骨的力学性质PPT课件

在骨骺、短骨及扁骨的骨松质内的 红骨髓终生保持造血功能。
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骨的显微结构
骨质、骨膜（血管、神经）、骨髓
骨组织
骨细胞：多突起，位于骨陷窝内，埋藏 在固体状态基质中．
基质：基质和纤维排列成紧密的骨板。 具有一定的形状和强大的坚韧性 和弹性。
软骨组织 透明软骨、弹力软骨和纤维软骨 骨组织
作用：骨组织与软骨组织均属于具有支
1、血肿的形成：
骨折
软组织损伤、血管破裂
血肿
生化反应 毛细血管通透性
巨噬细胞、血小板、血细胞 骨折处肉芽组织
凝血因子：凝血酶、血小板、 钙
胶原、骨基质
纤维蛋白原
不溶纤维蛋白素 纤维网架 纤维细胞
收集入侵细胞 入侵细胞、毛细血管增生
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使血块吸收，形成 48
骨折修复期
2、纤维骨痂的形成：
骨内膜成骨细胞 骨髓内
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第七节 骨折
• 不同受力形式下的骨折
– 拉伸力 – 压缩力 – 弯曲力 – 扭转力 – 复合力
• 外力作用性质和骨折
– 静力 – 冲击力 – 交变载荷
• 骨折愈合的力学环境
– 骨痂愈合过程 – 直接骨愈合
• 接触愈合 • 间隙愈合
• 影响骨折愈合的力学环境
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不同受力形式下的骨折
骨外膜内层骨细胞
肉芽组织 软骨质 骨小梁 成软骨细胞 骨外膜软骨
3、骨痂改建期： 成骨细胞 破骨细胞
骨移除和骨代替
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直接骨愈合
• 无肌肉应力遮挡 • 紧密接触 • 弯曲、扭转、剪切力
完全被控制 • 只有轴向压力 • 血供良好
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骨的疲劳性能
• 运动过程骨反复受力， 当作用超过某一限度， 骨组织会发生损伤— —疲劳损伤
• 自行修复能力 • 过度疲劳——永久损
伤
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骨受冲击性能
• 影响因素
– 冲击载荷大小 – 冲击载荷作用时间（能量） – 骨的结构
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骨的断裂韧性
• 断裂韧性——某种材料阻止裂纹扩展的能 力，描述材料抵抗脆性破坏的能力。
持和保护作用的结缔编辑版组ppp织t 。
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骨的显微结构
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第三节 骨的力学特性
• 具有很高的抗拉、压性能 • 有一定的硬度 • 从骨的结构而言，经过生物优化过程，具
有最优的力学性能，既优化为最大的强度、 最省的材料、最轻的重量。
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• 骨的可塑性：在生长、发育过程中，由于 各种条件的影响使得骨的形态有所改变。
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骨密质和骨松质的分布
长骨骨干：
有很厚的骨密质，骨干
中央为骨髓腔。
长骨骨骺及短骨：
表面有一层薄的骨密
质，中央为骨松质。
扁骨编辑松版pp质pt
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骨髓
充填于骨髓腔和骨松质的网眼内。
在胎儿和幼儿时期全部都是红骨髓， 具有造血功能。随着年龄的增长(约5—7 岁)，骨髓腔中的红骨髓逐渐被脂肪组织 所代替，颜色变黄称为黄骨髓，失去造 血功能。但当大失血或严重贫血时，黄 骨髓可再转变为红骨髓，恢复造血功能。
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骨的弯曲
• 骨在与轴垂直方向上 受力会产生弯曲变形， 骨在弯曲时受到有拉 应力、压应力以及剪 应力，情况较为复杂。
• 长骨---简化为等厚度 的椭圆环形截面的直 杆。
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骨的扭转
• 实验表明，骨的抗扭能力较差 • 密致骨受压能力最好、受拉性能其次、受
剪性能最差。 • 松质骨各项强度均小的多
组成，它附着于关节面周围的
骨面上。可分为内外两层，外
层为纤维层，由致密结缔组织 构成；内层为滑膜层，由薄层 疏松结缔组织构成，可分泌滑 液，起到润滑作用。
•
3、 关节腔：就是关节软
骨和关节囊间所密闭的腔隙。
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第六节 骨的功能适应性原理
• Wolf定律：活体骨按其所受应力而改变成 分、内部结构以及外部形态——重建（内 部重建、表面重建）
短骨：形似立方形，多分布于既能承受压力 又能活动的部位，如手的腕骨和足的 跗骨；
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骨的形态
成人全身骨约占体重的20％，206块。 形态多样，分为四类：
扁骨：呈板状，富有较大的弹性和坚固性， 围成空腔对腔内器官起保护
作用， 如顶骨、枕骨等；
