节节，，允允许许较较大大幅幅度度的的活活动动在在正正常常年年轻轻关关节节内内，，动动关关节节的的关关节节骨骨末末端端覆覆盖盖了了一一层层厚厚1-6mm、、致致密密且且透透明明的的白白色色结结缔缔组组织织，，称称为为透透明明关关节节软骨•关关节节软软骨骨是是一一种种十十分分特特殊殊的的组组织织，，在在一一般般人人的的寿寿命命期期内内都都可可以以无无损损地地承承担担高高负负荷荷关关节运动12•但从生理学的角度上看，关节软骨实际上是一种孤立的组织，没有单独的血液和淋巴供应它主要依赖软骨下骨组织提供软骨下部近1/3的血供，其余依赖滑膜周围毛细血管的渗入2024/8/2913动关节的关节软骨的功能•其主要功能是：•① 分散压力关节软骨受压时提供较大的接触面以降低其上的压力•② 关节面做动作时减少摩擦力，降低磨损2024/8/2914关节软骨的组成成分关节软骨层结构的简要图解关节软骨层结构的简要图解2024/8/2915关节软骨的组成成分 胶原纤维 蛋白多糖 软骨细胞 水分 显微镜下的关节软骨显微镜下的关节软骨2024/8/2916胶原纤维•是体内含量最丰富的蛋白。

•高度结构性的组织，可形成最佳的力学性能•胶原为关节软骨提供一种纤维状超微结构，这种胶原网和多水的糖蛋白一起，共同抵抗关节的应力和应变2024/8/2917蛋白多糖•蛋白多糖是一种蛋白多糖大分子,由核心蛋白附着了一个或多个粘多糖（硫酸角质素与硫酸软骨素）组成•糖蛋白有一特殊部分与胶原密切相连，并把胶原纤维结合到一起2024/8/2918一个蛋白多糖大分子的简图 洗瓶刷模型洗瓶刷模型2024/8/2919软骨细胞和水分软骨细胞软骨细胞2024/8/2920软骨各成分间结构上的相互作用•硫酸软骨素与硫酸角质素链上相距很近的硫酸基和羧基团离子在生理PH溶液中被拉开，留下了高浓度的固定负电荷产生分子内与分子间的强电荷-电荷排斥力，使组织内保持一种挺而伸展的状态•当软骨面受力时，可发生瞬间变形，这主要是糖蛋白区的形状改变所致，这种外加的应力使软骨基质中的内压超过了膨胀压，引起液体从组织中外流2024/8/2921软骨各成分间结构上的相互作用2024/8/2922软骨各成分间结构上的相互作用2024/8/2923关节软骨的生物学性质•渗透性•蠕变反应•润滑2024/8/2924关节软骨的生物学性质 •渗透性 –表示液体流过多孔物质的固体基质时的摩擦阻力。

–渗透性越低，承载时液体流动阻力越大与普通海绵的渗透性相比，健康软骨的渗透性是很小的随着压力和变形的增加，健康关节软骨的渗透性大大降低因此，关节软骨具有一个机械反馈调节机制，阻止组织间液完全流出 2024/8/2925•软骨的蠕变反应 一个恒定的载荷瞬间施加于关节上，在载荷的作用下，软骨的压缩变形连续增加，直至获得一个平稳状态或近似值，这就是“蠕变”2024/8/2926蠕变蠕变2024/8/2927界面润滑•润滑：界面润滑和液膜润滑–界面润滑是依靠单层润滑剂分子化学吸附到接触的固体面上作相对运动时，承载面受到互相滑动的润滑剂分子保护，防止因表面粗糙发生的粘合和磨损液膜润滑•是一薄层的液膜将表面与表面分开，加载时液膜内产生压力支持载荷•液膜润滑的两种典型模型：工程学上定义为动态流体与挤压液膜润滑这些模型应用于刚性承载面由相对不变形材料组成，如不锈钢2024/8/2928动态流体动态流体•动动态态流流体体润润滑滑常常发发生生于于液液膜膜润润滑滑的的不不平平行行的的刚刚性性承承重重表表面面，，彼彼此此相相对对切切线线运运动动（（即即彼彼此此滑滑动动）），，间间隙隙内内液体形成楔状。

液体形成楔状•由由于于承承载载运运动动吸吸引引液液体体进进入入表表面面间间的的楔楔状状间间隙隙，，流流体体粘粘性性产产生生一个支撑力一个支撑力2024/8/2929挤压液膜挤压液膜•发发生生于于承承载载表表面面彼彼此此垂垂直直运运动动，，流流体体的的粘粘性性抵抵抗抗力力起起到到阻阻止止流流体体从从间间隙隙中中溢溢出出，，且且形形成成液液膜膜，，生成支撑力生成支撑力•在在短短时时间间内内，，挤挤压压液液膜膜机机制制足足以以承承受受高高负负载载，，但但是是，，液液膜膜最最终终会会变变得得很很薄薄，，使使得得两两个个承承受受面的凸起部分（定点）接触面的凸起部分（定点）接触2024/8/2930动关节的润滑作用机制动关节的润滑作用机制•软软骨骨的的近近似似无无摩摩擦擦属属性性与与人人造造材材料料不不同同用用于于解解释释刚刚性性非非渗渗透透性性材材料料（（如如钢钢铁铁））的的润润滑滑作作用用的的经经典典理理论论不不能能完完全全解解释释动动关关节节的润滑作用机制的润滑作用机制•例例如如，，当当承承受受材材料料是是非非刚刚性性的的，，而而是是相相对对柔柔软软的的，，如如关关节节表表面面所所覆覆盖盖的的关关节节软软骨骨，，会会产产生生液液膜膜润润滑滑的的动动态态流流体体滑滑膜膜模模型型与与挤挤压润滑模型的不同。

压润滑模型的不同2024/8/2931•相相对对柔柔软软的的表表面面承承受受滑滑动动（（动动态态流流体体））或或挤挤压压液液膜膜作作用用，，且且液液膜膜内内的的压压力力使使得得表表面面明明显显变变形形，，这这时时的的锐锐化化称称为为弹弹性性动动态态流流体体润滑润滑•这这样样的的润润滑滑增增大大了了表表面面面面积积和和一一致致性性，，改改善善了了膜膜的的几几何何性性质质承承载载接接触触面面积积的的增增大大减减少少润润滑滑剂剂从从承承载载面面之之间间流流走走，，形形成成持持续续较较长长时时间间的的润润滑滑剂剂膜膜，，从从而而关关节节的的应应力力降降低而更持久低而更持久2024/8/29322024/8/2933软骨变性的生物力学 •关节软骨的修复和再生能力有限，如果承受应力太大，可能很快发生完全破坏–高接触压力会减少液膜润滑的可能性–固体表面凹凸不平点的接触，可引起显微应力点的集中，使这些关节面材料发生磨损•关节总载荷频率和数量的增加，可以解释为什么某些职业的人员关节变性的发生率高2024/8/2934•如足球运动员的膝关节，芭蕾舞演员的踝关节等•骨关节病也可以继发于胶原蛋白-糖蛋白基质的分子或微观结构损伤，如类风湿性关节炎等。

2024/8/29352024/8/29362024/8/29372024/8/2938Have a rest!。