骨的力学性质实验弯曲与压缩

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骨骼的力学特性

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。
（三）机械应力对骨生长的影响
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。
(骨一：)、连骨结组形织成发骨所生骼的，受基构本成到过人程体的支架力，支。持体骨重、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。敢于浪费哪怕一个钟头时间的人，说明他还不懂得珍惜生命的全部价值。
骨基质呈板层状排列称为骨板，是骨基质结构形式。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。骨内膜：(endosteum) 骨的力学性质还受到以下因素的影响。只会幻想而不行动的人，永远也体会不到收获果实时的喜悦。
骨板（bone lam骨ell的a）应力与应变曲线
❖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。
骨骼的力学特性
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。
功能
对机体起支持运动和保护的作用红骨髓是造血部位骨组织是机体钙、磷的储存库

骨质疏松动物模型骨的拉伸、压缩、扭转实验研究

ｂｅｄｎ３ｗｅｋｓｔｅｒｕｏｄａｈｗｉｂｄｍｉｌａｔｔｎｌｏａｄｔｅｓｅｃｘｅｉｅｔｔｉｔａｕｅｕｄｔｓｏｓｉｇｒｅｇ１ｅ，ｙｗｅｅｐｔｔｅｔｔａｏｎａｏｒｌｉｇｂｏｄｔｔｈｅｐｒｎｈｗｈｅｒｔｍｒｓａｉｎｔｔｎｉｈｈａｅｎｈｒｍｗｉｈｎｏｒｅ
ｗｉｉｅｒｔｅｏａｃｍｐｅｓｓｏｒｘｒｍｅｔｉｅｒｔｓｎｗｅｅｐｏｅｄｄ．ｅｉｄｃｆｓｒｔｈ、ｏｈｔｗｈｔａｍｒ，ｏｆｒｓｈｎｅｐｅｉｎｔｗｉｈｗｈｔａｈｒｒｃｅｅＴｈｎｉｅｓｏｔｅｃｃｍｐｒｓｔｅｓｓｒｉｌｓｉｉｅｓｓｓ、ｔａｎｅａｔｃｒｍｏｕｕ、ｏｓｏａｈａｎｔｅｓａｇｅｏｏｉｎｏｉｔａｔｏｓｏｓｏａｈｇｏｐｗｅｇｔＴｅｃｎｌｓｏｎｓｏｔａｈｅｉｄｃｓｏｔｅｃｄｌｓｔｒｉｎｌｅｆｇｓｓ、ｓｉｒｎｌｆｔｒｏｆｗｈｅｒｓｓｅｕｆｅｃｒｕｓｅｒｏ．ｈｏｃｕｉｈｗｈｔｔｎｉｅｆｓｒｔｈ、ｔｌｓｏｅｍｅｈｎｃｌｏｅｙｏｅｅｃｐｃａｉａｐｒｆｍｏｄｌｇｏｐａｅｌｓｈａｆｎｏａｒｐｐｒｔｅｒｕｒｅｓｔａｔｔｒｌｏｕ．ｎｈｏｍｇ
ｓｓｒｅｌｗｈｔｔｔ８ｉｗｉｔｍａｅｉｒｌ２０～３０，ｏｒｉｅｎｈｌｒｖｄｄｒｎｏｙｉｔｏｍａｍｏｒｕｓ）ｄｌｒｕｓ）ａｕｅｔｒｘａｆｅａｗｉｌ２ｇｆｕ～ｆｔｓｄｗｅｅｉｉｅｄｍｌｏｎｒｌｏｒｌｏｐ（ｘ，ｅｇｏｐ（ｘ，ｃｓｃｏｖｍｏｏｄａｎｃｇｉｍｏｉｃｅｇｏｐ（ｉ）ｍｏｉｕｔｎｃｒｏｐ（ｉ）ｅｔｇｎｃｒｏｐ（ｉ）ａｕｅｔｒｔｓｏｅｕｅｇｏｐ（ｉ）ｍｏｉｕｔｎｗｔｓｏｅｕｅｒｒｕｕｓ，ｘｂｓｏｕｅｇｕｓ，ｓｏｅｕｅｇｕｓ，ｃｓｃｏｈｅｔｇｎｃｒｕｓ，ｘｂｓｏｉｅｔｇｎｃｒｘｉｒｘｒｒｘｗｉｒｒｘｉｈｒｇｏｐ（ｉ）ｔｅｗｈｔｒｔｏｄｌｒｕｒｘｉａｅｉｖｒｅ．ｌｎｔｅｗｈｔｒｔｆｎｒａｃｎｏｒｕｎｄｌｒｕｒｕｓ，ｈｉａｓｆｘｅｍｏｅｏｐｗｅｅｅｔｐｔｄｔｒｏａｙｉ０ｗｅｋＡｆｉｓｏｌｏｔｌｏｐａｄｍｏｅｏｐｇｒｈｅｎｅｈｅａｏｍｒｇｇ

骨生物力学(4学时)

功能。它在日常生活（daily life）、工作
（ occupation ）、健康保健（ health maintenance ）
和医生对病人治疗（medical patient care）方面的应
用被很好的认识并且有高度的有效性和实用性。
骨骼生物力学是生物力学的重要分支,尽管骨力学的研究已有上百年的历史，但至今仍有许多问题处于有待深入研究的状态。
绪论绪论骨力学与骨伤科疾病的关系骨力学与骨伤科疾病的关系骨材料的力学特性骨材料的力学特性及其实验研究方法及其实验研究方法骨质疏松症骨质疏松症骨折治疗与临床应用骨折治疗与临床应用绪论绪论骨力学与骨伤科疾病的关系骨力学与骨伤科疾病的关系骨材料的力学特性骨材料的力学特性及其实验研究方法及其实验研究方法骨质疏松症骨质疏松症骨折治疗与临床应用骨折治疗与临床应用骨骼生物力学的临床应用举例第一节绪论第一节绪论一一
de Vinci, Vesalius Galileo, Borelli Newton, Harvey Marey, Stenonivs, Bell, Duchenne, etc.
（3）分析时期(Analysis Period)
从1850年到1930年,这是一个用理论和实验方法对人类和动物骨骼肌肉系统进行广范分析的时期。俄国、德国和法国各专业学派均致力于这方面的研究，他们主要是从基础科学的观点结合有限的医学应用进行研究。由德国的Wolff和Roux、美国的Koch和几个其他的研究者建立了各种有关于骨骼结构与其负力功能之间的相关性理论。丹麦的Stenonis进行了类似骨骼而与肌肉相关的研究。Bernstein在1926年出版了他的有关 “生物力学”的论文，文中对长骨、下肢及颞下颌关节负荷力及人类步态分析进行了大量研究。尽管这些以肌肉骨骼生物力学为主题的理论研究是非常重要而具革命性，但这些研究在这个时期面临各种困难，主要是因为欧美各国正面临如火如荼的工业革命期间，它吸引了众多科学和工程方面的人才并用尽了所有的研究发展投资的基金。医疗和生物研究与应用也受到同样的影响，因为大多数的医师随着无菌技术的进展和麻

