【正文】 8g，生長期兒童和孕婦稍多。奶、蛋、肉類和谷類食物是磷的主要來源，磷全部在小腸吸收。食物中的磷大部分是有機(jī)結(jié)合磷，在胃中pH值呈酸性時并不釋放出來；而在適當(dāng)?shù)哪c磷酸酶活性和pH值為9．0～10．0時，結(jié)合磷于回腸發(fā)生分解，小腸即可吸收大部分磷，吸收過程受維生素D控制。 血清磷以無機(jī)磷酸鹽離子形式存在，約60％的攝入量經(jīng)尿排出。正常情況下，每天磷排泄量為350～1000mg，平均800mg。 血清鈣磷比值保持一種動態(tài)平衡，攝入鈣過多，會使磷酸鹽在小腸內(nèi)變?yōu)椴豢扇苄裕沽椎臄z入減少，導(dǎo)致低磷性佝僂病或骨軟化(osteomalacia)。攝入鈣量少，血清磷水平增加，會引起代償性甲狀旁腺激素增多，出現(xiàn)骨吸收、尿磷酸鹽排泄增加。在甲狀腺激素作用下，腎小管磷的重吸收減少，鈣的重吸收增加，使血鈣水平趨于正常。 (三)維生素與骨 維生素是一種低分子有機(jī)化合物，在物質(zhì)代謝方面具有極為重要的作用，是機(jī)體內(nèi)不可缺少的物質(zhì)。維生素的種類很多，其理化性質(zhì)各不相同，下面介紹幾種與骨的代謝有關(guān)的維生素。 1．維生素A：有促進(jìn)成骨細(xì)胞成骨的作用，缺乏維生素A時引起佝僂病。若維生素A過量可引起中毒現(xiàn)象，慢性中毒時出現(xiàn)食欲不振、煩躁、四肢腫痛及運(yùn)動障礙等。 2．維生素C：可增加小腸對鈣的吸收，并能促進(jìn)骨骼鈣化。維生素C缺乏時可見到特殊的骨變化，如骨骺和骨干分離、肋骨呈念珠狀、骨皮質(zhì)變薄等。長期缺乏維生素C，開始出現(xiàn)關(guān)節(jié)強(qiáng)直，其后在長骨骨干處出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的骨膜下海綿狀骨，并有典型的骨質(zhì)疏松。 3．維生素D：是與骨代謝關(guān)系密切的維生素。維生素D2 (鈣化醇)和維生素D3 (膽鈣化醇)是體內(nèi)兩種主要的維生素D，都具有較強(qiáng)的抗佝僂病的能力。維生素D存在于牛奶、谷物、人造黃油中。 維生素D以其生物學(xué)活性形式協(xié)助小腸吸收鈣，缺乏時會使軟骨鈣化過程和骨樣組織礦質(zhì)化過程受阻，導(dǎo)致佝僂病和骨軟化癥。此外，維生素D對破骨細(xì)胞的吸收和鈣質(zhì)在骨內(nèi)的代謝也很重要。四、骨的鈣化 骨的鈣化是極為復(fù)雜而微妙的過程，主要是指在有機(jī)質(zhì)內(nèi)有秩序地沉積無機(jī)鹽的過程，它涉及細(xì)胞內(nèi)、外生物化學(xué)和生物物理學(xué)的過程，即產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，使鈣磷結(jié)合形成羥磷灰石[Ca10(PO4)6 (OH)2]，最初構(gòu)成非晶體狀磷酸鈣鹽，然后逐漸形成晶體形式。羥磷灰石結(jié)晶呈針狀或板狀。鈣和磷酸鹽離子在非晶體和晶體的磷酸鈣鹽中是平衡的，這種平衡要受局部pH值、降鈣素、成骨細(xì)胞等因素的調(diào)節(jié)與控制。 骨的鈣化，主要圍繞著骨基質(zhì)內(nèi)發(fā)生鈣化，而與骨基質(zhì)極為相似的結(jié)締組織中卻不發(fā)生鈣化。影響骨鈣化的因素有： 1．膠原：骨膠原含有絲氨酸和甘氨酸，大量的絲氨酸以磷酸絲氨酸鹽的形式存在，在膠原基質(zhì)的纖維上、纖維內(nèi)與鈣離子結(jié)合或與磷離子結(jié)合，形成羥磷灰石結(jié)晶。 2．黏多糖類：黏多糖是大分子的蛋白多糖類物質(zhì)，這種蛋白多糖復(fù)合物和鈣化作用有關(guān)。軟骨開始鈣化時，蛋白多糖的濃度有所增加，當(dāng)鈣化進(jìn)行時，則濃度明顯下降。