(骨生物力学课件)关节软骨的生物力学
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骨生物力学-韩
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。
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。
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。
屈服 ： 提示骨小梁断裂开始，且持续时间 较 长。骨小梁断裂逐渐增多。
骨皮质和骨松质标本负荷应变水平在0.036 和0.5时有能量吸收现象，骨松质能量吸收 超过骨皮质。
4.关节软骨的生物力学
关节软骨功能：1.减少接触应力 2. 软骨承受负荷时，发生瞬间变形 蠕动期（负荷恒定，压痕增加） 去除负荷，恢复原形。 关节软骨承受负荷2分钟内发生变形，去除
松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）
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）
应变率
表示骨受力过程中变形迅速的程度
（单位/S）
常见于长途行军，从事长距离行走及长跑 者
最常见于双足第二趾骨远端
疲劳：
材料在周期性和间歇负荷下发生的进行性 损伤(显微镜下损伤)，在周期性负荷条件下， 材料负荷水平低于能引起的材料损伤的单 次负荷时，就会发生损伤。
材料的疲劳极限（Fatigue limit）
任何材料具有一应力水平，低于该水平疲 劳寿命是无限的，该应力水平称疲劳极限。
2.骨的材料特性。
1.应力和应变
应力：骨骼某点内力的强度，单位面积所
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。
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。
屈服 ： 提示骨小梁断裂开始，且持续时间 较 长。骨小梁断裂逐渐增多。
骨皮质和骨松质标本负荷应变水平在0.036 和0.5时有能量吸收现象，骨松质能量吸收 超过骨皮质。
4.关节软骨的生物力学
关节软骨功能：1.减少接触应力 2. 软骨承受负荷时，发生瞬间变形 蠕动期（负荷恒定，压痕增加） 去除负荷，恢复原形。 关节软骨承受负荷2分钟内发生变形，去除
松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）
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）
应变率
表示骨受力过程中变形迅速的程度
（单位/S）
常见于长途行军，从事长距离行走及长跑 者
最常见于双足第二趾骨远端
疲劳：
材料在周期性和间歇负荷下发生的进行性 损伤(显微镜下损伤)，在周期性负荷条件下， 材料负荷水平低于能引起的材料损伤的单 次负荷时，就会发生损伤。
材料的疲劳极限（Fatigue limit）
任何材料具有一应力水平，低于该水平疲 劳寿命是无限的，该应力水平称疲劳极限。
2.骨的材料特性。
1.应力和应变
应力：骨骼某点内力的强度，单位面积所
第四章关节的生物力学讲课文档
第二十八页，共120页。
第二节 人体关节的生物力学
第二十九页，共120页。
2.1 肩关节受力分析
肩关节由肩胛骨的关节盂和肱骨头构成，是典 型的球窝关节。肩关节松弛，关节腔宽大，韧带 少且弱，是不太稳定的关节，常发生脱位。
第三十页，共120页。
2.1 肩关节受力分析
⑴肩关节结构的稳定性及运动幅度
15=30N。
前臂屈曲在其他角
度时，计算过程相对复
Fm
T
dM
杂。
第五十一页，共120页。
dG G
2.2 肘关节受力分析
Fm
⑵肘关节受力分析
患者使用手杖时，前臂屈曲30°
角，手杖反力为Fc=150N，L1=3cm， L1
L2=36cm。计算此时肘关节肌肉力及 关节反力。
30°
L2
Fc
第五十二页，共120页。
第二十页，共120页。
1.2 关节的运动幅度和测量方法
⑴影响关节运动幅度的因素
两关节面弧度差：肱尺关节的
肱骨滑车弧度330°，尺骨半月切 迹弧度为190°，屈伸方向上的弧
度差为140°，肱尺关节运动幅度为
140°。两关节面弧度差越大，关节 运动幅度越大。
第二十一页，共120页。
1.2 关节的运动幅度和测量方法
