第二节骨的生物力学共66页
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(骨生物力学课件)关节软骨的生物力学
• 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。
2021/1/14
16
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。
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18
• 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。
24
人的寿命期内都可以无损地承担高负荷关
节运动。 2021/1/14
2
• 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。
2021/1/14
3
动关节的关节软骨的功能
2021/1/14
20
• 如足球运动员的膝关节， 芭蕾舞演员的踝关节等。
• 骨关节病也可以继发于胶 原蛋白-糖蛋白基质的分 子或微观结构损伤，如类 风湿性关节炎等。
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THANK YOU FOR LISTENLING!
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11
• 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”。
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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。
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18
• 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。
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人的寿命期内都可以无损地承担高负荷关
节运动。 2021/1/14
2
• 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。
2021/1/14
3
动关节的关节软骨的功能
2021/1/14
20
• 如足球运动员的膝关节， 芭蕾舞演员的踝关节等。
• 骨关节病也可以继发于胶 原蛋白-糖蛋白基质的分 子或微观结构损伤，如类 风湿性关节炎等。
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THANK YOU FOR LISTENLING!
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• 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”。
骨骼的生物力学
骨骼模型的应用
骨骼模型在人体工程学、康复医学、假肢设计等领域有广泛应用， 为相关研究和产品设计提供依据。
骨骼模型的验证与优化
通过实验数据验证模型的准确性和可靠性，并根据实际需求对模型 进行优化和改进。
假肢设计的生物力学基础
假肢设计的需求分析
01
了解截肢者的功能需求和身体状况，为个性化假肢设计提供依
高精度测量技术
研发高精度、非侵入性的测量 技术，用于实时监测骨骼的力
学状态和变化。
创新实验方法
发展新型实验方法，模拟人体 骨骼在不同生理和病理状态下 的力学行为。
数据处理与分析
建立高效的数据处理和分析方 法，处理大规模的生物力学数 据，挖掘其中有价值的规律和 信息。
伦理与法律问题
关注骨骼生物力学研究中的伦 理和法律问题，确保研究的合
据。
假肢的生物力学特性
02Байду номын сангаас
研究假肢与人体骨骼、肌肉和神经系统的相互作用机制，确保
假肢能够实现自然、舒适和高效的运动。
假肢材料与工艺
03
选择合适的材料和工艺制作假肢，确保其耐用性和功能性，同
时考虑成本和美观因素。
05
骨骼生物力学的未来发展
骨骼生物力学的跨学科研究
生物学与医学
深入研究骨骼生物力学与生物学、 医学的交叉领域，探索骨骼生长、
分类
根据部位可分为颅骨、躯干骨和四肢 骨。
结构
骨骼由骨皮质和骨松质组成，内部有 骨髓腔和血管、神经等通道。
骨骼的生长与发育
生长
骨骼通过骨细胞不断增生和骨化，使骨骼逐渐增粗和变硬。
发育
骨骼的发育与生长激素、甲状腺激素等激素有关，同时受到 遗传因素的影响。
骨骼模型在人体工程学、康复医学、假肢设计等领域有广泛应用， 为相关研究和产品设计提供依据。
骨骼模型的验证与优化
通过实验数据验证模型的准确性和可靠性，并根据实际需求对模型 进行优化和改进。
假肢设计的生物力学基础
假肢设计的需求分析
01
了解截肢者的功能需求和身体状况，为个性化假肢设计提供依
高精度测量技术
研发高精度、非侵入性的测量 技术，用于实时监测骨骼的力
学状态和变化。
创新实验方法
发展新型实验方法，模拟人体 骨骼在不同生理和病理状态下 的力学行为。
数据处理与分析
建立高效的数据处理和分析方 法，处理大规模的生物力学数 据，挖掘其中有价值的规律和 信息。
伦理与法律问题
关注骨骼生物力学研究中的伦 理和法律问题，确保研究的合
据。
假肢的生物力学特性
02Байду номын сангаас
研究假肢与人体骨骼、肌肉和神经系统的相互作用机制，确保
假肢能够实现自然、舒适和高效的运动。
假肢材料与工艺
03
选择合适的材料和工艺制作假肢，确保其耐用性和功能性，同
时考虑成本和美观因素。
05
骨骼生物力学的未来发展
骨骼生物力学的跨学科研究
生物学与医学
深入研究骨骼生物力学与生物学、 医学的交叉领域，探索骨骼生长、
分类
根据部位可分为颅骨、躯干骨和四肢 骨。
结构
骨骼由骨皮质和骨松质组成，内部有 骨髓腔和血管、神经等通道。
骨骼的生长与发育
生长
骨骼通过骨细胞不断增生和骨化，使骨骼逐渐增粗和变硬。
发育
骨骼的发育与生长激素、甲状腺激素等激素有关，同时受到 遗传因素的影响。
骨的生物力学
疲劳性骨折
• 好发部位 • 发生原因
