《骨生物力学韩》PPT课件.pptVIP

骨生物力学 汕头大学医学院第二附属医院骨科 韩伟 第一节：生物力学概念 人体活动对骨骼的三种力 1 作用于骨的外力 2 肌肉收缩和韧带的张力对骨骼的内力 3 骨的内反应力（负荷） 力负荷 作用于骨骼可使骨发生形变 微观显微骨折青枝骨折骨折 骨折因素：1.力的大小方向面积和几何学 。 2.骨的材料特性。 1.应力和应变 应力：骨骼某点内力的强度，单位面积所 受的力 应变：骨骼受力时，其内部任何一点发生 变形，称为该点的应变。 两种应力： 正常应力：垂直于所给平面的单位面积的 力（使立方体前面变薄变长） 剪式应力：平行于所给平面的单位面积的 力（使立方体变为平行六面体） 2.拉力和压力 骨骼系统的特点 几何学复杂：管状骨、不规则骨、扁骨等 力的类型复杂 应力和应变复杂 屈服(失控) ： 应力达到某一点时，提示骨 小梁断裂开始（屈服用Y点），且持续时间 较长，骨小梁断裂逐渐增多（极限用U点） 。 材料的硬度：弹性模量（应力比应变） 拉力和压力作用于棒产生45剪应力。 3.弯曲 （长管状骨） 1.纯弯曲：凹侧- 压应变（力），凸侧- 张 应变（力），中位轴-应变（力）为0. 压力点(横切面)不会产生剪式应力 2.三点弯曲：骨骼受力较常见.两端支撑， 对侧受力。（受力点：弯矩） 应力点(横切面)会产生剪式应力 4.弯曲联合轴向负荷 长管状骨 受两方向外力压力负荷 弯曲负荷侧张应力 侧压应力 压力+弯曲=联合负荷（常见） 5.扭转 长管状骨 不规则骨 扭转 剪性应变 横向及纵向剪性应变 联合剪性应力 骨折方向：斜形或螺旋形 第二节：骨与关节软骨的生物力学 骨组织材料特性 硬组织 应力-应变关系 骨折取决于其材料特性 骨成分：基质 胶原骨小梁 结构 ：皮质骨（骨干）（骨孔5%-30%） ，松质骨（骨端）（骨孔30%-90%） 1.骨皮质 骨皮质 其材料特性取决于骨组织负荷或变形率。 骨皮质快速受力较缓慢受力吸收的能量大 。 骨组织应力-应变特征：骨皮质纵向骨小梁 排列比横向强度大，硬度也较强。（长骨 长轴比横轴更对抗应力） 应变率 表示骨受力过程中变形迅速的程度 （单位/S） 如 正常骨 低于0.01/S 骨折瞬间 超过10.0/S 2.拉力、压力和剪力 骨皮质的拉力、压力和剪力 与工程材料相似，骨皮质有一定范围的弹 性变形能力 骨组织材料极限强度取决于负荷类型和承 受负荷的方向。 负荷作用下 拉力及压力超过弹性变形范围 发生骨折 不同载荷造成的骨折类型 拉力 压力 旋转 弯曲 压力 成人股骨骨皮质极限程度 负荷类型 极限程度（MPa） 纵向 拉力 133 压力 193 剪力（纵向扭转） 68 横向 拉力 51 压力 133 3.骨松质 骨松质：多孔 硬度较皮质骨差 屈服：当应力超过弹性极限后，变形增加 较快，此时除了产生弹性变形外，还产生 部分塑性变形。当应力达到一定程度，塑 性应变急剧增加，这种现象称为屈服。 屈服 ： 提示骨小梁断裂开始，且持续时间 较 长。骨小梁断裂逐渐增多。 骨皮质和骨松质标本负荷应变水平在0.036 和0.5时有能量吸收现象，骨松质能量吸收 超过骨皮质。 4.关节软骨的生物力学 关节软骨功能：1.减少接触应力 2. 润滑 4.1 软骨的负荷变形 软骨的负荷变形 软骨承受负荷时，发生瞬间变形 蠕动期（负荷恒定，压痕增加） 去除负荷，恢复原形。 关节软骨承受负荷2分钟内发生变形，去除 负荷，90%可瞬间恢复。 软骨的渗透性很低，通过压力梯度和挤压 渗透。