【正文】 ? 一般骨的生理負荷使骨產(chǎn)生彈性變形，是彈性區(qū)內(nèi)骨所能承受應力的大小。反映了材料抵抗變形的能力。一般而言，彈性模量是一個常數(shù)。導致骨折所需的應力稱為骨的最大應力或極限強度。屈服點以后的區(qū)稱塑性區(qū)，此時的材料已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損壞和永久變形。彈性區(qū)末端點或塑性區(qū)初始點稱 屈服點 。 ? 應力 應變曲線分成兩個區(qū)：即彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)。當骨承受了很重的力并超出其耐受應力與應變的極限時，便可造成骨骼損傷甚至發(fā)生骨折。 （二）應變 ? 骨的應變是指骨在外力作用下的局部變形，其大小等于骨受力后長度的變化量與原長度之比，即形變量與原尺度之比。 ? 意義：應力對骨的改變、生長和吸收起著調(diào)節(jié)作用，應力不足會使骨萎縮，應力過大也會使骨萎縮。 彈性體與 彈塑性體 三、骨的應力與應變 ? （一）骨的應力 ? 概念：當外力作用于骨時，骨以形變產(chǎn)生內(nèi)部的阻抗以抗衡外力 ? 大?。旱扔谧饔糜诠墙孛嫔系耐饬εc骨橫斷面面積之比，單位為 Pascal (Pa=N/m2)，即牛頓 /平方米。如果外力撤除后仍有剩余形變，這種性質(zhì)則稱為彈塑性。這便是與松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。 組成骨組織的物質(zhì)特性也很重要。大骨抵抗力的能力優(yōu)于小骨。 骨所承受的力越大，引起骨的變形就越嚴重，而且易引起骨的斷裂。 ? 如果超過了其所能承受的負荷，骨骼系統(tǒng)遭受嚴重創(chuàng)傷，則會引起嚴重變形，并可能發(fā)生骨斷裂。 ? 根據(jù)骨骼受載形式及受載后的變形形式，一般可將其變形分為拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等五種基本變形 。 （二）骨的基本變形 ? 任何物體在外力作用下其尺寸和形狀都會發(fā)生改變。 ? 一般而言，骨承受壓力負荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭轉(zhuǎn)力。骨受到持續(xù)低載荷作用一段時間后，其組織會產(chǎn)生 緩慢變形或蠕變 。像跌倒后發(fā)生的橈骨遠端骨折，便是既有剪切力又有壓縮力等多種力綜合作用的結(jié)果。 ? 6．復合載荷 人體在運動時，由于骨的 幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則 ，同時又 受到多種不定的載荷 ，往往使骨處于兩種或多種載荷的狀態(tài)，即為復合載荷 。 與彎曲一樣，剪切應力力度的大小與距中性軸的距離成正比，即離中性軸越遠，其剪切應力就越大。 在生理狀態(tài)下，扭轉(zhuǎn)載荷常見于前臂、脊柱的旋轉(zhuǎn)與骨關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動中。 ? 5．扭轉(zhuǎn)載荷 加在骨上并使其沿軸線發(fā)生扭轉(zhuǎn)的載荷即為扭轉(zhuǎn)載荷。此特征 ? 4．剪切載荷 表現(xiàn)為在骨的表面受到一對大小相等、方向相反且相距很近的力的作用，在骨內(nèi)部也會產(chǎn)生剪切應力和應變。 存在于中性軸兩側(cè)的應力與應變，其二者既相對立，又互相依存，并通過附于周圍的軟組織的協(xié)調(diào)，達到相對平衡狀態(tài)。例如當脊柱前屈或后伸時脊柱的彎曲則為彎曲載荷。如舉重運動員舉起杠鈴后上肢和下肢骨被壓縮。 ? 2．壓縮載荷 壓縮載荷是施加于骨組織表面的兩個 沿軸線 的大小相等、 方向相對 的載荷。