第五页，共120页。
第四章 关节的生物力学
关节共同特性：
运动灵活性强：三维方向的屈曲和旋转，多种运动 同时发生；
关节囊摩擦系数很小，有较强的耐磨性； 有一定的强度、刚度，有一定的稳定性。
第六页，共120页。
第四章 关节的生物力学
维护关节稳定性三因素： 关节面构造形式，骨骼的协调和稳定；
韧带维持的静态稳定作用； 关节周围的肌肉起到的动态稳定作用。
第二节 人体关节的生物力学
第二十九页，共120页。
2.1 肩关节受力分析
肩关节由肩胛骨的关节盂和肱骨头构成，是典 型的球窝关节。肩关节松弛，关节腔宽大，韧带 少且弱，是不太稳定的关节，常发生脱位。
第三十页，共120页。
2.1 肩关节受力分析
⑴肩关节结构的稳定性及运动幅度
15=30N。
前臂屈曲在其他角
度时，计算过程相对复
Fm
T
dM
杂。
第五十一页，共120页。
dG G
2.2 肘关节受力分析
Fm
⑵肘关节受力分析
患者使用手杖时，前臂屈曲30°
角，手杖反力为Fc=150N，L1=3cm， L1
L2=36cm。计算此时肘关节肌肉力及 关节反力。
30°
L2
Fc
第五十二页，共120页。
第二十页，共120页。
1.2 关节的运动幅度和测量方法
⑴影响关节运动幅度的因素
两关节面弧度差：肱尺关节的
肱骨滑车弧度330°，尺骨半月切 迹弧度为190°，屈伸方向上的弧
度差为140°，肱尺关节运动幅度为
140°。两关节面弧度差越大，关节 运动幅度越大。
第二十一页，共120页。
1.2 关节的运动幅度和测量方法
第五页，共120页。
第四章 关节的生物力学
关节共同特性：
运动灵活性强：三维方向的屈曲和旋转，多种运动 同时发生；
关节囊摩擦系数很小，有较强的耐磨性； 有一定的强度、刚度，有一定的稳定性。
第六页，共120页。
第四章 关节的生物力学
维护关节稳定性三因素： 关节面构造形式，骨骼的协调和稳定；
韧带维持的静态稳定作用； 关节周围的肌肉起到的动态稳定作用。
骨的生物力学PPT课件
第15页/共65页
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：
由拉力、压力、旋转、弯曲和压力联合弯曲造成的骨折类 型。
第35页/共65页
五、骨折的生物力学
骨的完整性或连续性中断时称骨折。 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。
第36页/共65页
(一) 骨的受载形式与骨折类型的关系 常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关，
第16页/共65页
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。
第17页/共65页
（二）应变
概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变 形。
如骨试件在压缩时，和刚度也越大。 破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。
第26页/共65页
7.机械力对骨的影响 机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。 骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，
应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。
8.骨是人体理想的结构材料 骨具有强度大质量轻的特点。
第27页/共65页
力负荷很快减低，低于应变水平。 松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。
第29页/共65页
2.骨密质在受载时的生物力学特性 人类骨骼80%是皮质骨。 在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变
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：
由拉力、压力、旋转、弯曲和压力联合弯曲造成的骨折类 型。
第35页/共65页
五、骨折的生物力学
骨的完整性或连续性中断时称骨折。 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。
第36页/共65页