骨由于长期承受反复负荷后 发生微损伤而逐渐形成的骨折 又称为行军骨折 81% 下肢>上肢>躯干 1.肌肉疲劳 2肌肉牵拉 3骨钙质减少、骨强度降低 避免长时间高频率的单一负重跑跳训练
• 预防方法
｛
正确选用运动场地
充分的准备活动 早期发现、早期处理 饮食调理
人体脊椎骨的椎体在高压载 • 骨折的生物力学原理
–1.拉伸 –2.压缩 –3.剪切 –4.弯曲 成人骨骼：破裂开始于拉伸侧 –5.联合载荷 未成年人：首先自压缩侧破裂 –6.骨松质的微细骨折 骨松质的微细骨折与修复之间存在动态平衡 当微细骨折的程度超出生理水平就会产生病 理结果，使骨折危险性增加
荷下可发生压缩性骨折 剪切骨折常见于骨松质 如运动员单杠失手或跳伞落 例如股骨髁和胫骨平台骨折 地技术不正确 拳击、橄榄球等运动
骨的生物力学特性
• 各向异性
应 力
L
T
应变
运动对骨的力学性能的影响
• 体育锻炼对骨的力学性能的良好影响
–体育锻炼对骨的力学性能的良好影响 应力增加-成骨细胞活性增强 应力降低-破过细胞活性增强 –不同运动项目对骨的力学性能的影响
负重部位骨密度增加 无负重部位骨密度无影响 –适应力原则
骨的运动损伤及防治
• 骨的受载形式与骨折类型
骨折是由应 力和功能分 布不均所致 骨折多发生 在长骨
A.线状（纵行）骨折 B. 横行骨折 C. 斜行骨折 D.螺旋骨折 E.青枝骨折 F.“T” 形骨折 G.嵌入骨折 H. 粉碎性骨折
骨折的生物力学
临床上多见于骨 松质，如跟腱止 点的跟骨撕脱性 主要是骨单位的斜形劈 骨折 裂
骨的生物力学
骨骼的生物力学PPT课件
实验研究具有直接性和可靠性，但可能受到样本大小、实验条件等因素的限制。
实验研究
有限元分析具有灵活性、无损性和可重复性等优点，但需要准确的模型和参数，以及高性能计算机资源。
有限元分析是一种计算方法，用于模拟和分析复杂的结构和系统的力学行为。
通过将骨骼划分为一系列小的单元（或“有限元”），可以预测其在不同载荷下的响应，如变形、应力分布和破坏模式等。
骨骼的生长与发育
02
CHAPTER
骨骼的生物力学特性
骨骼的弹性模量决定了骨骼的刚度和变形程度，不同部位的骨骼具有不同的弹性模量，以适应不同的生理需求。
骨骼的疲劳性能也很重要，它决定了骨骼在反复受力后的性能退化。
骨骼具有很高的抗压强度和抗拉强度，能够承受身体重量和肌肉收缩产生的力量。
骨骼的力学性能
骨质疏松症
通过科学的运动和饮食，可以预防骨质疏基因组学和蛋白质组学的发展，未来可以根据患者的基因和蛋白质表达情况，制定个性化的治疗方案。
骨骼疾病的个性化治疗
未来骨骼生物力学将与多个学科进行交叉融合，如生物学、医学、物理学等，为骨骼疾病的研究和治疗提供更广阔的思路和方法。
骨骼的生长与发育是一个复杂的过程，受到多种激素和生长因子的影响。
总结词
骨骼的生长与发育主要分为三个阶段：婴幼儿期、儿童期和青春期。在婴幼儿期，骨骼主要由软骨组成，随着年龄的增长，软骨逐渐被骨组织替代。在儿童期，骨骼继续生长并逐渐变得致密坚硬。在青春期，骨骼的生长速度达到峰值，最终完成骨骼的发育。
详细描述
手术治疗需要在专业医生的指导下进行，以确保手术安全有效。
手术治疗
06
CHAPTER
骨骼生物力学的前景与展望
人工智能
人工智能在骨骼生物力学领域的应用，可以帮助医生进行更精确的诊断和治疗方案制定，提高治疗效果。
实验研究
有限元分析具有灵活性、无损性和可重复性等优点，但需要准确的模型和参数，以及高性能计算机资源。
有限元分析是一种计算方法，用于模拟和分析复杂的结构和系统的力学行为。
通过将骨骼划分为一系列小的单元（或“有限元”），可以预测其在不同载荷下的响应，如变形、应力分布和破坏模式等。
骨骼的生长与发育
02
CHAPTER
骨骼的生物力学特性
骨骼的弹性模量决定了骨骼的刚度和变形程度，不同部位的骨骼具有不同的弹性模量，以适应不同的生理需求。
骨骼的疲劳性能也很重要，它决定了骨骼在反复受力后的性能退化。
骨骼具有很高的抗压强度和抗拉强度，能够承受身体重量和肌肉收缩产生的力量。
骨骼的力学性能
骨质疏松症
通过科学的运动和饮食，可以预防骨质疏基因组学和蛋白质组学的发展，未来可以根据患者的基因和蛋白质表达情况，制定个性化的治疗方案。
骨骼疾病的个性化治疗
未来骨骼生物力学将与多个学科进行交叉融合，如生物学、医学、物理学等，为骨骼疾病的研究和治疗提供更广阔的思路和方法。
骨骼的生长与发育是一个复杂的过程，受到多种激素和生长因子的影响。
总结词
骨骼的生长与发育主要分为三个阶段：婴幼儿期、儿童期和青春期。在婴幼儿期，骨骼主要由软骨组成，随着年龄的增长，软骨逐渐被骨组织替代。在儿童期，骨骼继续生长并逐渐变得致密坚硬。在青春期，骨骼的生长速度达到峰值，最终完成骨骼的发育。
详细描述
手术治疗需要在专业医生的指导下进行，以确保手术安全有效。
手术治疗
06
CHAPTER
骨骼生物力学的前景与展望
人工智能
人工智能在骨骼生物力学领域的应用，可以帮助医生进行更精确的诊断和治疗方案制定，提高治疗效果。
骨的生物力学特性及应用(原创PPT课件
1
骨的构成 骨的基本生物力学特性 骨折的生物力学特性 骨的功能适应性
2
新鲜骨的构造 骨组织 骨膜 骨髓 关节软骨 血管 神经 淋巴（？）
3
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
4
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
成分 有机பைடு நூலகம்（35%）
无机质（65%）
种类（含量） 骨胶原纤维（95%） 无定形基质（5%） 羟基磷灰石（85%） 碳酸钙（9%） 其它（6%）
触锁定加压接骨 板LC—LCP
松质骨螺钉和皮 质骨螺钉
3．5毫米锁定 加压重建接骨板
可吸收骨螺钉
带锁髓内钉
10
11
12
13
14
图2 典型的应力松弛曲线
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
作用 使骨具有一定的弹性和韧性
使骨具有一定的硬度和坚固性
5
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
6
强度和刚度 各向异性 黏弹性 蠕变和应力松弛 应力集中 压电效应
7
强度：应力-应变曲线下方的面积(抵抗破坏的能力)。 刚度：应力-应变曲线弹性区的斜率（抵抗变形的能力）。
8
9
3．5毫米有限接
31
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
It'S An Honor To Walk With You All The Way
讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
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骨的构成 骨的基本生物力学特性 骨折的生物力学特性 骨的功能适应性
2
新鲜骨的构造 骨组织 骨膜 骨髓 关节软骨 血管 神经 淋巴（？）
3
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
4
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
成分 有机பைடு நூலகம்（35%）
无机质（65%）
种类（含量） 骨胶原纤维（95%） 无定形基质（5%） 羟基磷灰石（85%） 碳酸钙（9%） 其它（6%）
触锁定加压接骨 板LC—LCP
松质骨螺钉和皮 质骨螺钉
3．5毫米锁定 加压重建接骨板
可吸收骨螺钉
带锁髓内钉
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图2 典型的应力松弛曲线
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写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
作用 使骨具有一定的弹性和韧性
使骨具有一定的硬度和坚固性
5
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
6
强度和刚度 各向异性 黏弹性 蠕变和应力松弛 应力集中 压电效应
7
强度：应力-应变曲线下方的面积(抵抗破坏的能力)。 刚度：应力-应变曲线弹性区的斜率（抵抗变形的能力）。
8
9
3．5毫米有限接
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谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
It'S An Honor To Walk With You All The Way
讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
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骨的生物力学
骨的生物力学01骨对外力作用的反应02骨结构的生物力学特征03运动对骨力学性能的影响04骨的运动损伤及防治目录| Contents3骨的生物力学人体运动的“硬件”是以骨骼为杠杆关节为枢纽，肌肉收缩为动力的运动系统运动系统受神经中枢“软件”的控制通过内力和外力的相互作用完成目标动作和适应外界环境变化4骨对外力作用的反应拉伸压缩弯曲剪切扭转复合载荷根据外力外力作用的不同，人体骨骼的受力可分为以下几种形式5应力作用于作用于骨的力不同其内部分别会产生相应的应力，如压应力、拉压力等应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用对于骨来说，存在一个最佳的应力范围6应变初始长度L 0力F形变应变=形变初始长度骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比的7应变-应变曲线8骨结构的生物力学特征特征一即其力学性能对成分和结构的具有较强的依赖性特征二壳形(管形）结构（以长骨为例）特征三均匀强度分布下肢骨应力分布曲线，与骨小梁的排列十分相近9骨结构的生物力学特征10运动对骨的力学性能的影响•适宜应力对骨的力学性能的良好影响•1、体育锻炼对骨的力学性能的良好影响•2、不同运动项目对骨的力学性能的影响•3、适宜应力原则骨折的断裂形式及载荷方式骨折受拉伸载荷所致骨折受压缩载荷所致骨折受弯曲载荷所致骨折受剪切载荷所致实际情况下的骨折绝大部分是由复合载荷引起的13骨折治疗的生物力学原理充分利用生理功能状态下的力学状态去控制骨重建在治疗的过程中应遵循一条生物力学原则而不要干扰或尽量减少干扰骨应承受的力学状态常见运动性骨损伤生物力学分析剧烈运动存储能量的能力的丧失步态改变载荷失常改变应力分布加强压力复合斜行裂缝斜行骨折骨骼分离横行裂缝加强张力横行骨折疲劳骨折谢谢欣赏。
骨生物力学教学ppt课件
劳寿命是无限的，该应力水平称疲劳极限。 疲劳极限是一个安全控制数据，只要应力
低于它，不管周期数目多少是不会短裂的。
43
骨单位密度较高的骨，抗疲劳性能较好， 有助于防止骨折-因骨的胶接线及中央管制 止裂隙扩展。
44
ห้องสมุดไป่ตู้
3.骨折治疗生物力学
接骨原则：1.血供。2.维持骨生理和力学环 境。
弹性固定好，活动度难掌握。牢固固定， 缺点骨愈合不牢固。
松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）
13
1.骨皮质
骨皮质 其材料特性取决于骨组织负荷或变形率。 骨皮质快速受力较缓慢受力吸收的能量大。 骨组织应力-应变特征：骨皮质纵向骨小梁
排列比横向强度大，硬度也较强。（长骨 长轴比横轴更对抗应力）
14
应变率
表示骨受力过程中变形迅速的程度
骨骼系统的特点 几何学复杂：管状骨、不规则骨、扁骨等 力的类型复杂 应力和应变复杂
7
屈服(失控) ： 应力达到某一点时，提示骨 小梁断裂开始（屈服用Y点），且持续时间 较长，骨小梁断裂逐渐增多（极限用U点）。
材料的硬度：弹性模量（应力比应变） 拉力和压力作用于棒产生45°剪应力。
负荷，90%可瞬间恢复。 软骨的渗透性很低，通过压力梯度和挤压
渗透。机械反刍调节机制
22
4.2 软骨的张力特性
软骨主要抗张力成分----胶原纤维 （软骨张力硬度取决于胶原纤维含量多少
和排列次序） 张力继发于压力 软骨表面胶原纤维的主要排列方向与压力
垂直关节产生的最大表面张力相一致， 张力强度随关节面下的深度增加而减少。
骨结构(弯曲)本身：减低弯应力
骨空心结构：比实心结构承受弯曲及旋转
低于它，不管周期数目多少是不会短裂的。
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骨单位密度较高的骨，抗疲劳性能较好， 有助于防止骨折-因骨的胶接线及中央管制 止裂隙扩展。
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ห้องสมุดไป่ตู้
3.骨折治疗生物力学
