关节软骨的生物力学

,关节软骨的生物力学,2017/11/23,2,人体的关节分为纤维状关节、软骨质关节和滑膜关节三种类型。其中，仅滑膜关节亦称为动关节，允许较大幅度的活动。在正常年轻关节内，动关节的关节骨末端覆盖了一层厚1-6mm、致密且透明的白色结缔组织，称为透明关节软骨。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节运动。,2017/11/23,3,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。,2017/11/23,4,动关节的关节软骨的功能,其主要功能是： 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 关节面做动作时减少摩擦力，降低磨损。,2017/11/23,5,关节软骨的组成成分,关节软骨层结构的简要图解,2017/11/23,6,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,2017/11/23,7,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。,2017/11/23,8,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。,2017/11/23,9,一个蛋白多糖大分子的简图,洗瓶刷模型,2017/11/23,10,软骨细胞和水分,软骨细胞,2017/11/23,11,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。,2017/11/23,12,软骨各成分间结构上的相互作用,2017/11/23,13,软骨各成分间结构上的相互作用,2017/11/23,14,关节软骨的生物学性质,渗透性蠕变反应润滑,2017/11/23,15,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。,2017/11/23,16,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”。,2017/11/23,17,蠕变,2017/11/23,18,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。,2017/11/23,19,动态流体,动态流体润滑常发生于液膜润滑的不平行的刚性承重表面，彼此相对切线运动（即彼此滑动），间隙内液体形成楔状。由于承载运动吸引液体进入表面间的楔状间隙，流体粘性产生一个支撑力。,2017/11/23,20,挤压液膜,发生于承载表面彼此垂直运动，流体的粘性抵抗力起到阻止流体从间隙中溢出，且形成液膜，生成支撑力。在短时间内，挤压液膜机制足以承受高负载，但是，液膜最终会变得很薄，使得两个承受面的凸起部分（定点）接触。,2017/11/23,21,动关节的润滑作用机制,软骨的近似无摩擦属性与人造材料不同。用于解释刚性非渗透性材料（如钢铁）的润滑作用的经典理论不能完全解释动关节的润滑作用机制。例如，当承受材料是非刚性的，而是相对柔软的，如关节表面所覆盖的关节软骨，会产生液膜润滑的动态流体滑膜模型与挤压润滑模型的不同。,2017/11/23,22,相对柔软的表面承受滑动（动态流体）或挤压液膜作用，且液膜内的压力使得表面明显变形，这时的锐化称为弹性动态流体润滑。这样的润滑增大了表面面积和一致性，改善了膜的几何性质。承载接触面积的增大减少润滑剂从承载面之间流走，形成持续较长时间的润滑剂膜，从而关节的应力降低而更持久。,2017/11/23,23,2017/11/23,24,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。,2017/11/23,25,如足球运动员的膝关节，芭蕾舞演员的踝关节等