(一) 骨的受载形式与骨折类型的关系 常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关，
第16页/共65页
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。
第17页/共65页
（二）应变
概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变 形。
如骨试件在压缩时，和刚度也越大。 破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。
第26页/共65页
7.机械力对骨的影响 机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。 骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，
应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。
8.骨是人体理想的结构材料 骨具有强度大质量轻的特点。
第27页/共65页
力负荷很快减低，低于应变水平。 松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。
第29页/共65页
2.骨密质在受载时的生物力学特性 人类骨骼80%是皮质骨。 在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变
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。
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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%）
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。
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
关节软骨生物力学特征
关节软骨生物力学特征
关节软骨是一种具有复杂生物力学性能的特殊组织。
它对于连接骨骼的骨头提供了极为重要的支持和缓冲作用。
以下是关节软骨的生物力学特征：
1. 压缩：关节软骨通常承受高压缩载荷。
在运动中，关节表面的骨头对软骨的压力很高，使得软骨需要具有较高的强度和弹性。
2. 弹性：关节软骨具有弹性，能够适应骨骼的运动和变化。
在弯曲和扭转时，软骨能够发生形变，但会恢复原状。
3. 摩擦力：关节软骨的表面非常光滑，能够减少骨头之间的摩擦力。
这种表面摩擦力也使得关节可以平稳地移动。
4. 吸震：关节软骨在接受冲击时具有吸震的作用。
在运动时，骨头之间的碰撞会产生冲击波。
软骨能够吸收这种冲击力，减少骨骼和关节的损伤。
5. 滑动：关节软骨的表面结构能够使骨头在运动时滑动，而不是摩擦。
这种滑动使得关节运动更加平稳，并且可以减少关节的磨损。
总之，关节软骨的生物力学特征极为重要，能够对骨骼的运动和保护发挥极大的作用。
关节软骨的生物力学特性
关节软骨的疲劳特 性是指关节软骨在 重复载荷作用下的 力学行为
疲劳特性的研究对 于理解关节软骨的 损伤机制和预防损 伤具有重要意义
关节软骨的疲劳特 性受到多种因素的 影响，包括载荷类 型、载荷频率、载 荷持续时间等
关节软骨的疲劳特 性可以通过实验和 数值模拟的方法进 行研究
Prt Five
关节软骨生物力学 特性的影响因素
软骨替代 材料：使 用人工合 成或生物 材料替代 软骨，但 需要解决 生物相容 性和力学 性能问题
关节镜下 微创手术： 通过关节 镜进行软 骨修复和 重建，但 手术难度 较大
机器人辅 助手术： 利用机器 人技术进 行软骨修 复和重建， 可以提高 手术精度 和成功率
基于关节软骨生物力学特性的假体设计
年龄对关节软骨生物力学特性的影响
年龄增长导致关节软骨 退化
软骨细胞活性降低，导 致软骨弹性和韧性下降
软骨基质合成减少，导 致软骨硬度增加
软骨磨损加剧，导致软 骨厚度减少
年龄相关的疾病，如骨 质疏松症，也会影响关 节软骨的生物力学特性
性别对关节软骨生物力学特性的影响
性别差异：男性和女性在关节软骨生物力学特性上存在差异 激素水平：性别差异可能导致激素水平不同，从而影响关节软骨生物力学特性 运动模式：性别差异可能导致运动模式不同，从而影响关节软骨生物力学特性 生理结构：性别差异可能导致生理结构不同，从而影响关节软骨生物力学特性