接骨原则：1.血供。2.维持骨生理和力学环 境。
弹性固定好，活动度难掌握。牢固固定， 缺点骨愈合不牢固。
松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）
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1.骨皮质
骨皮质 其材料特性取决于骨组织负荷或变形率。 骨皮质快速受力较缓慢受力吸收的能量大。 骨组织应力-应变特征：骨皮质纵向骨小梁
排列比横向强度大，硬度也较强。（长骨 长轴比横轴更对抗应力）
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应变率
表示骨受力过程中变形迅速的程度
骨骼系统的特点 几何学复杂：管状骨、不规则骨、扁骨等 力的类型复杂 应力和应变复杂
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屈服(失控) ： 应力达到某一点时，提示骨 小梁断裂开始（屈服用Y点），且持续时间 较长，骨小梁断裂逐渐增多（极限用U点）。
材料的硬度：弹性模量（应力比应变） 拉力和压力作用于棒产生45°剪应力。
负荷，90%可瞬间恢复。 软骨的渗透性很低，通过压力梯度和挤压
渗透。机械反刍调节机制
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4.2 软骨的张力特性
软骨主要抗张力成分----胶原纤维 （软骨张力硬度取决于胶原纤维含量多少
和排列次序） 张力继发于压力 软骨表面胶原纤维的主要排列方向与压力
垂直关节产生的最大表面张力相一致， 张力强度随关节面下的深度增加而减少。
骨结构(弯曲)本身：减低弯应力
骨空心结构：比实心结构承受弯曲及旋转
骨的生物力学
骨的生物力学一、材料力学的基本概念（一）载荷1、概念：通常指施加于物体或某种结构上的外力，或某种能引起物体结构内力的非力学因素称为载荷。
2、分类：（1）静载荷：载荷由0渐增至某一值后不再改变，物体各部分不产生加速度或加速度很小可忽略。
例如慢起倒立时，作用在手臂上的载荷。
（2）动载荷：使物体整体或某些部分产生显著加速度的载荷。
又可分为冲击载荷和交变载荷。
①冲击载荷：物体在载荷的作用下，速度在极短时间内变化很大。
此时的载荷称为冲击载荷。
如网球、乒乓球拍击球、踏跳等。
②交变载荷：随时间作周期改变并多次重复地作用在物体上的载荷。
（重复次数可达几十万次或几百万次），如马拉松跑时作用在运动员双腿骨骼上的载荷。
3、载荷的表现形式:（1）拉伸载荷（2）压缩载荷（3）弯曲载荷（4）剪切载荷（5）扭转载荷（6）复合载荷。
（二）应变与应力1、应变：物体在受到外力作用时，单位长度所产生的伸长或缩短或单位角度的变化叫做相对变形或应变。
（1）具体表现为物体的尺寸和几何形状的改变。
（2）其本质是在外力作用下，物体任意两点间的距离和任意两直线或两平面的夹角发生改变。
2、应力：物体单位面积上内力的大小。
（1）内力：由于外力作用而引起的固体内部各质点之间相互作用力的改变量。
（2）内力的产生是外力作用于物体的结果。
由于外力的作用使物体发生应变而最终使物体内部产生内力。
（有应变才有应力）（3）注意在材料力学中内力是指某一物体内部各质点间相互作用力的改变量。
（4）任意方向的内力都可正交分解为垂直截面的法向分力和截面内的切向分力。
（分别用ΔN和ΔT表示）（5）应力的单位是：工程中kg/cm2，国际单位kg/mm2，N/m2（帕Pa）3、应力—应变曲线：应力—应变曲线描述了应变过程中应力的变化过程。
即应力随应变的改变量而变化的情况。
（以拉伸实验为例，可分为四个阶段）（1）弹性阶段：卸载后，变形能完全恢复的阶段。
即发生弹性形变的阶段。
特点是：弹性形变，应力—应变符合虎克定律。
生物力学课程骨骼力学讲课文档
复合材料，一相为无机物，另一相为胶原和 无定形基质，当坚固的脆性材料嵌入另一种 力度较弱但柔韧性强的材料中后，复合材料 的性能比其中任何一种单纯材料更加坚韧。
第四十三页，共96页。
从功能上说，骨最重要的力学性质 是它的强度、刚度和应力-应变关系。
通过骨在外力作用下的变形可得到。
第四十四页，共96页。
在有害应力或低应力环境下，骨折愈合迟缓，甚至不愈 合，骨质疏松，强度下降。
第二十六页，共96页。
第二十七页，共96页。
成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞。
力敏感的离子通道、G蛋白与酪氨酸激酶、 整合素受体与细胞骨架等多种途径，感受体内 外力学刺激，并将力学刺激信号转化为细胞生 物化学信号，介导力相关敏感基因表达，合成 各种酶类等活性物质，激活信号网络级联反应， 参与一系列复杂的生理病理活动。
可见骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成的复合材料，它 具有优异的力学性能。因为：
柔韧的胶原可阻止硬材料的脆性断裂，而坚硬 的硬材料又可阻止软材料的屈服。
第二十三页，共96页。
二. 四种骨细胞 骨祖细胞
成骨细胞 骨细胞 破骨细胞
第二十四页，共96页。
四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转化， 互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。 骨祖细胞：骨组织的干细胞，位于骨膜内，可分化 成为成骨细胞和成软骨细胞。分化方向取决于所处 的部位和所受的刺激性质。例如，当骨生长、改建 或骨折修复时，骨祖细胞活跃，不断分裂、分化为 成骨细胞。
人
股
骨
干
密
质
骨
四
个
方
向
加
载
实
验
第五十一页，共96页。
4.肌肉的活动对骨应力分布的影响
骨在体内受到复合时，附着于骨的肌肉会 发生收缩，改变应力在骨内的分布。肌肉收缩 产生的压应力能够部分或完全抵消张应力的效 应。这样就降低或抵消了骨的张应力作用。
第四十三页，共96页。
从功能上说，骨最重要的力学性质 是它的强度、刚度和应力-应变关系。
通过骨在外力作用下的变形可得到。
第四十四页，共96页。
在有害应力或低应力环境下，骨折愈合迟缓，甚至不愈 合，骨质疏松，强度下降。
第二十六页，共96页。
第二十七页，共96页。
成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞。