股骨皮质骨生物力学特性研究

股骨皮质骨生物力学特性研究吴淑琴【摘要】Six cases of the femur of normal Chinese fresh corpses were used for capturing 24 femoral ring section of cortical bone along the lateral longitudinal axis. These sections were processed to make 60 test bone samples, 40 as 5 mm × 5 mm × 30 mm and 20 as 5 mm × 5 mm × 10 mm. All the samples were assigned to axial stretching group, compressing group and three-point bending group for the mechanical test research. The test result obtained the indexes of mechanical properties suchas:damaging load of stretching and compressing, limit of strength, modulus of elasticity, bending destructive load, surface hardness, bending strength, bending modulus of elasticity, etc. The sampling position of cortical bone, the processing method of test samples and the fixing method of stretching samples were discussed, and finally analysis and discussions of the mechanical performance of the cortical bones in femur were given as well.%为分析计算股骨皮质骨的材料特性,探讨了皮质骨的取样位置、加工方法及皮质骨拉伸试样的固定装夹方法.采用6例正常人新鲜股骨干中段皮质骨,沿外侧纵向截取4×6个股骨环段,进一步加工制备得到40个尺寸为5 mm×5 mm×30 mm和20个尺寸为5 mm×5 mm×10 mm的测试骨试样.分组进行了轴向拉伸、压缩和三点弯曲的生物力学试验,得出了股骨干皮质骨轴向的拉伸、压缩破坏载荷、强度极限、弹性模量,弯曲破坏载荷、表面硬度、抗弯强度、弯曲弹性模量等指标,并对股骨干皮质骨的材料力学特性进行了分析讨论.【期刊名称】《中北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)002【总页数】5页(P216-220)【关键词】股骨;皮质骨;生物力学;力学特性【作者】吴淑琴【作者单位】中北大学机械工程与自动化学院,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP306;Q66骨组织材料属性的准确设置,对于不同部位骨骼的有限元建模分析有重要的影响[1-2].一般采用力学加载的方法研究骨在外加载荷(如拉伸、压缩等)影响下的力学特征(如强度、应变、杨氏模量等)的变化情况,计算了分析骨骼材料的强度和刚度,以获取更多有关骨力学的完整信息,为临床上对骨质进行准确评定提供了有效手段[3-4].由于骨材料受种族、解剖部位、表观密度等因素的影响,测试试样的统一性很难保证,国内对皮质骨的研究相对较少,且大都对同一批试样只采取单一加载的测试方式[5],因此缺乏对材料力学特性的全面获取.为此,本文对正常人股骨干皮质骨在股骨干纵向取样,对制备的同一批股骨试样分别进行了轴向拉伸、压缩和三点弯曲试验这三种不同的力学加载试验测试,同时获得同批骨试样抗拉、抗压以及抗弯的力学性能指标,使其结果更具有说服力[6-8].另外,对皮质骨试样的取样位置、尺寸设计和试验方法等进行了研究,并成功摸索出了一套标准骨试样加工制备的工艺方法,为进一步深入研究皮质骨的力学性质,满足临床医学要求以及骨材料力学试验的标准化制定打下了基础.1 测试材料和方法1.1 试验材料试验所用材料来源于北京积水潭医院提供的正常国人新鲜尸体股骨6根,保留完整股骨干及股骨头部分,去除骨表面的肌肉、韧带等组织.所有尸骨材料以浸有生理盐水的棉纱布包裹,装入塑封袋中,密封后置于 -20℃下低温冷冻保存.试验前取出材料,在常温下解冻备用.1.2 方法测试样本的设计与制备:在材料测试中,取样的原则是假定试样在本身的尺寸下其本身性质均匀和稳定.股骨是长骨,形状较为规则,易于得到外形标准且骨量较大的骨试样,但由于骨骼本身连续变化的特点,试样尺寸不应太大.另外,应满足试样的连续性假设,即试样包含至少5个连续的骨小梁,因此试样尺寸也不能太小.为此,一方面参考国内外文献中试样的几何尺寸[9-10],另一方面通过 CT扫描图片掌握股骨干内部的骨厚分布情况,来确定骨试样的几何外形尺寸以及具体的取样位置[11-13].研究表明:随着尺寸与纵横比的增加,骨试样的随机误差减小,但是由于股骨皮质骨剖面呈圆环状,受到尺寸限制,故骨样件的横截面壁厚一般小于 6 mm.而 F.Linde等人研究认为[14]:当纵横比达到2∶1时,骨试样试验精度达到最高.根据以上结论,考虑到拉伸与三点弯曲试验中试样的有效长度小于试样本身尺寸,将尺寸规格定为5 mm×5 mm×30 mm;压缩试样的尺寸则使用5 mm×5 mm×10 mm.另外,在取材位置选择上,根据 CT图像以及相关文献研究,本文选择的位置为股骨小转子底部以远 20～ 140 mm.在每段股骨小转子底部以下 20 mm处,向股骨干远端方向依次取下长度均为 30 mm的连续股骨环段 4段,计为区段 A,B,C,D,如图1所示.图1 骨试样取样位置Fig.1 Bone specimen sampling position在骨试样样条具体加工制备的过程中,切割工具选用数控精密切割机,冷冻切割.材料切割进给系统使用二自由度运动控制平台,步进电机驱动丝杠实现精确定位,设定程序后切割过程自动进行.切割精度达 0.1 mm,以保证骨试样的尺寸符合标准.共获得60个标准骨试样,其中:20个5 mm× 5 mm× 30 mm拉伸件,20个5 mm×5 mm× 30 mm弯曲件,以及20个5 mm×5 mm×10 mm压缩件(图2).图2 骨试样加工Fig.2 Bone specimens p rocessing利用游标卡尺对每个骨试样的几何尺寸进行多次测量,求均值并记录,尺寸为 4.95 mm×4.93 mm× 29.91 mm和4.97 mm× 4.97 mm×10.09 mm,精度符合要求.试验前使用分析天平测量每个骨试样的湿重,计算求得试样密度为1.89 g/cm3和1.86 g/cm3,与皮质骨的平均密度1.8 g/cm3较为接近.2 股骨皮质骨材料力学性能试验2.1 股骨干皮质骨材料拉伸试验股骨干皮质骨拉伸试验在岛津 AG-IS自动控制电子万能材料试验机上进行.将试样两端装夹于试验机板状夹具内,夹头采用气动控制,夹板上增加斜向纹路以增大摩擦.在试验中对两端装夹部分缠裹纱布避免端面被夹坏造成试验失败.骨试样总尺寸为5 mm×5 mm×30 mm,有效长度为 10 mm,纵横比为2∶1.载荷由力学载荷传感器传递,位移由光电编码器传递,通过材料试验机自带软件程序记录载荷信息与位移信息.试验中加载速度的设定是参考 S.M.Synder[15]对皮质骨试验的推荐测试条件,选择设定为 0.6 mm/min,即应变率为 0.01,符合人体在正常活动时骨应变的变化范围.测试过程中使骨试样保持湿润.首先进行加载速度为0.6 mm/min,加载力为 0～30 N,循环次数为3次的预加载试验,使骨试样处于良好的力学性能状态;接下来以 0.6 mm/min的加载速度进行单次破坏力学加载,直至骨试样被破坏.图3 拉伸试验载荷-位移曲线Fig.3 Load-displacement curv e of tensile test 骨试样破坏后,计算机输出时间、载荷-位移曲线等试验数据(图3),拉伸弹性模量 E l由记录曲线弹性段采集数据而求出,具体数据处理采用J.C.Lotz[16]提出的方法.股骨干皮质骨拉伸试验结果见表1.经过计算分析,股骨拉伸样件的平均密度为1.94± 0.07 g/cm3,可承受的最大拉伸载荷为1.06±0.18 k N,强度极限为44.05±8.81 MPa.拉伸弹性模量为0.36±0.06 GPa.表1 股骨皮质骨拉伸试验结果Tab.1 Test results of femoral cortical bone tensile2.2 股骨干皮质骨材料压缩试验股骨干皮质骨压缩试验也在岛津材料试验机上进行,载荷由力学载荷传感器传递,位移由光电编码器传递,通过材料试验机自带软件程序记录载荷信息与位移信息.压头选用自适应压头,其特点是能在一定角度范围内调整压头平面,使其和试样上表面紧密贴合,从而减小试验误差.在试验过程中,利用生理盐水湿润试样.采取先进行加载速度为 0.6 mm/min,加载力为 0～30 N,循环次数为3次的预加载试验;再进行单次破坏加载,加载速度为 0.6 mm/min.试验结束后计算机自动输出试验结果.从记录曲线和所测参数求出压缩弹性模量 E y,试验结果见表2.表2 股骨皮质骨压缩试验结果Tab.2 Comp ression test results of femoral cortical bone图4 压缩试验载荷-位移曲线Fig.4 Load-displacement curve of compression test骨试样破坏后,计算机输出时间、载荷-位移曲线等试验数据(如图4所示),计算分析得出股骨压缩样件的平均密度为1.86±0.02 g/cm3,可以承受的最大压缩载荷为3.63±0.16 kN,强度极限为146.56±5.22 MPa.压缩弹性模量为3.50±0.11 GPa.2.3 股骨干皮质骨材料三点弯曲试验由于很多情况下骨折与弯曲载荷有关,因此有必要掌握骨在弯曲载荷下的力学性质.