关节软骨的生物力学特性：弹性、塑性、粘弹性等 康复治疗的目的：恢复关节功能，减轻疼痛，提高生活质量 康复治疗的方法：物理治疗、运动治疗、药物治疗等 康复治疗的效果：改善关节功能，减轻疼痛，提高生活质量
THNKS
汇报人：XX
假体设计的基本原则：模拟 关节软骨的生物力学特性
关节软骨生物力学
3．张力特性：软骨承受的张力负荷与关节软骨面相平行时，其硬度和强度与胶原纤维平行于张力方向排列的范围有密切关系，因为胶原纤维是抗张力的主要成分。随着关节表面距离的增加，正常成人关节软骨的拉伸强度均降低，这使胶原蛋白密集的软骨表浅层对软骨组织起到一种坚韧耐磨、保护皮肤的作用。
4．润滑作用：在工程学中有两种基本润滑类型，界面润滑和液膜润滑。在某些负荷条件下，关节内的滑液可作为关节软骨的界面润滑剂，而这种润滑能力与滑液的黏滞度无关。如果承力不重，且接触面的相对运动速度较高，关节可能采用第二种润滑机制——液膜润滑。
5．磨损：磨损分两个部分，即承载面之间相互作用引起的界面磨损和接受体变形引起的疲劳性磨损。如果两承载面接触，可因粘连或磨损而产生界面磨损。即使承载面润滑作用好，由于反复变形，承载面可发生疲劳性磨损。疲劳性磨损之所以发生，是由于材料反复受压而产生微小的损伤累积所致。
6．关节软骨变性生物力学：关节软骨的修复和再生能力有限，如果承受应力太大，很快会出现全面破坏。可能与下列因素有关：
(1)承受应力的量级。
(2)承受应力峰值的总数。
(3)胶原蛋白多糖基质的内部分子和细微结构。
应力的过度集中可导致软骨的衰竭，如先天性髋臼发育不良、关节内骨折、半月板切除后等都可增加总负，是人体各部位活动杠杆的支点。关节的作用有：①保证人体的运动。②力的传递。③润滑作用。而关节软骨有其独特的力学性能，一般说来，它是一种各向异性的、非均匀的、具有黏弹性的、充满液体的可渗透物质。
1．软骨的负荷变形：关节软骨在承受压力(负荷)时会发生变形，并随时间变化变形加快，1小时后达到平衡。当压力消除后，原有的软骨厚度很快恢复。
2．渗透性：组织间液在流经软骨基质时，其输送机制主要有两种。第一种是组织间液体借助于组织两边液体的正压力梯度经过多孔的可渗透基质输送，液体的输送与压力梯度成正比。第二种是靠软骨基质的变形来输送液体。Mow通过实验证明，在增加压力发生变形时，健康软骨的渗透性大大降低。这样，关节软骨就阻止了所有的组织间液流出，这个生物力学调节系统与正常组织的营养需要、关节的润滑和承载能力、软骨组织的磨损程度有密切关系。
4．润滑作用：在工程学中有两种基本润滑类型，界面润滑和液膜润滑。在某些负荷条件下，关节内的滑液可作为关节软骨的界面润滑剂，而这种润滑能力与滑液的黏滞度无关。如果承力不重，且接触面的相对运动速度较高，关节可能采用第二种润滑机制——液膜润滑。
5．磨损：磨损分两个部分，即承载面之间相互作用引起的界面磨损和接受体变形引起的疲劳性磨损。如果两承载面接触，可因粘连或磨损而产生界面磨损。即使承载面润滑作用好，由于反复变形，承载面可发生疲劳性磨损。疲劳性磨损之所以发生，是由于材料反复受压而产生微小的损伤累积所致。
6．关节软骨变性生物力学：关节软骨的修复和再生能力有限，如果承受应力太大，很快会出现全面破坏。可能与下列因素有关：
(1)承受应力的量级。
(2)承受应力峰值的总数。
(3)胶原蛋白多糖基质的内部分子和细微结构。
应力的过度集中可导致软骨的衰竭，如先天性髋臼发育不良、关节内骨折、半月板切除后等都可增加总负，是人体各部位活动杠杆的支点。关节的作用有：①保证人体的运动。②力的传递。③润滑作用。而关节软骨有其独特的力学性能，一般说来，它是一种各向异性的、非均匀的、具有黏弹性的、充满液体的可渗透物质。
1．软骨的负荷变形：关节软骨在承受压力(负荷)时会发生变形，并随时间变化变形加快，1小时后达到平衡。当压力消除后，原有的软骨厚度很快恢复。
2．渗透性：组织间液在流经软骨基质时，其输送机制主要有两种。第一种是组织间液体借助于组织两边液体的正压力梯度经过多孔的可渗透基质输送，液体的输送与压力梯度成正比。第二种是靠软骨基质的变形来输送液体。Mow通过实验证明，在增加压力发生变形时，健康软骨的渗透性大大降低。这样，关节软骨就阻止了所有的组织间液流出，这个生物力学调节系统与正常组织的营养需要、关节的润滑和承载能力、软骨组织的磨损程度有密切关系。
关节软骨的生物力学特性培训课件