力敏感的离子通道、G蛋白与酪氨酸激酶、 整合素受体与细胞骨架等多种途径，感受体内 外力学刺激，并将力学刺激信号转化为细胞生 物化学信号，介导力相关敏感基因表达，合成 各种酶类等活性物质，激活信号网络级联反应， 参与一系列复杂的生理病理活动。
可见骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成的复合材料，它 具有优异的力学性能。因为：
柔韧的胶原可阻止硬材料的脆性断裂，而坚硬 的硬材料又可阻止软材料的屈服。
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二. 四种骨细胞 骨祖细胞
成骨细胞 骨细胞 破骨细胞
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四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转化， 互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。 骨祖细胞：骨组织的干细胞，位于骨膜内，可分化 成为成骨细胞和成软骨细胞。分化方向取决于所处 的部位和所受的刺激性质。例如，当骨生长、改建 或骨折修复时，骨祖细胞活跃，不断分裂、分化为 成骨细胞。
人
股
骨
干
密
质
骨
四
个
方
向
加
载
实
验
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4.肌肉的活动对骨应力分布的影响
骨在体内受到复合时，附着于骨的肌肉会 发生收缩，改变应力在骨内的分布。肌肉收缩 产生的压应力能够部分或完全抵消张应力的效 应。这样就降低或抵消了骨的张应力作用。
骨的生物力学
当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变 的极限时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。
（三）应力-应变曲线 表示应力和应变之间的关系。 应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变 形区。 在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如 骨折）。 弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。 该点对应的应力是产生骨最大应力的 弹性形变，亦称为弹性极限。 塑性区：屈服点以后的区。 此时已出现结构的损坏和永久变形。 当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。
3）骨松质粘弹性性质与蠕变
骨松质具有粘弹性性质和蠕变性质，在一定应力作 用下，其蠕变将随时间而变化，蠕变在开始时速度快， 继之变慢，最后速度又变快。
五、骨折的生物力学 骨的完整性或连续性中断时称骨折。 其常见原因有直接暴力、间接暴力、肌拉 力、积累劳损及骨骼疾病。骨折往往与骨 所受的拉伸、挤压、弯曲等载荷密切相关。
即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织 会产生缓慢变形或蠕变。 在加载后的最初数小时（6～8小时），其蠕变 现象最显著，随后蠕变的速率则会降低。 一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次 是拉力、剪切力和扭转力。 骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。
（二）骨的基本变形
骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的 变形，如腰脊柱前凸即是受力变形。 根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般 可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等 五种基本变形。
2).骨松质结构特征与应力适应性
★骨松质的网格形式与其结构密度有密切关系。 不同部位骨松质具有着不同类型的显微结构。 ★骨松质的结构密度与其所受的应力大小成正比，在 密度相对较低的骨松质部位，骨小梁主要表现为开放 型的针状结构； 在密度相对较高的骨松质部位，形成封闭式的片状 结构；中等密度时，结构由针状和片状网格混合而成。 ★骨小梁的排列方向依赖于作用在骨松质上的应力的 大小、方向和力的类型。
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当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变 的极限时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。
（三）应力-应变曲线 表示应力和应变之间的关系。 应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变
形区。 在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如
骨折）。 弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。 该点对应的应力是产生骨最大应力的
一、骨的承载能力
衡量骨承载能力的三要素： 第一，要求骨有足够的强度。
即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。 第二，要求骨有足够的刚度。
即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。 第三，要求骨有足够的稳定性。
即指骨保持原有平衡形态的能力。
二、骨的载荷及变形
人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨 产生复杂的力。
往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复 合载荷。
如人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复 合。
像跌倒后发生的桡骨远端骨折，便是既有剪切 力又有压缩力等多种力综合作用的结果。