机械反刍调节机制 4.2 软骨的张力特性 软骨主要抗张力成分-胶原纤维 （软骨张力硬度取决于胶原纤维含量多少 和排列次序） 张力继发于压力 软骨表面胶原纤维的主要排列方向与压力 垂直关节产生的最大表面张力相一致， 张力强度随关节面下的深度增加而减少。 4.3 关节内应力分布 90225kg/6.45c 使应力分解，吸收震荡，避免软骨下骨的 应力损伤 干骺部受力1.负重大时骨变形，2.骨松质排 列呈放射状 软骨损伤 软骨下骨损伤 骨关节炎 骨坏死 4.4 关节软骨的粘弹性 蛋白多糖 含有水分，调节水的流动。 胶原 组成基质内的张力，维持蛋白多糖的 含量。 软骨承受负荷 基质内液体压变化 水分由基质孔流出（海绵） 产生非线 性形变 粘弹性（有赖于应变率的形变 ） 变形与承受外力速度有关。 4.5 关节软骨的磨损力学 关节软骨的磨损力学 磨损：通过机械作用去除固体表面的物质 两个方面：承载面之间互相作用引起界面 磨损 接触体变形引起的疲劳性磨损 4.6关节软骨的润滑作用 界面润滑（玻尿酸盐） 滑液润滑：滑液嵌在滑动面之间，即可发 生液膜润滑，又可产生界面润滑 关节软骨磨损两种因素缺一不可 机械因素是软骨磨损的主要因素 特别是骨外露 酶、化学因素、代谢因素可降低软骨屈服 强度 软骨组织：易疲劳性材料 周期性负荷时间过长导致软骨胶原纤维疲 劳短裂 软骨负荷时，其内部的胶原纤维方向与负 荷相垂直。分解应力，软骨损害。 软骨疲劳性磨损破坏的成分：1.胶原纤维 ，2.蛋白多糖 大分子网，3.纤维和原纤维 基质之间界面。 第三节 骨折与固定生物力学 骨折与固定的生物力学 1.骨折力学原理 骨某一区域应力超过极限强度，发生骨折 。 骨结构(弯曲)本身：减低弯应力 骨空心结构：比实心结构承受弯曲及旋转 应力强 棒的压力和张力和横断面面积成正比. 面积 1 1 2 张力和压力 100% 100% 200% 强度 弯曲和旋转 100% 210% 495% 强度 骨折原因 创伤 骨病 积累劳损 扭转应力 导致螺旋骨折 受力机制为剪应力 旋转轴45度时应力最大。 轴向压力 易在长管状骨纵轴 方向形成最大的剪力 进而造成骨干斜行骨折 通常长管状骨的轴向压力 不是单一的。 骨病 骨肿瘤、骨缺损 造成：骨的几何学改变 骨的强度改变 骨缺损部位产生应力集中 （骨折机制） 2.疲劳断裂 疲劳断裂 骨每天承受负荷，或长时间锻炼，积累损 伤，导致疲劳骨折 常见于长途行军，从事长距离行走及长跑 者 最常见于双足第二趾骨远端 疲劳： 材料在周期性和间歇负荷下发生的进行性 损伤(显微镜下损伤)，在周期性负荷条件下 ，材料负荷水平低于能引起的材料损伤的 单次负荷时，就会发生损伤。 材料的疲劳极限（Fatigue limit） 任何材料具有一应力水平，低于该水平疲 劳寿命是无限的，该应力水平称疲劳极限 。 疲劳极限是一个安全控制数据，只要应力 低于它，不管周期数目多少是不会短裂的 。 骨单位密度较高的骨，抗疲劳性能较好， 有助于防止骨折-因骨的胶接线及中央管制 止裂隙扩展。 3.骨折治疗生物力学 接骨原则：1.血供。2.维持骨生理和力学环 境。 弹性固定好，活动度难掌握。牢固固定， 缺点骨愈合不牢固。 长骨骨折，因长力臂易移位。骨痂形成使 骨折稳定。 骨折愈合有利：一定活动量和允许小的剪 力。不利：剪力或弯曲力过度。 4.张力带固定 张力来自：弯曲应力，扭转应力，肌力。 骨折固定于张力侧-使骨保持原有序列和对 抗张力。 张力带用于：髌骨，尺骨鹰咀，大粗隆， 内外踝。 张力带和张力带板。 5