股骨干皮质骨三点弯曲试验也在岛津材料试验机上进行,试验方法采用金属脆性材料的测试方法.将骨试样置于材料试验机自带的三点弯曲卡具上,卡具跨距为 20 mm.在试验过程中要保证骨试样湿润,采取先进行加载速度为 0.3 mm/min,加载力为0～ 30 N,循环次数为 3次的预加载试验;再进行单次破坏加载,加载速度为 0.3 mm/min.实验结束后计算机自动输出试验结果.股骨干皮质骨三点弯曲试验结果见表3.表3 股骨皮质骨三点弯曲试验结果Tab.3 Three point bending experiment results of femoral cortical bone图5 弯曲试验载荷-位移曲线Fig.5 Load-displacement curve of bending test 骨试样破坏后,计算机输出时间、载荷-位移曲线等试验数据(图5),计算分析得出股骨三点弯曲样件的平均密度为1.90±0.04 g/cm3,可承受的最大载荷为0.58± 0.03 k N,强度极限为141.53±7.46 MPa.弯曲弹性模量为6.86±0.53 GPa,表面硬度为2 137.6±159.8 N/mm.进一步比较骨样件密度与弯曲弹性模量之间的关系,以弹性模量为纵坐标,骨密度为横坐标作散点图进行一次线性拟合,结果见图6.不同试验组的比较分析见图7.由图6知,随着骨密度的增加,骨的弹性模量随之变大,并存在一定的比例关系.图6 三点弯曲模量与密度的线性拟合Fig.6 Linear fitting of modulus and d ensity of three point bending test图7 不同实验组的比较分析Fig.7 Comparative analysis of different experimental groups3 讨论根据尸骨材料本身设计制备满足试验要求的标准骨试样是非常重要的.本文既参考了文献又基于材料的实际情况确定了取样位置及试样尺寸,摸索出了一套加工制备骨试样的方法,制备出了符合标准几何外形的试样,并成功地完成了全部试验,获得了较好的试验数据,表明该方法具有一定的合理性,为后续的研究工作提供了基础.每种力学试验总共测试 20个试样,按照 A,B,C,D 4个区段划分为 4组,每组包含 5个试样.由表1～表3可知,试样在组内、组间以及不同试验的范围下,其密度和横截面积都表现出了极高的相似性,波动范围很小,表明试样的原材料与加工制备都具有很高的统一性.在本实验中,拉伸弹性模量为0.360 1 GPa,压缩弹性模量为 3.499 1 GPa,三点弯曲的弹性模量为 6.860 9 GPa.压缩实验结果和文献 [3]结果相符,但略低于皮质骨的平均杨氏模量(约20 GPa).从试验数据可知,股骨干皮质骨抗压强度大于抗拉强度,抗弯强度与抗压强度近似.压缩弹性模量大于拉伸弹性模量,弯曲弹性模量大于压缩弹性模量(图7).比较骨样件密度与弯曲弹性模量之间的关系可知,随着骨密度的增加,骨的弹性模量随之变大,并存在一定的比例关系.影响皮质骨力学性质的因素很多,在尽量减少外源性影响的前提下,能够对同一试样获得尽可能多的力学性能信息是十分有意义并且是必要的.国内外的研究者们采取的方法各不相同,因此制定一个骨材料试验的国际标准是十分必要的,本文的工作希望为标准的制定能提供一些参考.参考文献:[1]Keaveny T M,Borchers R E. Trabecular bone modulus and strength can depend on specimen geometry[J].JBiomech,1993,26(8):991-1000.[2]Helgason B,Perilli E,Schileo E,et al.Mathematical relationships between bone density and mechanical properties: a literature review[J]. Clin Biomech(Bristol,Avon),2008,23(2):135-146.[3]徐秀林,薛文东,戴克戎.正常人皮质骨压缩力学性能实验研究[J].医用生物力学,1996,11(1):26-29.Xu Xiulin,Xue Wendong,Dai Kerong.The study on the mechanical property of the normal young male human cortical bone [J]. Journal of Medical Biomechanics,1996,11(1):26-29.(in Chinese)[4]Harrigan T P, Jasty M,Mann R W,et al.Limitations of the continuum assumption in cancellous bone[J].JBiomech,1988:269-275.[5]赵宝林.国人股骨下端松质骨力学性质实验研究[J].北京生物医学工程,2004(2):143-146.Zhao Baolin.Experimental study on biomechanical nature of the cancellous bones os femoris′lower part of chi nese[J].Beijing Biomedical Engineering,2004(2):143-146.(in Chinese)[6]Garrison J G,Slaboch C L.Density and architecture have greater effects on the toughness of trabecular bone than damage[J].Bone,2009,44(5):924-9.[7]张伟.同种异体皮质骨板重建压力侧骨皮质缺损的实验研究[J].海南医学,2012,23(1):22-25.Zhang Wei. Allogeneic cortical bone plate in the reconstruction of bone cortical defect of pressure side[J].Hainan Medical Journal,2012,23(1): 22-25.(in Chinese)[8]安兵兵,李凯,张东升.皮质骨断裂力学行为的实验研究 [J].力学学报,2010,42(6):1164-1171.An Bingbing, Li Kai, Zhang Dongsheng. An experimental approach on fracture behavior of cortical bones[J].Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2010,42(6):1164-1171.(in Chinese)[9]王学成.正常与老年股骨头松质骨弯曲与冲击实验研究[J].中国老年学杂志,2009,29(2):366-367.Wang Xuecheng.Normal and senile femoral head cancellous bone bending and impact experiment[J].Chinese Journal ofGerontology,2009,29(2):366-367.(in Chinese)[10]赵宝林.正常与老年股骨头坏死松质骨拉伸与压缩实验研究[J].中国老年学杂志,2008,29(8):767.Zhao Baolin. Normal and senile femoral head cancellous bone tensile and compression experiment[J].Chinese Journal of Gerontology,2008,29(8):767.(in Chinese)[11]吴子祥.松质骨骨小梁的微观构筑对骨质力学强度影响的实验研究[J].医用生物力学,2008(1):67.Wu Zixiang. Effect of altering microstruture of trabecular bone on bone strength[J].Journal of Medical Biomechanics,2008(1):67.(in Chinese)[12]郭玉明.国人胫骨力学性质的实验研究[J].中国生物医学工程学报,1999,4(18):250-255.Gou Yuming.Experimental and analytic studies on mechanical properties of coutrymem cancellous bone[J].Chinese Journal of Biomedical Engineering,1999,4(18):250-255.(in Chinese)[13]Schwab JM,Chiang N,Arita M,et al.Resolvin E1 and protectin D 1 activate inflammation-resolution programmes[J].Nature,2009,447(13):869-874.[14]Linde F.The effect of different storage methods on the mechanical properties of trabecular bone[J].J.Biomech,1993,10:1249-1252.[15]Snyder S M,Schneider E.Estimation of mechanical properties of cortical bone by computed tomography[J].JOrthop.Res.,1991,9:422-431.[16]Lotz J C.Mechanical properties of trabecular bone from the proximal femur:a quantitative CT study[J].JComput Assist Tomogr,1990,14(1):108.。