酸性蛋白多糖的游離陰離子可選擇性結(jié)合鈣離子，減少羥磷灰石結(jié)晶的形成，從而抑制鈣化作用。當(dāng)?shù)鞍锥嗵潜幻阜纸夂?，就解除了這種抑制作用。 3．基質(zhì)小泡：基質(zhì)小泡內(nèi)有高脂質(zhì)并含有一些酶，如堿性磷酸酶、焦磷酸酶等。參與鈣化作用的主要脂質(zhì)成分是磷脂、絲氨酸和肌苷磷酸，基質(zhì)小泡出現(xiàn)時，可增加磷酸鈣的沉淀。磷酸絲氨酸在有磷存在時對鈣具有強(qiáng)大的親和力，使鈣在小泡或膜上蓄積。基質(zhì)小泡中所含的各種酶可通過下列途徑促進(jìn)軟骨鈣化： (1)水解焦磷酸鹽，減低其濃度：焦磷酸鹽有抑制鈣化的作用，被水解后就為鈣鹽結(jié)晶沉積創(chuàng)造了有利條件。 (2)增加局部正磷酸鹽的濃度，從而促進(jìn)鈣化。 (3)參與輸送鈣與磷酸鹽。 (4)水解腺苷三磷酸，為鈣及磷酸鹽的攝入提供能量。 (陳安民)第二章 骨和骨組織的生物力學(xué)一、骨骼力學(xué)的幾個基本慨念 生物力學(xué)(biomechanics)是研究人體活動的力和運(yùn)動的一門科學(xué)，涉及工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)、體育等多種學(xué)科，在骨科領(lǐng)域中，應(yīng)用生物力學(xué)的概念和原理解釋人體正常和異常的解剖與生理現(xiàn)象，有助于骨科醫(yī)生更好地理解和治療肌肉骨骼系統(tǒng)的疾病。因此，骨骼力學(xué)已成為現(xiàn)代骨科醫(yī)生必須具備的科學(xué)基礎(chǔ)。 (一)基本概念 人體運(yùn)動器官的功能包括支撐與運(yùn)動兩個方面。人體骨骼是身體的堅強(qiáng)支柱，分為軀干骨、四肢骨和顱骨三大部分。成人的骨共有206塊，就像一臺機(jī)器共有206個構(gòu)件，每個構(gòu)件在人的日常生活、勞動和運(yùn)動中都承受著足夠的承載能力，它由三方面來衡量。 1．要求骨骼有足夠的強(qiáng)度——抵抗破壞骨折的能力，如四肢骨在劇烈運(yùn)動和強(qiáng)勞動時不應(yīng)該發(fā)生骨折。 2．要求骨骼有剛度——抵抗變形的能力，如脊柱在彎曲時不應(yīng)該發(fā)生損傷或是側(cè)凸。 3．要求骨骼有足夠的穩(wěn)定性——保持平衡的能力，如長骨在壓力作用下有被壓彎的可能性，但在日常生活中始終保持原有直線平衡形狀不變。 (二)外力與內(nèi)力 所謂力就是一個物體對另一個物體的作用，它可分為外力 和內(nèi)力。人體在日常生活與運(yùn)動中都會對機(jī)體的每塊骨產(chǎn)生復(fù)雜的力，如人體在長跑時受到的外力為體重、迎面風(fēng)力及地面反作用力等。當(dāng)外力使物體發(fā)生變形時，物體內(nèi)部分子之間伴隨著一種抵抗力即為內(nèi)力，例如，我們用手拉彈簧，就一定感到彈簧也在拉我們的手，拉力愈大，抵抗拉力也愈大。因此，外力越大，內(nèi)力也越大。 (三)應(yīng)力與應(yīng)變 任何物體只要在外力作用下，就一定要發(fā)生變形，同時又在物體內(nèi)部引起內(nèi)力，內(nèi)力是隨著外力的加大而增大，它總是與外力維持平衡，從而才能使物體不發(fā)生破壞。 任何物體在受力時都會引起物體的變形，變形點(diǎn)稱為應(yīng)變，內(nèi)力強(qiáng)度點(diǎn)稱為應(yīng)力。應(yīng)力即為單位面積上的內(nèi)力。寫成公式為： 內(nèi)力 外力 應(yīng)力= 或 應(yīng)力= 截面面積 截面面積即 ρδ = [單位常用mPa(mN/m2)] ? 應(yīng)力是指局部力的強(qiáng)度，是單位面積上的力。