持续载荷对骨也会产生一定的影响。
即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织 会产生缓），其蠕变 现象最显著，随后蠕变的速率则会降低。
第二节 骨的生物力学
学习目标
1.掌握骨的应力、应变、骨的载荷和变形； 2.掌握骨的功能适应性原则； 3.熟悉骨的生物力学特征； 4.熟悉运动对骨形态结构的影响及作用原理； 5.了解载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。
学习内容 一、骨的承载能力
二、骨的载荷与变形 三、骨的应力与应变 四、骨的生物力学特性 五、骨折的生物力学 六、骨的功能适应性 七、骨生物力学指标 八、骨质疏松症运动防治
例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。
5.扭转载荷 (图e) 加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转 载荷。
如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。
在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转 与骨关节的旋转活动中。
当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整 个骨骼结构中。
6.复合载荷(图f)
人体在运动时，由于骨的几何结构不规则， 同时又受到多种不定的载荷，
弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。
（四）骨应变能量
概念：达到极限负荷时的应力－应变曲线下面的 面积表示导致骨折所需要的能量。
★骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特 殊性。 ★在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物 质特性也很重要。 ★当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性 形变。 ★如果外力撤除后仍有剩余形变，这种性质则称为 弹塑性。 ★钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹 性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。
特点：骨骼在弯曲载荷时，其中性轴两旁一侧产生 拉应力和拉应变，另一侧则产生压应力和压应变， 在中性轴上则没有应力和应变。
应力的大小与至骨骼中性轴距离成正比，即距 中性轴越远，其应力就越大。
4.剪切载荷(图d) 在骨的表面受到一对大小相等、 方向相反且相距很近的力的作用。 在骨内部也会产生剪切应力和应变。
弹性形变，亦称为弹性极限。 塑性区：屈服点以后的区。 此时已出现结构的损坏和永久变形。 当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。
★导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。
★在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模 量(Young‘s Modules)，表示材料抗形变的能力。
一般而言，弹性模量是一个常数。
即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。
（一）骨的载荷 载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。 人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。 当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸a、 压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f等载荷。
1.拉伸载荷(图a)
在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿 轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部 产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。
三、骨的应力与应变
骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。 （一）骨的应力 概念：当外力作用于骨时，
骨以形变产生内部的阻抗 以抗衡外力，即是骨产生的应力。 特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比， 单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。 计算公式：
种类：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相 应的应力，如压应力、拉压力等。
作用：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用， 应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。 因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。
（二）应变
概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变 形。
其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比， 即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表示(下图)。
由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小
例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。