医学生物力学概念

国内的骨生物力学研究首创于上海九院的戴克戎教授,他所领衔的骨生物力学实验室在此方面做了许多卓有成效的工作。

此处所述的几个骨生物力学概念也均摘自戴教授的相关著作，这些概念也是作为骨科医生所必须掌握的概念，特别是对于我们年轻的骨科医生和研究生，对于上述概念有清楚的认识对于理解骨科治疗的的一些理念和原则是具有决定性的帮助意义的。

应力与应变应力（Stress）是指每一个单位面积的负荷和力,发生于一个平面的表面上，是对于外来施加负荷于一个结构上的反应。

力和力矩可在不同方向施加于结构上，产生拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切以及复合性应力等，临床上绝大部分骨折的发生是复合性应力引致的。

应变（Strain）是指结构内的形变以适应外加的负荷。

包括两种类型，其一为线形应变，即引起标本长度的变化；其二为剪切应变，即在结构内引起成角关系的变化弹性模量Elasticity modulus弹性模量是反映材料的力学性质的最基本的材料常数之一，其数值为应力与应变的比值，弹性模量数值越大，材料的刚度越高。

粘弹性viscoelasticity粘弹性材料兼有弹性材料与粘性材料的力学性质，具有以下特点：⑴应力松弛⑵蠕变⑶滞后现象。

人体内骨与软骨组织、皮肤、血管壁等均是粘弹性材料。

应力遮挡Stress Shielding当两个或两个以上具有不同弹性模量的成分组成一个机械系统时，将会发生载荷、应力和应变重分配现象，具有较高弹性模量的成分承担较多的载荷，较低者少承担或不承担载荷，应变也相应减少，这称为“应力遮挡”效应。

蠕变与应力松弛Creep & Stress Relaxing若应力保持不变，物体的应变随时间的延长而增大，这种现象称为蠕变；当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降，这种现象称为应力松弛。

骨强度bone intensity骨强度是指骨组织受负荷后对抗结构破坏的能力。

主要与以下四方面有关⑴骨的材料特性⑵骨量⑶骨组织的分布⑷骨的几何形态骨刚度骨刚度可定义为骨组织受负荷后对抗变形的能力。

物体的弹性骨的力学性质

拉伸
律，所以可以认骨骼具有弹性。
但是拉伸和压缩时杨氏弹性模
O
ε 量不同。此外，与一般金属材
料不同的是骨骼在不同的方向上会表现出不同的力学特性，这种性质称为各向异性。
2、剪切在与骨骼横截面平行的方向施加载荷，这种
载荷就是剪切，这时骨的横截面上的应力就是切应力。人的骨骼所能承受的剪切载荷比拉伸和压缩载荷低得多。
第三节形变势能
在弹性限度内，物体在外力的作用下
发生了弹性形变。在这一过程中，外力对
弹性物体做了功，外力所做的功以弹性势能的形
式储存在弹性物体中，也就是说外力所做的功转变为弹性物体的形变势能。
我们来讨论一长为l0、横截面积为S的均匀直棒在产生拉伸形变时的形变势能。
设施加在棒上的拉力为F，棒被拉伸到 l〔拉伸形变时横截面S的变化很小，可将其忽略〕，那么棒的绝对伸长为 l－l0.。根据胡克定律，有
其上端加上一质量为 10kg 的重物，那么其长度缩小
了0.0065%。求骨样品的杨氏模量。
解：
l 6.5105
l0
压应力为
F Sm Sg11..50190. 84
6.53 10 5Nm 2
根据胡克定律 F Y l ，即σ＝Yε，则有杨氏模量为
S
l0
Y 6.53105 6.5105
1.01010Nm 2
2 l0
势能密度，用ωP表示，即
P
1 Y ( l )2 2 l0
同理，可以求出在切变或体变情况下的形变势能
密度，分别用ωG 和ωB表示，那么可得
P
1G(x)2 2 l0
1G2
2
P
1 2
V B(
V0
)2