應(yīng)變是局部的變形，是形變量與原尺度之比。如果某骨承受了很重的力，超出了其耐受應(yīng)力與應(yīng)變的極限，即可造成骨骼損傷甚至發(fā)生骨折。 (四)五種基本變形 骨骼在受到外力作用時都有不同程度的變形，一般骨骼受力時的變形形式分為拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等五種基本變形(圖1—2—1)。例如：運(yùn)動員在進(jìn)行吊環(huán)運(yùn)動時上肢骨就受到拉伸作用；舉重運(yùn)動員挺舉時四肢均受到壓縮作用；彎腰時脊柱受到彎曲作用；體操運(yùn)動員做轉(zhuǎn)身動作時下肢骨受到扭轉(zhuǎn)作用；車床剪切斷肢體即為剪切作用等。但人體在受傷骨折時，往往是幾種作用力的復(fù)合。例如，跌倒后橈骨遠(yuǎn)端骨折，既有剪切力又有壓縮力等。 (五)骨組織的力學(xué)特性 l．各向異性：由于骨的結(jié)構(gòu)為中間多孔介質(zhì)的夾層結(jié)構(gòu)材料。因而這種材料是各向異性體(不同方向的力學(xué)性質(zhì)不同)。拉伸 壓縮 彎曲 剪切 扭轉(zhuǎn)圖1—2—1 骨的五種基本變形 2．彈性和堅固性：骨組織大約有25％～30％是水，其余70％～75％是無機(jī)物和有機(jī)物，其中無機(jī)物(磷酸鈣與碳酸鈣)占60％～70％，有機(jī)物(骨膠原)占20％～40％。骨的有機(jī)成分組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使骨具有彈性，骨的無機(jī)物填充在有機(jī)物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使骨具有堅固性，能承受各種形式的應(yīng)力。研究表明，無機(jī)物使骨具有抗壓能力，而有機(jī)物使骨具有抗張能力。 3．抗壓力強(qiáng)，抗張力差：骨對縱向壓縮的抵抗最強(qiáng)，即在壓力情況下不易損壞，在張力情況下易損壞，這和骨小梁的排列有關(guān)。 4．耐沖擊力和持續(xù)力差：載荷作用時，在骨中所引起的張力分布雖然一樣，但效果不一樣。兩者相等時，沖擊力在骨中所引起的變化較大，即骨對沖擊力的抵抗比較小。另外，同其他材料相比，其持續(xù)性能、耐疲勞性能較差。二、關(guān)節(jié)軟骨生物力學(xué) 關(guān)節(jié)是人體中骨與骨可動連接的環(huán)節(jié)，是人體各部位活動杠桿的支點(diǎn)。關(guān)節(jié)的作用有：①保證人體的運(yùn)動。②力的傳遞。③潤滑作用。而關(guān)節(jié)軟骨有其獨(dú)特的力學(xué)性能，一般說來，它是一種各向異性的、非均勻的、具有黏彈性的、充滿液體的可滲透物質(zhì)。 1．軟骨的負(fù)荷變形：關(guān)節(jié)軟骨在承受壓力(負(fù)荷)時會發(fā)生變形，并隨時間變化變形加快，1小時后達(dá)到平衡。當(dāng)壓力消除后，原有的軟骨厚度很快恢復(fù)。 2．滲透性：組織間液在流經(jīng)軟骨基質(zhì)時，其輸送機(jī)制主要有兩種。第一種是組織間液體借助于組織兩邊液體的正壓力梯度經(jīng)過多孔的可滲透基質(zhì)輸送，液體的輸送與壓力梯度成正比。第二種是靠軟骨基質(zhì)的變形來輸送液體。Mow通過實(shí)驗(yàn)證明，在增加壓力發(fā)生變形時，健康軟骨的滲透性大大降低。這樣，關(guān)節(jié)軟骨就阻止了所有的組織間液流出，這個生物力學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與正常組織的營養(yǎng)需要、關(guān)節(jié)的潤滑和承載能力、軟骨組織的磨損程度有密切關(guān)系。 