不规则骨：形状不规则，如椎骨、蝶骨。
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• 单质试样
– 选取单一种类的骨质材料最为试样（如只选取 密致骨）
• 多质试样
– 多针对扁骨这样的结构
• 整体骨骼试样
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骨的材料力学性能
• 拉伸压缩 • 剪切 • 弯曲 • 扭转 • 骨的疲劳性能 • 骨的断裂韧性
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骨的拉伸和压缩
桡骨 腓骨
肱骨σ=117Mpa ε=1.5%
保护作用；内层较疏松，富含细胞、神经及一些小血管。
在紧贴软骨处的软骨膜内还有一种能形成骨或软骨的幼稚
细胞(干细胞)，呈梭形，可增殖分化为软骨细胞。软骨膜 能保护及营养软骨，同时对软骨的生长有重要作用。
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关节软骨
• 关节软骨主要的功能是缓解压力的作用，在压力作用下， 软骨被压缩，解除压力，又可伸展，可以保护软骨下的骨 骼不受破坏，或者仅发生轻微的损伤。
骨膜内含有丰富的血管和神经，对骨起
营养作用。
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骨膜
骨膜内的成骨细胞在生长发育期能形成新骨， 使骨长粗。成年以后则处于相对静止状态，但在 骨折时，成骨细胞可再增生活动，促进骨的愈合。
骨膜内的破骨细胞能破坏骨质。 成骨细胞与破骨细胞对骨的发生、生长改造、 修复起着重要作用。
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骨折愈合的力学环境
• 骨折愈合的力学环境
– 骨痂愈合过程 – 直接骨愈合
• 接触愈合 • 间隙愈合
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骨痂愈合过程
• 固定稳定性较差的骨折，在多个方向应力 刺激下，通过骨痂的形成和改建、塑形获 得骨折愈合。
• 阶段：
– 炎症期 – 修复期 – 改建塑形期
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骨折修复期
应力与应变曲线
骨密质 骨松质
Greater Area: Absorbs more Energy
TRAIN
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骨骼及其力学性质（极限压缩强度和压缩率）
股骨
切向颅骨
径向颅骨
椎骨
骨试件压缩应力——应变曲线（ σ－ε图）
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骨力学特性的基本概念
• 力学性质：
• （极限）强度： 抵抗破坏的能力
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第五节 骨的连接
• 直接连接
– 韧带连接 – 软骨结合 – 骨结合
• 间接连接
– 关节
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韧带连接
• 两骨之间靠结缔组织直接连结的叫韧带连接。韧 带多呈膜状、扁带状或束状，由致密结缔组织构 成。肉眼观呈白色，有光泽，附着于骨的地方与 骨膜编织在一起，很难剥除，有的韧带由弹性结 缔组织构成，肉眼观呈淡黄色，叫做黄韧带（如 项韧带）。一般的韧带连接允许两骨间有极微的 动度。但有些骨与骨之间，两直线缘相对或互以 齿状缘相嵌，中间有少量结缔组织纤维穿入两侧 的骨质中，使连结极为紧密，叫做缝，如颅骨的 冠状缝和人字缝。
•
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• 三、弹性软骨(Elastic Cartilage)
•
弹性软骨分布于耳廓及会厌等处。结构类似透明软骨，
仅在间质中含有大量交织成网的弹性纤维，纤维在软骨中
• 四、软骨膜(Perichondrium)
•
除关节面的软骨表面以外，软骨的周围均覆有一层较
致密的结缔组织，即软骨膜。其外层纤维较致密，主要为
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骨质
分骨密质和骨松质两类。
骨密质：
在骨的表面，由 层层紧密排列的 骨板构成，结构 致密坚硬，抗压、 抗扭曲力强。
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骨松质
骨松质：骨松质在骨密质的内面，结构疏 松，弹性较大，由许多片状的骨小梁交织 排列而成。 呈蜂窝状，骨小梁与压力的传 递方向一致，能承受很大的压力。
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骨结合
• 由软骨结合经骨化演变而成，完全不能活 动，如五块骶椎以骨结合融为一块骶骨。
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关节
• 尽管人体的关节有多种多样， 但其基本结构不外有关节面、 关节囊和关节腔。
•
1、 关节面：各骨相互接
触处的光滑面叫关节面。关节
面为一层软骨覆盖称关节软骨。
•
2、 关节囊：由结缔组织
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• 一、透明软骨(Hyaline Cartilage)
•
透明软骨间质内仅含少量胶原原纤维，基质