骨的力学性质实验：弯曲与压缩

三点弯曲实验示意图
压缩实验的骨试样较小，例如，长方体试样长为5mm，横截面为1mm x1.3mm。

若是新鲜或湿骨试样置于生理盐水中，进行拉伸或压缩实验。

压缩力在骨内产生压应力和压应变，骨受压缩后缩短，压应变为负值。

松质骨的拉压性能远差于密质骨。

骨的拉伸、压缩力学性质受到性别、年龄、取材、部位和方向、骨的状态（干或湿骨）、加载速度等因素的影响，在某一范围变化，且骨的抗拉强度低于抗压强度。

骨的拉伸和压缩力学性质随着年龄和性别的不同而不同。

下图是男女股骨和肱骨强度极限随年龄的变化图：
从图中可以看出，除女性15~19岁年龄组外，不同性别的骨骼的平均作用强度极限随年龄增大显著减小（10%），极限应变显著减小（35%）。

最大力矩形试样抗弯强度σbb 矩形试样弯曲弹性模量Eb 矩形试样弯曲弹性模量Eb 单位 N
MPa
MPa MPa 试样1 439.526 32.582 1431.2173 1431.2173 平均值
439.526 32.582
1431.2173 1431.2173 标准偏差(n) 0.000
0.000
0.0000
0.0000
骨头压缩实验数据：试样高度h:13.04mm ，样品直径d ：11.5mm
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0510152025
303540应力/δ
应变/ε
骨头应力—应变曲线图。

骨力学

骨力学是生物力学的重要分支，它研究骨和骨骼体系的力学问题。

骨骼在生物体内占有非常重要的地位。

以人体为例，骨骼是人体赖以生存和运动的支柱，没有合理的骨骼结构，人体不可能完成如此精巧的运动。

骨结构是人体内最坚硬的部分，力学性质与一般工程材料很接近，骨路系统的功能是支持、运动和保护，使得肌肉和身体得以方便的活动，是人体的重要组成部分。

骨是一种动态的、有生命的、在发育中生长的组织，它的结构形成受很多因素的影响，包括遗传倾向、营养情况、疾病、生物化学等因素。

除此之外，骨的力学功能适应性是骨的—个十分重要的性质，在骨的结构与承受载荷问题上，骨有最优化的形状和结构；骨可自身修复，可以随着它受到的应力和应变情况来改变其性质和外形，进行外表再造和内部再造留等。

骨的组织结构十分复杂．对这种生物材料力学问题的研究，无疑是具有理论意义的。

因为它不仅使我们能认识骨的力学特性，而且由此将对力学学科的发展及新材料的研究等产生影响。

骨和骨骼是有生命的，所以对这种具有特殊组织结构生命体的研究，实际上是开拓了一个崭新的学科领域。

人们希望知道外界作用(包括力、电、磁、热等的作用)对活的骨细胞、骨单位等的力学效应，从而进一岁揭示生命的奥秘。

如上所述，骨力学研究骨组织和骨骼结构在外界作用下的力学特性，研究骨在受力后的瞬时效应和远期效应，研究骨的生长和吸收等规律。

因此，骨力学对骨科疾患、骨伤治疗、代用材料及康复学等有着重要的临床应用。

目前在这些方向德应用研究很活跃，其中不少是很有成效的。

骨力学的研完对象是作为生物体支架的骨及骨路系统，目前主要是人体各类骨及骨骼。

研究骨力学问题，目的仍然必须依照连续体力学的传统理论和方法。

就是说，在充分了解骨组织结构的基础上，将骨抽象为一种模型化了的工程材料。

在某些情况下可以把它粗糙地看做理想弹性体，有时则看做粘弹性体或其他力学模型。

它可以是各向同性的、横观各向同性的、正交各向异性的、两相或多相复杂形式的复合计料。

生物材料力学性能的仿真和测试

生物材料力学性能的仿真和测试随着科学技术的发展，人们对于生物材料的研究越来越深入。

在生物材料的研究中，力学性能的仿真和测试是极其重要的。

通过力学性能的仿真和测试，可以更加深入地了解生物材料的内部结构以及其力学特性，对于人类生命科学的研究也具有积极的推动作用。

生物材料是近年来得到广泛研究的一个领域。

生物材料主要指的是类似于骨骼、牙齿、软组织、角质等人体内部组织所具有的结构及性质。

生物材料不同于传统的材料，它更为复杂，其形态和结构都十分复杂。

因此，对于生物材料的研究需要运用到一些特殊的方法和技术。

生物材料的力学性能是指材料所具有的抗力、韧性、刚度等特性。

通过力学性能的仿真和测试，可以更加深入地了解生物材料的内部结构以及其力学特性，对于人类生命科学的研究也具有积极的推动作用。

生物材料力学性能的仿真是应用计算机技术对材料力学性能进行计算模拟的过程。

其基本思想是将生物材料分割成许多小遗传单元，建立数值模型，应用数值分析方法，计算材料力学性能。

生物材料力学性能的仿真方法包括有限元法、分子动力学模拟法、网格独立法、多尺度方法等。

有限元法是一种基于连续介质模型的力学仿真方法，通过一定数量的节点和单元来模拟物体的应力、应变、形变等特性。

分子动力学模拟法则是通过分子间相互作用力的计算来建立模型，是我们研究小尺度生物材料特性的一种重要方法。

网格独立法不需要对介质建模，它利用统计学原理对立体化材料的力学性能进行模拟。

多尺度方法融合了有限元法、分子动力学模拟法等不同的仿真方法，可以针对不同的材料进行有针对性的仿真研究。

生物材料力学性能的测试是利用试验方法对材料的抗拉、抗压、抗弯等力学性能进行实验测量，以得到材料的基础力学性质。

生物材料力学性能的测试方法包括拉伸实验、压缩实验、弯曲实验、硬度实验、冲击实验等。

拉伸实验将样品拉伸至断裂，测量其断裂强度和断后延伸量；压缩实验将样品压缩至破裂，测量其塑性变形能力；弯曲实验针对具有曲面形态的生物材料，可以测量其质心几何性质、弹性模量、抗弯强度和应变等；硬度实验利用压头对样品施加压力，测量压头的穿透深度和类型材料的硬度；冲击实验可以测试样品在冲击载荷作用下的断裂性能。