3．張力特性：軟骨承受的張力負(fù)荷與關(guān)節(jié)軟骨面相平行時，其硬度和強(qiáng)度與膠原纖維平行于張力方向排列的范圍有密切關(guān)系，因?yàn)槟z原纖維是抗張力的主要成分。隨著關(guān)節(jié)表面距離的增加，正常成人關(guān)節(jié)軟骨的拉伸強(qiáng)度均降低，這使膠原蛋白密集的軟骨表淺層對軟骨組織起到一種堅韌耐磨、保護(hù)皮膚的作用。 4．潤滑作用：在工程學(xué)中有兩種基本潤滑類型，界面潤滑和液膜潤滑。在某些負(fù)荷條件下，關(guān)節(jié)內(nèi)的滑液可作為關(guān)節(jié)軟骨的界面潤滑劑，而這種潤滑能力與滑液的黏滯度無關(guān)。如果承力不重，且接觸面的相對運(yùn)動速度較高，關(guān)節(jié)可能采用第二種潤滑機(jī)制——液膜潤滑。 5．磨損：磨損分兩個部分，即承載面之間相互作用引起的界面磨損和接受體變形引起的疲勞性磨損。如果兩承載面接觸，可因粘連或磨損而產(chǎn)生界面磨損。即使承載面潤滑作用好，由于反復(fù)變形，承載面可發(fā)生疲勞性磨損。疲勞性磨損之所以發(fā)生，是由于材料反復(fù)受壓而產(chǎn)生微小的損傷累積所致。 6．關(guān)節(jié)軟骨變性生物力學(xué)：關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)和再生能力有限，如果承受應(yīng)力太大，很快會出現(xiàn)全面破壞?？赡芘c下列因素有關(guān)： (1)承受應(yīng)力的量級。 (2)承受應(yīng)力峰值的總數(shù)。 (3)膠原蛋白多糖基質(zhì)的內(nèi)部分子和細(xì)微結(jié)構(gòu)。 應(yīng)力的過度集中可導(dǎo)致軟骨的衰竭，如先天性髖臼發(fā)育不良、關(guān)節(jié)內(nèi)骨折、半月板切除后等都可增加總負(fù)荷和應(yīng)力集中。三、關(guān)節(jié)力學(xué) 人體的各個關(guān)節(jié)是各種活動中杠桿的支點(diǎn)。根據(jù)其發(fā)育過程，可將關(guān)節(jié)分為不動關(guān)節(jié)(顱骨骨縫)、微動關(guān)節(jié)(恥骨聯(lián)合)和可動關(guān)節(jié)；按其形狀，可分為平面關(guān)節(jié)(腕骨間關(guān)節(jié))、屈戌關(guān)節(jié)(肘關(guān)節(jié))、滑車關(guān)節(jié)(寰樞關(guān)節(jié))、橢圓關(guān)節(jié)(腕掌關(guān)節(jié))、球窩關(guān)節(jié)(拇腕掌關(guān)節(jié))等。對人體運(yùn)動來講，可動關(guān)節(jié)極為重要。關(guān)節(jié)內(nèi)的應(yīng)力分布 通過關(guān)節(jié)的負(fù)荷是向量的總和，一般包括兩個方面： 1．體重加上該段肢體的加速和減速力。 2．穩(wěn)定關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)的肌力，肌力占通過關(guān)節(jié)合力的大部分。關(guān)節(jié)軟骨是負(fù)重面，把承受的壓力傳遞給下面的骨床(圖1—2—2)。軟骨下骨松質(zhì)有兩個作用：①負(fù)重面大時由于骨骼變形，關(guān)節(jié)獲得最大的接觸面，負(fù)重面積也增大。②骨松質(zhì)的排列呈放射狀，把大部分的應(yīng)力又傳遞給骨干，因此軟骨下骨對關(guān)節(jié)適應(yīng)負(fù)重有重要作用。