2.压缩载荷(图b) 是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、 方向相对的载荷。 该载荷在骨组织内部产生压应力和应变。
如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩。
3.弯曲载荷 (图c)
是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。
例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲 载荷。
一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次 是拉力、剪切力和扭转力。
骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。
（二）骨的基本变形
骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的 变形，如腰脊柱前凸即是受力变形。
根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般 可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等 五种基本变形。
★力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。 在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时， 骨的原有形状和几何学结构便恢复。 如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负 荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。 ★决定骨断裂抵抗力和变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点，及组成骨组织的材 料特性等。 骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引 起骨的断裂。骨在承受轴向力(axialforce)与承受弯曲 (bending)或扭转力(torsionalforce)方面存在有很大 差异。 ★大骨抵抗力的能力优于小骨。
（三）应力-应变曲线 表示应力和应变之间的关系。 应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变
形区。 在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如
骨折）。 弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。 该点对应的应力是产生骨最大应力的
一、骨的承载能力
衡量骨承载能力的三要素： 第一，要求骨有足够的强度。
即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。 第二，要求骨有足够的刚度。
即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。 第三，要求骨有足够的稳定性。
即指骨保持原有平衡形态的能力。
二、骨的载荷及变形
人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨 产生复杂的力。
往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复 合载荷。
如人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复 合。
像跌倒后发生的桡骨远端骨折，便是既有剪切 力又有压缩力等多种力综合作用的结果。
持续载荷对骨也会产生一定的影响。
即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织 会产生缓），其蠕变 现象最显著，随后蠕变的速率则会降低。
第二节 骨的生物力学
学习目标
1.掌握骨的应力、应变、骨的载荷和变形； 2.掌握骨的功能适应性原则； 3.熟悉骨的生物力学特征； 4.熟悉运动对骨形态结构的影响及作用原理； 5.了解载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。
学习内容 一、骨的承载能力
二、骨的载荷与变形 三、骨的应力与应变 四、骨的生物力学特性 五、骨折的生物力学 六、骨的功能适应性 七、骨生物力学指标 八、骨质疏松症运动防治
例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。
5.扭转载荷 (图e) 加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转 载荷。
如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。
在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转 与骨关节的旋转活动中。
当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整 个骨骼结构中。
6.复合载荷(图f)
人体在运动时，由于骨的几何结构不规则， 同时又受到多种不定的载荷，
弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。
（四）骨应变能量
概念：达到极限负荷时的应力－应变曲线下面的 面积表示导致骨折所需要的能量。
★骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特 殊性。 ★在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物 质特性也很重要。 ★当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性 形变。 ★如果外力撤除后仍有剩余形变，这种性质则称为 弹塑性。 ★钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹 性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。