第三章《骨肌肉力学特性及人体基本活动形式》

13
二、在体肌收缩生物力学
▪ （一）肌肉的激活状态：肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变化。
▪ 肌肉进入激活状态后，收缩元兴奋产生张力，起初被串联弹性元的形变所缓冲。当串联弹性元的形变和张力进一步发展，整块肌肉的张力达到一定程度后，收缩元主动张力才能直接对肌肉起止点施力，表现出肌肉收缩力。
2
载荷——变形曲线显示出确定结构强度的三个参数：
①结构在破坏前所能承受载荷; ②结构在破坏时发生的变形； ③结构在破坏前所储存的能量
由载荷与形变所表达的强度，用极限断裂点来表示。由能量贮存所表达的强度，则一整个曲线下方的面积大小来表示。此外结构的刚度，则用弹性范围的曲线斜率来表示。
载荷——变形曲线可以用于测定大小不同、形状和性质不同物体的强度和刚度。（但必须是试件和试验条件标准化。）
▪ （2）多个模型并联而成的肌肉：各个模型受外力之和等于肌肉外力，而肌肉的变形与模型变形相等。因此，肌肉生理横断面的增加，导致收缩力的增加，但不影响其收缩速度。
12
▪ （二）肌肉结构力学模型的性质 ▪ 1、肌肉张力 —— 长度特性 ▪ A→肌肉被动张力为零时,肌肉所
能达到的最大长度称为肌肉的平衡长度。 ▪ B→收缩元的张力随长度变化,表现最大张力时的长度称肌肉的静息长度,约为平衡长度的125％。 ▪ 2、Hill方程（肌肉收缩力—速度曲线） ▪ V＝b（T0－T）/（T+a）； ▪ T＝a（V0－V）/（V+b）
弹性。
当收缩元兴奋后，使肌肉具有弹性。
▪ 总张力＝主动张力＋被动张力
11
▪ 2、模型的串联构成肌肉的长度；
并联构成肌肉的厚度。
▪ （1）多个模型串联而成的肌肉：每个模型受外力

骨骼的力学性质

• 拉伸与压缩的极限应力分别为：
134MN m2 170MN m2
医学物理学
Байду номын сангаас
• 3.弯曲：骨骼受到载荷作用时，将发生弯曲效应。
中性线凹侧面(载荷侧)骨骼受压缩作用;在凸侧受拉伸作用。距离↑→应力↑。
医学物理学
• 4.扭转(torsion)：
扭转实际是剪切的表现，越靠近中心轴的层，切应变越小，越外层的切应变越大，弧越长。从抗扭转性能来看，由于靠近中心轴的各层作用不大，因此常用空心管来代替实心柱，既可以节省材料，又可以减轻重量，同抗弯曲情况相似。
二、骨骼不同方向的拉伸曲线
• 与一般金属材料不同，骨骼在不同方向载荷作用下有不同的力学性能(各向异性)。
• 图为人股骨标准试样在不同方向拉伸时的刚度和强度变化曲线。
医学物理学
骨骼的形变、破坏与其受力方式有关。根据外力和外力矩的方向将骨骼受力分为拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切和复合载荷六种。
医学物理学
• 在一定的弹性范围内，圆杆或圆管的扭转角度是和所加的力矩成正比的。
• 扭转的角度超过某一数值时，物体就会断裂。
医学物理学
医学物理学
1.骨组织在拉伸载荷作用下的断裂机制主要是骨单位间结合线的分离和骨单位的脱离。
临床上：拉伸骨折多见于松质骨。
医学物理学
2.骨骼最常承受的载荷是压缩载荷。压缩载荷能够刺激骨的生长，促进骨折愈合，较大压缩载荷作用能够使骨缩短和变粗。
骨组织在压缩载荷作用下的破坏表现，主要是骨单位的斜行劈裂。人湿骨破坏的极限应力大于拉伸极限应力。
第三节骨的力学特性
一、骨骼的力学性质：骨骼与肌肉力学是生物力学中的主要研究内容，

工程力学中的弯曲应力和弯曲变形问题的探究与解决方案

工程力学中的弯曲应力和弯曲变形问题的探究与解决方案引言：工程力学是研究物体受力和变形规律的学科，其中弯曲应力和弯曲变形问题是工程力学中的重要内容。

本文将探讨弯曲应力和弯曲变形问题的原因、计算方法以及解决方案，旨在帮助读者更好地理解和应对这一问题。

一、弯曲应力的原因在工程实践中，当梁、梁柱等结构承受外力作用时，由于结构的几何形状和材料的力学性质不同，会导致结构发生弯曲变形。

弯曲应力的产生主要有以下几个原因：1. 外力作用：外力作用是导致结构弯曲的主要原因之一。

例如，悬臂梁受到集中力的作用，会导致梁的一侧拉伸，另一侧压缩，从而产生弯曲应力。

2. 结构几何形状：结构的几何形状对弯曲应力有直接影响。

例如，梁的截面形状不均匀或不对称，会导致弯曲应力的分布不均匀，从而引起结构的弯曲变形。

3. 材料力学性质：材料的力学性质也是导致弯曲应力的重要因素。

不同材料的弹性模量、屈服强度等参数不同，会导致结构在受力时产生不同的弯曲应力。

二、弯曲应力的计算方法为了准确计算弯曲应力，工程力学中提出了一系列的计算方法。

其中最常用的方法是梁的弯曲方程和梁的截面应力分析。

1. 梁的弯曲方程：梁的弯曲方程是描述梁在弯曲过程中受力和变形的重要方程。

根据梁的几何形状和受力情况，可以得到梁的弯曲方程，并通过求解该方程，计算出梁在不同位置的弯曲应力。

2. 梁的截面应力分析：梁的截面应力分析是通过分析梁截面上的应力分布情况，计算出梁在不同位置的弯曲应力。

该方法根据梁的几何形状和材料的力学性质，采用静力学平衡和弹性力学理论，计算出梁截面上的应力分布，并进一步得到梁的弯曲应力。

三、弯曲变形问题的解决方案针对弯曲变形问题，工程力学提出了一系列的解决方案，包括结构改进、材料选择和加固措施等。

1. 结构改进：对于存在弯曲变形问题的结构，可以通过改进结构的几何形状，增加结构的刚度，从而减小结构的弯曲变形。

例如，在梁的设计中，可以增加梁的截面尺寸或改变梁的截面形状，以增加梁的抗弯刚度。

骨的力学性质

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。
力学性质：
极限强度：抗张强度抗压强度弯曲强度刚度：
弹性模量：
韧性：应力－应变曲线：
在此拉伸
在此施加压力
人体股骨的应力分布
应力与应变曲线
100 80
骨密质
骨松质
STRESS
60 40 20 0 S T R A I N
Greater Area: Absorbs more Energy
骨骼及其力学性质（极限压缩强度和压缩率）
骨组织再生能力强，可完全愈合。
长骨单纯性骨折愈合分三期：血肿的形成与急性炎症期修复期重建期
•
• • • •
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。
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。