骨受力后，能夠?qū)е鹿趋纼?nèi)部產(chǎn)生拉應力和應變，使骨伸長并同時變細。 在外力分布的面積遠小于物體時，可以把這外力簡化成集中作用一點，這種外力稱為 集中力或集中載荷 。 表面力：作用于物體表面，如撞擊力、擠壓力。 二、骨的載荷及變形 （一）骨的載荷 ? 載荷概念：為外力，是一物體對另一物體的作用。 ? 第三，骨有足夠的穩(wěn)定性。 ? 第二，骨有足夠的剛度。 一、骨的承載能力 ? 第一，骨有足夠的強度。第二章 骨運動學 第二節(jié) 骨生物力學 高 利 國 骨生物力學簡介 ? 研究對象：骨骼 ? 研究內(nèi)容：骨的機械運動規(guī)律 ? 學科范圍：由力學、生物學、生理學、解剖學等有關(guān)學科結(jié)合而成 ? 研究目的：剖析骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)的力學性質(zhì)及力的傳導，揭示骨骼生長、發(fā)育、退化、病變、死亡與力作用的關(guān)系。為預防、診斷及治療骨疾病、骨移植、骨矯形，控制骨生長，促進骨愈合，以及假體的研制與應用等提供理論依據(jù)。即指骨在承載負荷的情況下抵抗破壞的能力。即指骨在外力作用下抵抗變形的能力。即指骨保持原有平衡形態(tài)的能力。 ? 體積力與表面力 體積力：直接作用于物體內(nèi)部各點，如重力及慣性力。在作用面積較大時稱為 分布力或分布載荷 ，有均勻分布與不均勻分布之分。 骨的載荷形式 （二）骨載荷的類型 ? 1．拉伸載荷 拉伸載荷是指在骨的兩端受到一對大小相等、 方向相反，沿軸線 的力的作用。例如在進行吊環(huán)運動時上肢骨被拉伸 或 提拉重物的活動。該載荷在骨組織內(nèi)部產(chǎn)生壓應力和應變。 ? 3．彎曲載荷 ，彎曲載荷是使骨沿其軸線發(fā)生彎曲形變的載荷。 骨骼在彎曲載荷時，其 中性軸兩旁一側(cè)產(chǎn)生拉應力和拉應變，另 — 側(cè)則產(chǎn)生壓應力和壓應變，在中性軸上則沒有應力和應變。應力的大小與至骨骼中性軸距離成正比，即距中性軸越遠，其應力就越大。例如車床剪切斷肢體時即為剪切載荷。例如體操運動員作轉(zhuǎn)身動作時，下肢骨受到的扭轉(zhuǎn)作用即為扭轉(zhuǎn)載荷。 當骨受到扭轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的剪切應力便分布在整個骨骼結(jié)構(gòu)中。扭轉(zhuǎn)載荷作用下所形成的最大剪切應力作用在與骨中性軸平行和垂直的平面上，最大的拉應力與壓應力則作用在與骨中性軸成角度的斜面上。如人體在受傷骨折時，往往是幾種作用力的復合。 ? 持續(xù)低載荷對骨會產(chǎn)生一定的影響。在加載后的最初數(shù)小時（ 6～ 8小時），其蠕變現(xiàn)象最顯著，隨后蠕變的速率則會降低。骨所受的正常生理負荷是這些力的綜合。骨骼在承受各種不同載荷時同樣也會發(fā)生不同程度的變形，如腰脊柱前凸就是受力變形的典型例子。 骨的 5種基本變形 力和變形之間的關(guān)系 ? 在中等量負荷時，負荷骨會出現(xiàn)變形，當負荷去除時，骨的原有形狀和幾何學結(jié)構(gòu)便恢復。 ? 決定骨斷裂抵抗力和變形特征的主要因素是骨所承受力的大小、力的方向和力的作用點，及組成骨組織的材料特性 等。 骨在承受軸向力與承受彎曲或扭轉(zhuǎn)力方面存在有很大差異。骨的幾何結(jié)構(gòu)對抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性。例如，松質(zhì)骨與正常骨有同樣的幾何學結(jié)構(gòu)，但在負荷情況下，會發(fā)生較大的變形，而在較小的力作用下，會發(fā)生骨斷裂。 ? 物體受外力作用而變形，當外力撤除后，變形完全消失，這種形變稱 彈性形變 。鋼材等工程材料在一定形變范圍內(nèi)可近似視作 彈性體 ，而骨則是比較典型的 彈塑性體 。 ? 