骨骼的力学特性

第四节骨骼的力学特性丁浩骨：连结形成骨骼，构成人体支架，支持体重、保护内脏，并参与运动，充当杠杆。对机体起支持运动和保护的作用功能红骨髓是造血部位骨组织是机体钙、磷的储存库骨的分类成人有206块骨按部位分：颅骨躯干骨四肢骨中轴骨按形状分1.长骨尺骨掌骨2.短骨腕骨跗骨3.扁骨颅胸盆部4.不规则骨椎骨听小骨骨的构造骨髓骨质骨密质骨松质骨膜血管、淋巴和神经红骨髓黄骨髓骨骨膜骨髓骨密质骨松质骺线外板内板板障骨膜颅骨骨密质骨松质-板障内板外板骨的化学成分和物理性质有机质：胶原纤维束和粘多糖蛋白等。无机质：碱性磷酸钙等。煅烧骨脱钙骨骨组织细胞骨基质骨细胞成骨细胞骨原细胞破骨细胞有机成分无机成分类骨质骨盐一、骨组织结构(osseoustissue)无定形基质胶原纤维成骨细胞分泌，包括大量胶原纤维（95％）及少量无定形基质。类骨质凝胶状，主要成分蛋白多糖、还含有骨钙蛋白、骨桥蛋白、骨粘连蛋白。粗大的胶原纤维束聚集。有机成分无机成分又称骨盐，主要为羟磷灰石结晶，沿胶原原纤维长轴排列并与之结合。⒈骨基质（bonematrix）骨基质:又名骨质。是钙化的细胞间质，是人体最大的Ca2+库。有机成分胶原纤维基质：蛋白多糖及其复合物无机成分：羟磷灰石结晶（Ca10[PO4]6[OH]2)24%75%骨盐90%类骨质：最初形成时并无骨盐沉积的骨基质。骨板（bonelamella）骨基质呈板层状排列称为骨板，是骨基质结构形式。同一骨板内胶原纤维平行排列，相邻骨板间胶原纤维相互垂直。长骨结构骨骺骨干骨膜关节软骨2.长骨的结构骨髓a.密质骨结构骨干环骨板(内、外)哈弗斯系统(骨单位)间骨板哈弗斯骨板中央管——骨松质——骨髓腔骨骺骨干骨外膜(periosteum)外层：胶原纤维粗大密集，形成穿通纤维内层：富含小血管和细胞（骨原细胞）骨内膜：(endosteum)富含血管神经，有骨原细胞骨膜的功能营养骨组织为骨的生长和修复提供骨祖细胞。b.松质骨：片状或针状骨板（小梁）c.骨膜DCT3.骨的发生(一)、骨组织发生的基本过程1.骨组织的形成类骨质→→骨质骨祖细胞→成骨细胞→分泌纤维及基质，形成类骨质→钙化形成骨质,成骨细胞转变为骨细胞。2.骨组织的破坏(二)、骨发生的方式1、膜内成骨(intramembranousossification)间充质胚胎性结缔组织膜骨（扁骨）2、软骨内成骨(endochondralossification)间充质透明软骨雏形骨（长骨和不规则骨）(1).软骨雏形形成(2).骨领形成(3).初级骨化中心与骨髓腔形成(4).次级骨化中心与骨骺形成(三)、软骨的进一步生长1.骨的加长是通过骺板的不断生长,并替换成骨组织实现的。2.骨的增粗骨外膜中的骨祖细胞分化为成骨细胞,在骨干表面添加骨组织,使骨干变粗。影响骨生长发育的因素除遗传因素外，体内的激素水平（生长激素、甲状腺激素、甲状旁腺激素、降钙素、性激素等）、维生素含量（维生素A、D、C）及其他活性物质（转化生长因子、表皮生长因子、白细胞介素1等）均不同程度地影响骨的生长发育。二、骨骼的力学特性（一）骨骼的载荷模式1.拉伸2.压缩3.弯曲4.剪切5.扭转6.复合载荷骨的应力是指骨结构受到外来载荷时其表面单位面积所受到的力。骨的应变是指骨在外力作用下的局部形变，包括线性应变和剪切应变。骨的应力与应变曲线（二）应力对骨结构的影响应力较小时，在一定的范围内，应力与应变之间存在着一个线性关系，应力-应变曲线为直线，即应力与应变成正比关系，称为弹性区。去除外部载荷移后，材料将恢复到原来的形状，即不会造成永久形变。载荷持续增加时，骨最外层某些部位就会发生屈服，即弹性区末端点称为屈服点。屈服点以后的曲线则变成了非线性，骨将产生永久变形，称为塑性区。载荷持续增加，骨组织的结构体将在某个部位失效（骨折，图中C点为断裂点），对应的应力称为极限应力（C’）。在应力-应变曲线图中的弹性区，材料的应力与应变之间存在着一定的关系，即应力/应变是常数，此常数为材料的弹性模量或杨氏模量，其大小等于这段直线的斜率。弹性模量或杨氏模量大小表示了材料抵抗变形的能力，称为刚度。达到极限应力时的应力-应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量。一般骨在生理负荷范围内，骨产生弹性变形，当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。但当骨不断受到外力作用时，其应变能量不能被及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构。骨的生长是破坏和重建两个过程对立统一的结果。骨的塑形与重建是通过适应力的作用，这种适应性是按沃尔夫（Wolff）定律进行的。适宜的载荷对骨有积极的影响，但过载、过用或过度冲击性载荷可引起骨损伤甚至骨折发生。（三）机械应力对骨生长的影响运动中，骨会反复受力，超过某一生理限度时使骨组织受到损伤，造成骨的损伤为疲劳性损伤。在持续性紧张的骨骼肌运动中，首先引起骨骼肌疲劳，收缩能力降低，其结果是抵消作用于骨上的应力的能力也减弱，导致对骨的作用力过大，骨结构在反复的应力刺激下导致结构的改变而发生骨折。（四）骨疲劳持续剧烈运动/大强度劳动骨骼肌疲劳贮存能量能力下降动作结构特征改变骨受载荷异常应力分布改变高拉伸复合高压缩斜行骨折斜行裂纹横行骨折横向裂纹疲劳性骨折的发生过程示意图骨的力学性质还受到以下因素的影响。骨的大小和形状骨折愈合：当骨折愈合开始时，骨痂在骨折处周围形成套状以稳定骨折区。骨痂使截面积显著增加，从而增加骨骼的强度和刚度。手术因素：有些外科手术造成骨缺损而使其力学性能明显减弱。衰老与骨质疏松：骨组织总量的减少和骨体积的轻度减少。（五）影响骨力学性能的其他因素Havearest!