维甲酸致骨质疏松大鼠椎骨压缩、弯曲、扭转、冲击实验研究

Ａｓｒｃ：ｏｓｄｅｍｅｈｎｃｌｐｏｅｔｆｈｔａｏｏｍｌｒｕｎｓｅｐｍｔｉｔｒｓｌｄｂｉｍｉｃｄｓｐｌｉｇｂｔａｔＴｔｙｔｃａｉａｒｐｒｏｉｒｔｆｎｒａｏｐａｄｏｔｏｏｉｗｈｔｒｓｅｕｔｙｖａｎａａｉ，ｕｐｙｎｕｈｙｗｅｇｃｅａｅｔｂｏｉｃｅａｆｃｈｎｃａａｔｒｔｌｉ．８ｗｓａｌｈｔｔｗｔ８ｉｖｏｌｓｃｍｅａｉａｐｒｍｅｅｃｎｃ８ｉｒｍａｅｗｉｒｓｉ２０—３０．ｇｔｉｔｒｗｒｈｏｅｎｉｄｄｒｎｏｙｓｉｌｏｉｔｅａｈ２ｇ８ｍｉｈａ８ｅｃｏｓｎａｄｄｖｅａｄｍｌｍｅｉ
宋洪唐广志，顺 △ 杨晓年，马洪，玉
（．１长春市人民医院，长春１０５；．３０１２吉林大学中日联谊医院，长春１０３；３０１３吉林大学南岭校区工程力学系，．长春１０２）３０２
摘要：究正常大鼠与维甲酸致骨质疏松大参数。选用２０研为８～
转、曲、弯冲击实验，大鼠椎骨进行压缩实验。得出了正常对照组和模型组大鼠椎骨压缩最大载荷、取
最大应力、最大位移、最大应变及弹性模量，出了正常对照组和模型组大鼠Ｌ — 椎骨三点弯曲最大载得ｌｋ
荷、大弯矩、最最大应力、弹性模量等数据，出了正常对照组和模型组大鼠Ｌ —ｋ椎骨扭转最大扭矩、转得ｌ扭角、转剪应力、击实验最大冲击功、击韧性指标。模型组各项力学性能指标小于正常对照组（扭冲冲Ｐ＜

智慧树知到《运动生物力学》章节测试答案

智慧树知到《运动生物力学》章节测试答案第一章1、运动生物力学研究人体运动器械的生物力学特性、人体运动动作的力学规律以及运动器械机械力学规律的科学。

对错答案: 对2、（）是根据人体的解剖、生理特点和力学性质，用力学原理和方法探讨人体机械运动的规律，研究合理的运动动作技术，分析各种疾病造成的运动功能障碍，分析运动损伤的原因、机理，为制订合理的治疗及康复方案提供依据，是研究人体在运动损伤和疾病预防、治疗、康复过程中运动规律的科学。

A． B. 医用生物力学 C. 康复生物力学 D.康复生物力学一般生物力学医用生物力学康复生物力学运动生物力学答案: 康复生物力学3、轮椅、支具等辅助技术的力学规律研究包括运动装备的研究，包括运动鞋、护具、紧身衣等轮椅的动力、与使用者的交互拐杖的材料、作用力大小上、下义肢的生物力学规律研究答案: 运动装备的研究，包括运动鞋、护具、紧身衣等,轮椅的动力、与使用者的交互,拐杖的材料、作用力大小,上、下义肢的生物力学规律研究4、运动生物力学的实验方法可以测量的（）参数。

人体惯量参数人体力学参数人体运动学参数人体生物力学参数答案: 人体惯量参数,人体力学参数,人体运动学参数,人体生物力学参数5、运动学（Kinesiology）是理论力学的一个分支学科，运用几何学的方法来研究物体的运动，主要研究质点和刚体的运动规律。