軟骨下骨若失去順應(yīng)性，關(guān)節(jié)應(yīng)力就增加，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的應(yīng)力局部高度集中。?圖1—2—2 受力時關(guān)節(jié)軟骨的變形情況 關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性 多數(shù)關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性依靠三種因素來維持，即骨骼、韌帶和肌肉。關(guān)節(jié)在運(yùn)動狀態(tài)始終是不平衡、不穩(wěn)定的，但人體總是在不平衡、不穩(wěn)定中求得相對的平衡和相對的穩(wěn)定。骨骼的因素對于這種穩(wěn)定是明顯的，而關(guān)節(jié)內(nèi)與關(guān)節(jié)周圍韌帶使關(guān)節(jié)活動在一定方向上受到制約，保持關(guān)節(jié)活動在正常的生理范圍以內(nèi)。肌肉既是運(yùn)動關(guān)節(jié)的動力，又是在運(yùn)動中維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要因素，其主要作用是通過抵抗、協(xié)同與抗重來完成的。 關(guān)節(jié)的力和力矩 關(guān)節(jié)的作用有兩個：節(jié)段活動和力的傳導(dǎo)。力可來自多方面，如髖關(guān)節(jié)借助吸力支持下肢重量，最基本的則是壓力。正常站立時，體重施力于下肢各關(guān)節(jié)，而上肢的力卻是負(fù)的。身體各種位置都不能借關(guān)節(jié)面自身組合來取得平衡，而需要韌帶、肌肉或兩者的力量。關(guān)節(jié)部肌肉僅具有小的杠桿臂，而有時卻需要大的平衡力矩，故肌肉施加于關(guān)節(jié)的力可以是很大的。例如，髖關(guān)節(jié)在雙足站立時，假如重心偏移，體重為46．27kg的人在力矩平衡下，關(guān)節(jié)力約為122．47kgf (1kgf=9．8N)，約為體重的3倍。四、骨折力學(xué) 骨組織有兩個區(qū)別于其他材料的顯著特征，即隨著關(guān)節(jié)失用或功能逐漸增加會發(fā)生骨密度的變化。骨組織還有自身愈合能力，其修復(fù)過程不是形成瘢痕，而是損傷組織的重建，這是復(fù)雜的生物學(xué)和力學(xué)過程互相作用的結(jié)果。 1．骨折的力學(xué)原理：從生物學(xué)觀點(diǎn)來看，骨折是由應(yīng)力和功能分布不均勻所引起的。當(dāng)骨骼遭受嚴(yán)重創(chuàng)傷時，骨受到很大應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過骨的承受極限時，就會發(fā)生骨折。 2．長骨內(nèi)的張應(yīng)力：骨折多發(fā)生在長骨，張應(yīng)力是較壓應(yīng)力具有更大破壞性的應(yīng)力。人體所有的活動(如站立、走路、攜帶、投擲以及撞擊等)均會在長骨的凸側(cè)產(chǎn)生顯著的張應(yīng)力。在平常的步態(tài)中，最大的張應(yīng)力是脛骨的后側(cè)和股骨的外側(cè)(圖l一2—3)。圖12—3彎應(yīng)力在凸側(cè)是張力而在中心線(中位軸)是零(A)； 彎曲時斷裂經(jīng)常開始于張力僦(B) 3．?dāng)嗔蚜W(xué)和骨的斷裂：人體在劇烈活動中常常會發(fā)生骨折，而斷裂力學(xué)使損傷條件下發(fā)生的骨折得到合理解釋。成骨密度斷裂韌性的測試是目前骨的斷裂力學(xué)研究的主要方面。骨密質(zhì)在高應(yīng)變速度時類似于脆性材料，而在低應(yīng)變速度時卻是一種堅韌