透明软骨、纤维软骨和弹性软骨。
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
2
(一)、透明软骨(hyaline cartilage)
➢分布 • 关节、肋软骨、呼吸道等部位。
➢特点 • 新鲜时呈透明状，较脆，易折断。
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
3
透
胶原原纤维
明
软
骨
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
• 其中，仅滑膜关节亦称为动关节，允许较 大幅度的活动。在正常年轻关节内，动关 节的关节骨末端覆盖了一层厚1-6mm、致 密且透明的白色结缔组织，称为透明关节 软骨。
• 关节软骨是一种十分特殊的组织，在一般
人的寿命期内都可以无损地承担高负荷关
节运动。
关节软骨的生物力学特性
10
1/11/2021
• 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。
17
1/11/2021
软骨细胞和水分
1/11/2021
软骨细胞
关节软骨的生物力学特性
18
软骨各成分间结构上的相互作用
• 硫酸软骨素与硫酸角质素链上相距很近的硫 酸基和羧基团离子在生理PH溶液中被拉开， 留下了高浓度的固定负电荷产生分子内与分 子间的强电荷-电荷排斥力，使组织内保持一 种挺而伸展的状态。
一、软骨 (cartilage)
软骨细胞
软骨组织 基质
软骨
纤维
软骨膜
胶原原纤维 透明软骨 弹性纤维 弹性软骨 胶原纤维 纤维软骨
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
2
(一)、透明软骨(hyaline cartilage)
➢分布 • 关节、肋软骨、呼吸道等部位。
➢特点 • 新鲜时呈透明状，较脆，易折断。
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
3
透
胶原原纤维
明
软
骨
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
• 其中，仅滑膜关节亦称为动关节，允许较 大幅度的活动。在正常年轻关节内，动关 节的关节骨末端覆盖了一层厚1-6mm、致 密且透明的白色结缔组织，称为透明关节 软骨。
• 关节软骨是一种十分特殊的组织，在一般
人的寿命期内都可以无损地承担高负荷关
节运动。
关节软骨的生物力学特性
10
1/11/2021
• 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。
17
1/11/2021
软骨细胞和水分
1/11/2021
软骨细胞
关节软骨的生物力学特性
18
软骨各成分间结构上的相互作用
• 硫酸软骨素与硫酸角质素链上相距很近的硫 酸基和羧基团离子在生理PH溶液中被拉开， 留下了高浓度的固定负电荷产生分子内与分 子间的强电荷-电荷排斥力，使组织内保持一 种挺而伸展的状态。
一、软骨 (cartilage)
软骨细胞
软骨组织 基质
软骨
纤维
软骨膜
胶原原纤维 透明软骨 弹性纤维 弹性软骨 胶原纤维 纤维软骨
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
膝关节生物力学 ppt课件
PPT课件 22
关节的形合度
在正常膝关节的0-120度屈曲中： 内侧半月板的飘移可达5 mm， 外侧半月板的飘移则达11 mm。
PPT课件
23
关节的形合度
PPT课件
24
TKA的关节形合度
在TKA后，股骨髁与胫骨垫的形合度远高 于生理性膝，因此关节接触面大，接触应力 小、磨损也可能小。 但这一高形合度降低了关节的自由活动， 从而可能减小关节的活动范围，增加聚乙烯 内和假体-股骨界面上的应力集中。 形合度增加与活动度减小之间的矛盾被称 为是“运动学冲突”
PPT课件 6
膝内翻与膝外翻 膝内/外翻
PPT课件
7
股骨解剖轴
解剖轴：是股骨、胫骨髓腔线与 胫股关节线相交形成的角度。
股骨解剖轴呈5-9度外翻，在个子 较小的患者，这一角度将会较大。
PPT课件
8
股骨髁与下肢力线的关系 股骨解剖轴与机械轴
PPT课件
9
胫骨解剖轴
胫骨的解剖轴在胫骨干的中央，它 与胫骨关节面垂线之间有3度的内翻角 。从侧面观，胫骨关节表面有一5-7度 的后倾。
PPT课件
3