方向：由于力的方向不同，其內(nèi)部分別會產(chǎn)生相應的應力。因此，對于骨來說，存在一個最佳的應力范圍。一般以百分比來表示。 由壓力、形變和樣本的大小計算出應力和應變的大小 （三）應力 應變曲線 ? 用來表示應力和應變之間的關(guān)系。 ? 在彈性變形區(qū)內(nèi)的載荷不會造成永久性形變。該點對應的應力是產(chǎn)生骨最大應力的彈性形變，亦稱為彈性極限。當載荷超過彈性極限后，骨發(fā)生斷裂即骨折。 ? 在應力 應變曲線彈性區(qū)的斜率稱為彈性模量或楊氏模量(Young‘s Modules) ，表示材料抗形變的能力。彈性模量越大，產(chǎn)生一定應變所需的應力越大。 應力－應變曲線 （四）骨應變能量 ? 達到極限負荷時的應力 應變曲線下面的面積表示導致骨折所需要的能量。當外力去除后，彈性區(qū)內(nèi)的能量能同時被骨釋放，使骨恢復原狀。 四、骨的生物力學特性 ? 骨的生物力學特性包括骨的材料力學特性和結(jié)構(gòu)力學特性。骨的結(jié)構(gòu)力學特性是指整個骨結(jié)構(gòu)的力學性能，不但與骨的材料力學特性有關(guān)，而且受骨的幾何特性即形狀、尺寸等的影響。 ? 骨皮質(zhì)由 5個結(jié)構(gòu)層次的介質(zhì)組成，因此它的彈性性質(zhì)在各個方向并不相同。 ? 骨松質(zhì)同樣具有多孔結(jié)構(gòu)特點，因而也呈現(xiàn)出較明顯的各向不均勻性質(zhì)。 ? 骨松質(zhì)的各向異性性質(zhì)明顯大于骨密質(zhì) 。 ? 由于骨改建的結(jié)果， 骨松質(zhì)各向異性性質(zhì)隨年齡而增加 。 ? 2．彈性和堅固性 骨組織大約有 25％～ 30％是水，其余 70％～ 75％是無機物和有機物，其中無機物(磷酸鈣與碳酸鈣 )占 60％～ 70％，有機物 (骨膠原 )占 20％～ 40％。 骨的無機物填充在有機物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使骨具有堅固性 ， 具有抗壓能力， 能承受各種形式的應力。 ? 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。另外，同其他材料相比，其持續(xù)性能、耐疲勞性能較差。皮質(zhì)骨的剛度比松質(zhì)骨大，變形程度則較之要小。 ? ? (1)骨強度：骨強度是指骨在承受載荷時所具有的足夠的抵抗破壞的能力。 ? 影響骨強度與剛度的因素有： ? 1)壓應力：肌收縮時所產(chǎn)生的壓應力能防止拉伸骨折的發(fā)生。如骨試件在壓縮時， 骨的橫截面面積越大，強度和剛度也越大。 ? 一般而言，機械應力與骨組織之間存在著生理平衡。當人體活動增加、應力增大時，成骨細胞活性增強，骨質(zhì)生成增加，骨的承載面增大，以適應大的運動量的需要。反之，當應力降低時，破骨細胞的活性則增強，骨吸收功能增大，骨組織量下降，結(jié)果使應力增加。 ? 保持相當?shù)倪\動量（尤其是中老年人和更年期婦女）是預防骨質(zhì)疏松的重要措施之一 。 ? 人體脛骨與其他幾種材料的比較 ? 骨對縱向壓縮的抵抗強，說明在壓力情況下不易損壞。 人體脛骨與其他材料比較 ? 物理性能 鋼 骨 花崗石 1. 密度 (g/cm2) ～ 力強度 (kgf/cm2) 4242 930～ 1200 50 力強度 (kgf/cm2) 4240 1210～ 2100 1350 （二）骨受載時的生物力學特性 ? 骨在受載時呈現(xiàn)出明顯的、具有自身結(jié)構(gòu)特征的生物力學特性： ? 一般情況下，骨對生理應力刺激的反應往往處于平衡狀態(tài)，應力越大，骨的增生和密度越大，最終，又提高了骨的生理應力能力。骨密質(zhì)的疏松度為 5％～ 30％，骨松質(zhì)的疏松度為 30％ ~90％。 密質(zhì)骨具有很高的強度，其抗壓強度大于骨松質(zhì)，可承受較大的壓縮應力。 ? 負 荷 類 型