较丰富，新鲜时呈半透明状。主要分布于关节软
骨、肋软骨等。
• 二、纤维软骨(Fibrous Cartilage)：纤维软骨
分布于椎间盘、关节盘及耻骨联合等处。基质内
富含胶原纤维束，呈平行或交错排列。软骨细胞
• 骨上存在孔洞、缺陷、裂隙等，降低了骨 的断裂韧性。
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第四节 软骨
• 软骨由软骨组织及其周围的软骨膜构成， 软骨组织由软骨细胞、基质及纤维构成。
• 根据软骨组织内所含纤维成分的不同，可 将软骨分为透明软骨、弹性软骨和纤维软 骨三种，其中以透明软骨的分布较广，结 构也较典型。
• 软骨是具有某种程度硬度和弹性的支持器 管。
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第一节 骨的成分
• 有机质
– 胶原纤维、无定形基质 – 四种骨组织细胞：
• 骨祖细胞 • 成骨细胞 • 骨细胞 • 破骨细胞
• 无机盐---主要是羟基磷灰石 •水
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无机物
碱性磷酸钙为主的无机盐类、碳酸钙等。 作用：使骨挺硬坚实。
大量排列规则的骨胶原纤维束和粘多糖蛋白
骨的力学性质
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• 骨是有生命的器官 • 从力学角度讲，骨是人体受力的主要载体 • 分类 部位 形态
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骨的形态
成人全身骨约占体重的20％，206块。 形态多样，分为四类：
长骨：主要分布于四肢，起支持和杠杆作用； 长骨中间部为骨干，呈长管状，骨干 内空腔为骨髓腔，两端膨大，为骺。 如肱骨。
线弹性
成人湿润密质骨试件的拉伸应编辑力版—pp—pt 应变曲线（ σ－ε图）
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• 年龄、部位、性别
σ
• 同一骨的不同方向的 试样
• 湿骨和干骨 • 加载速度
ε σ
ε
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骨的剪切
• 受一对大小相等、方向相反，相距很近的 力的作用。
• 影响因素：干骨湿骨、性别、年龄等 • 各向异性
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• 不同受力形式下的骨折
– 拉伸力 – 压缩力
• 常发生于脊柱，原因是破坏性的压缩力
– 弯曲力
• 骨折常先发生于张应力一侧
– 扭转力
• 常见于长骨，骨折形状表现为螺旋形
– 复合力
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外力作用性质和骨折
• 外力作用性质和骨折
– 静力 – 冲击力 造成骨折的主要原因 – 交变载荷
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软骨结合
• 相邻两骨之间以软骨相连接叫软骨结合。 软骨组织属结缔组织的一种，呈固态有弹 性，由大量的软骨细胞和间质构成，由于 间质的成分不同，又有透明软骨、纤维软 骨和弹力软骨的区分。第一助骨连于胸骨 的软骨属透明软骨，而相邻椎骨椎体之间 的椎间盘则由纤维软骨构成。由于软骨具 有一定弹性，所以能做轻微的活动。有的 软骨结合保持终生，而大部分软骨结合在 发育过程中骨化变为骨结合。
• 骨的粘弹性：在外力作用下，骨产生的形 变与时间相关。
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力学性质：
极限强度：
抗张强度 抗压强度 弯曲强度
刚度： 在此
弹性模量：
拉伸
韧性：
应力－应变曲线：
体重的着力点
在此 施加 压力
编辑版人ppp体t 股 骨 的 应 力 分 布
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STRESS
100 80 60 40 20 0
S
• 除此之外，关节软骨还有润滑作用，使骨端滑动。 • 由于弹性作用，可迅速恢复原状，因此关节软骨的形状改
变而体积不变。在青年人，这种弹性作用较强，缓冲效果 亦佳。然而老年人其纤维变性，弹性减弱，关节软骨的延 伸能力也减弱，且恢复原状的能力也变得不如青年人，再 加上老年人关节液减少，使关节软骨变得干燥，因此老年 人的关节软骨易受损伤，经常发生退行性骨关节病。
–
抗张强度
–
抗压强度
–
弯曲强度
• 刚度： 抵抗变形的能力
• 稳定性：保持相对位置的能力
• 弹性模量：
• 韧性：
• 应力－应变曲线：
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骨的材料力学性能特点
• 有生命 • 非均匀、各向异性的复合材料 • 接近于工程材料，用工程学方法分析骨的
力学性能
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骨材料力学试样的选取
有机物 作用：作为骨支架，赋予骨弹性和韧性，
使骨具有基本形态。
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第二节 骨的构造
骨由骨膜、骨质和骨髓构成，有丰
富的血管和神经。活体内的每一块骨都 是一个活的器官。
骨膜：紧贴在除关节面以外的骨表面的
一层致密纤维结缔组织膜，很坚韧，分为 内外两层。内层中有一些细胞可分化为成 骨细胞和破骨细胞。