对错答案: 对6、运动学通过位置、速度、加速度等物理量描述和研究人体和器械的位置随时间变化的规律或在运动过程中所经过的轨迹，并考虑人体和器械运动状态改变的原因。

对错答案: 错7、运动员绕正常400m一圈田径场跑完一圈所需要的时间是50s，求运动员的平均速度是8m/s。

对错答案: 错8、人体整体或环节围绕某个轴转动时转过的角度叫（）角位移角速度角度位移答案: 角位移9、运动学特征包括：（）。

时间特征空间特征时空特征频率特征答案: 时间特征,空间特征 ,时空特征10、动力学是解释人体运动状态发生改变的原因，对产生运动进行本质研究。

实验报告骨与骨骼肌

实验报告骨与骨骼肌实验报告：骨与骨骼肌引言：人体的骨骼系统是支撑和保护身体的重要组成部分，而骨骼肌则是使我们能够进行各种运动的关键。

本实验旨在探究骨骼和骨骼肌的结构与功能，并通过实验验证相关理论。

1. 骨的结构与功能：骨是由多种组织构成的，包括骨质、骨髓、骨膜等。

骨骼系统具有以下重要功能：- 支撑：骨骼系统为身体提供了支撑，使我们能够站立、行走和保持姿势稳定。

- 保护：骨骼系统保护了内脏器官，如头骨保护了大脑，胸骨保护了心脏和肺部。

- 运动：骨骼系统与肌肉协同工作，使我们能够进行各种运动活动。

- 储存矿物质：骨骼中储存有钙、磷等矿物质，对维持酸碱平衡和血液钙离子浓度起重要作用。

- 造血：骨髓是造血的重要场所，产生血细胞以维持机体正常功能。

2. 骨骼肌的结构与功能：骨骼肌是由肌肉纤维组成的，与骨骼相连，通过收缩产生力量，使骨骼运动。

骨骼肌具有以下特点：- 可收缩性：骨骼肌能够通过肌纤维的收缩产生力量，使骨骼运动。

- 弹性：骨骼肌具有一定的弹性，能够恢复原来的形状和长度。

- 疲劳性：长时间的运动会导致骨骼肌疲劳，需要休息和恢复。

- 协同性：骨骼肌通过神经系统的控制，协同工作，使身体能够进行复杂的运动活动。

3. 实验设计与结果：为验证骨骼和骨骼肌的结构与功能，我们进行了一系列实验。

实验一：骨骼的力学性质我们选取了骨骼的典型代表——牛骨，进行了弯曲实验。

通过施加不同的力量，测量骨骼的弯曲程度和断裂点。

实验结果显示，骨骼具有一定的强度和韧性，能够承受一定的力量而不断裂。

实验二：骨骼肌的收缩力量我们选取了人体的大腿肌肉，通过电刺激肌肉纤维，测量肌肉的收缩力量。

实验结果显示，肌肉的收缩力量与电刺激的强度和频率有关，高强度和频率的刺激能够产生更大的收缩力量。

实验三：骨骼和骨骼肌的协同工作我们进行了一项协同运动实验，通过观察人体的手指运动，了解骨骼和骨骼肌的协同工作。

实验结果显示，手指的运动需要骨骼提供支撑和稳定，而骨骼肌则通过收缩产生力量和控制运动。

骨的生物力学实训报告

一、引言骨骼是人体重要的组成部分，不仅支撑着身体结构，还参与运动、保护内脏器官等功能。

骨的生物力学研究对于理解骨骼的力学特性、预防骨折、指导临床治疗具有重要意义。

本次实训旨在通过实验和理论分析，深入了解骨骼的生物力学特性。

二、实训目的1. 理解骨骼的生物力学基本原理。

2. 掌握骨骼力学实验的基本方法。

3. 分析骨骼在不同力学条件下的力学响应。

三、实训内容1. 骨骼力学性质实验（1）实验材料：成人股骨样本、加载设备、应变片、数据采集系统。

（2）实验方法：将股骨样本固定在加载设备上，通过应变片测量骨样本在拉伸、压缩和弯曲条件下的应变值。

同时，记录加载力与应变值的关系。

（3）实验结果：股骨样本在拉伸、压缩和弯曲条件下均表现出良好的力学性能。

在拉伸和压缩条件下，股骨样本的弹性模量分别为13.2 GPa和10.8 GPa，屈服强度分别为1.2 MPa和0.8 MPa。

在弯曲条件下，弹性模量为12.5 GPa，屈服强度为1.1 MPa。

2. 骨骼力学性能分析（1）分析骨骼在不同力学条件下的应力分布。

（2）研究骨骼的损伤机制。

（3）探讨骨骼力学性能与年龄、性别等因素的关系。

3. 骨骼力学模型建立（1）建立骨骼的有限元模型。

（2）模拟不同力学条件下的骨骼力学行为。

（3）分析模型结果与实验数据的吻合程度。

四、实训结果与分析1. 骨骼在不同力学条件下的力学性能表现出一定的规律性。

在拉伸和压缩条件下，股骨样本的弹性模量和屈服强度较高；在弯曲条件下，弹性模量和屈服强度略低。

2. 骨骼的应力分布受加载方式、加载位置等因素的影响。

在拉伸条件下，应力主要集中在骨样本的近端；在压缩条件下，应力主要集中在骨样本的远端；在弯曲条件下，应力分布较为均匀。

3. 骨骼的损伤机制主要包括骨小梁断裂、骨皮质变形和骨膜损伤。

在加载过程中，骨小梁的断裂和骨皮质的变形是导致骨折的主要原因。

4. 骨骼力学性能与年龄、性别等因素有关。

随着年龄的增长，骨骼的弹性模量和屈服强度逐渐降低；女性骨骼的弹性模量和屈服强度低于男性。

骨质疏松模型大鼠椎骨压缩、弯曲、扭转和抗冲击的力学性质

骨质疏松模型大鼠椎骨压缩、弯曲、扭转和抗冲击的力学性质赵宝林;于涛;陈鹏;马洪顺【期刊名称】《中国组织工程研究》【年(卷),期】2008(012)033【摘要】背景:课题设计基于前期工作已研究了去势致骨质疏松动物骨的拉伸、剪切、力学性能和粘弹性力学性质的条件下进行.目的:进一步观察正常大鼠和去势后骨质疏松大鼠椎骨的压缩、弯曲、扭转和冲击力学性质.设计、时间及地点:随机对照动物实验,于2006-01/2007-01在吉林大学力学实验中心完成.材料:选用280～320 g.四五月龄Wistar雌性大鼠86只.随机分为正常对照组43只,模型组43只.方法:模型组大鼠摘除卵巢后14周,正常对照组一般饲养14周,同时以腹主动脉放血法处死取L1～L4椎骨进行弯曲、扭转和冲击实验,对L4椎骨进行压缩实验.主要观察指标:两组大鼠椎骨压缩最大应力、最大应变、弹性模量,椎骨弯曲最大载荷、最大弯矩、最大应力、弹性模量,最大扭矩、最大扭转角、最大扭转剪应力,最大冲击功.结果:模型组压缩应力、应变、弹性模量低于正常对照组(P<0.05).模型组弯曲弹性模量、弯矩、弯曲应力低于正常对照组(P<0.05).模型组扭矩、扭转角、扭转剪应力低于正常对照组(P<0.05).模型组冲击功、冲击韧性低于正常对照组(P<0.05).结论:去势法制作的骨质疏松模型弯曲、扭转、压缩和冲击力学性能均降低说明骨质疏松后骨纤维结构的强度和韧性降低.【总页数】4页(P6466-6469)【作者】赵宝林;于涛;陈鹏;马洪顺【作者单位】吉林大学中日联谊医院,吉林省长春市,130031;吉林大学中日联谊医院,吉林省长春市,130031;吉林大学中日联谊医院,吉林省长春市,130031;吉林大学南岭校区工程力学系,吉林省长春市,130022【正文语种】中文【中图分类】R318.01【相关文献】1.骨质疏松动物模型骨的拉伸、压缩、扭转实验研究 [J], 罗民;孟广伟;马洪顺2.维甲酸致骨质疏松大鼠椎骨压缩、弯曲、扭转、冲击实验研究 [J], 宋洪年;唐广志;马洪顺;杨晓玉3.雌激素干预对老年骨质疏松动物模型骨拉伸、压缩、扭转的影响 [J], 赵宝林;陈鹏;马洪顺4.模拟老年雄性骨质疏松大鼠椎骨力学性质的实验研究 [J], 高明;马成云;马洪顺5.模拟男性老年骨质疏松大鼠模型骨扭转与压缩实验研究 [J], 王溪原;马洪顺;冯晰民;湛川因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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