特点：骨骼在弯曲载荷时，其中性轴两旁一侧产生 拉应力和拉应变，另一侧则产生压应力和压应变， 在中性轴上则没有应力和应变。
应力的大小与至骨骼中性轴距离成正比，即距 中性轴越远，其应力就越大。
4.剪切载荷(图d) 在骨的表面受到一对大小相等、 方向相反且相距很近的力的作用。 在骨内部也会产生剪切应力和应变。
弹性形变，亦称为弹性极限。 塑性区：屈服点以后的区。 此时已出现结构的损坏和永久变形。 当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。
★导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。
★在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模 量(Young‘s Modules)，表示材料抗形变的能力。
一般而言，弹性模量是一个常数。
即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。
（一）骨的载荷 载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。 人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。 当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸a、 压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f等载荷。
1.拉伸载荷(图a)
在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿 轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部 产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。
三、骨的应力与应变
骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。 （一）骨的应力 概念：当外力作用于骨时，
骨以形变产生内部的阻抗 以抗衡外力，即是骨产生的应力。 特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比， 单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。 计算公式：
种类：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相 应的应力，如压应力、拉压力等。
作用：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用， 应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。 因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。
（二）应变
概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变 形。
其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比， 即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表示(下图)。
由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小
例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。
2.压缩载荷(图b) 是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、 方向相对的载荷。 该载荷在骨组织内部产生压应力和应变。
如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩。
3.弯曲载荷 (图c)
是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。
例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲 载荷。
一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次 是拉力、剪切力和扭转力。
骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。
（二）骨的基本变形
骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的 变形，如腰脊柱前凸即是受力变形。
根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般 可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等 五种基本变形。
★力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。 在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时， 骨的原有形状和几何学结构便恢复。 如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负 荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。 ★决定骨断裂抵抗力和变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点，及组成骨组织的材 料特性等。 骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引 起骨的断裂。骨在承受轴向力(axialforce)与承受弯曲 (bending)或扭转力(torsionalforce)方面存在有很大 差异。 ★大骨抵抗力的能力优于小骨。