下肢力线 机械轴与解剖轴
解剖轴 机械轴
PPT课件 4
机械轴
机械轴：股骨头中心——胫 骨平台中心——踝关节中心 正常的机械轴能使60%的负 荷通过内侧间室、40%的负荷 通过外侧间室。
发育、关节炎、创伤等能改 变机械轴，从而改变负荷在两 侧间室的分布比例，引起进行 性退变。
PPT课件
因无法照顾到这一复杂的活动，是加速 高限制性全膝关节假体失败的主要原因。 特别是在高限制性的早期“铰链膝”，后 者仅有伸屈一个方向上的活动
PPT课件 27
膝关节的运动 膝关节活动
关节的形合度
在正常膝关节的0-120度屈曲中： 内侧半月板的飘移可达5 mm， 外侧半月板的飘移则达11 mm。
PPT课件
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关节的形合度
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TKA的关节形合度
在TKA后，股骨髁与胫骨垫的形合度远高 于生理性膝，因此关节接触面大，接触应力 小、磨损也可能小。 但这一高形合度降低了关节的自由活动， 从而可能减小关节的活动范围，增加聚乙烯 内和假体-股骨界面上的应力集中。 形合度增加与活动度减小之间的矛盾被称 为是“运动学冲突”
PPT课件 6
膝内翻与膝外翻 膝内/外翻
PPT课件
7
股骨解剖轴
解剖轴：是股骨、胫骨髓腔线与 胫股关节线相交形成的角度。
股骨解剖轴呈5-9度外翻，在个子 较小的患者，这一角度将会较大。
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8
股骨髁与下肢力线的关系 股骨解剖轴与机械轴
PPT课件
9
胫骨解剖轴
胫骨的解剖轴在胫骨干的中央，它 与胫骨关节面垂线之间有3度的内翻角 。从侧面观，胫骨关节表面有一5-7度 的后倾。
PPT课件
3
下肢力线 机械轴与解剖轴
解剖轴 机械轴
PPT课件 4
机械轴
机械轴：股骨头中心——胫 骨平台中心——踝关节中心 正常的机械轴能使60%的负 荷通过内侧间室、40%的负荷 通过外侧间室。
发育、关节炎、创伤等能改 变机械轴，从而改变负荷在两 侧间室的分布比例，引起进行 性退变。
PPT课件
因无法照顾到这一复杂的活动，是加速 高限制性全膝关节假体失败的主要原因。 特别是在高限制性的早期“铰链膝”，后 者仅有伸屈一个方向上的活动
PPT课件 27
膝关节的运动 膝关节活动
关节软骨的生物力学特性教案资料40页PPT
关节软骨的生物力学特性教案资料
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
Hale Waihona Puke 1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
Hale Waihona Puke 1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
【ppt】第六章-6.2第二节关节的生物力学与损伤
第二节关节生物力学与损伤水平面Z ：将躯体分成上、下两部分额状面X ：将躯体分成前、后两部分矢状面Y ：将躯体分成左、右两部分第二节关节生物力学与损伤关节：骨与骨连接成“链”结构的枢纽，为骨的杠杆作用实施提供支点，是实现多环节联动完成人体复杂运动的结构基础。
关节功能：运动：保证人体的运动连接：传递力（1）屈伸运动：运动环节绕额状轴在矢状面内做的运动。
一般来说，向前运动为屈，向后运动为伸。
但膝关节及其以下关节则相反。
（2）外展与内收运动：运动环节绕矢状轴在额状面做的运动。
运动环节末端远离正中面为外展，向身体正中面靠近为内收。
关节的运动形式关节的运动形式（3）旋转运动：运动环节绕本身的垂直轴在水平面内做的运动。
由前向内旋转为内旋（或旋前），由前向外旋转为外旋（或旋后）。
（4）环转（展）运动：运动环节以近侧端为支点，绕额状轴、矢状轴以及它们之间的中间轴做连续的圆周运动。
此运动可描绘成一个圆锥体图形的运动，故又称圆锥运动。
如上肢在肩关节处做向前或向后的绕环运动。
一、关节结构生物力学主要决定因素Ø关节的关节面的构造形式Ø韧带（多而强）Ø关节周围的肌肉（强大）Ø关节的关节面的大小Ø关节囊（薄而松弛）Ø关节周围的肌肉（伸展性和弹性好）护运动Ø关节面：关节软骨（透明软骨构成，使关节面光滑，减少关节面的磨擦、缓冲震动与冲击）Ø关节囊：Ø关节腔：呈负压状态u 内层：滑膜层、纤维层与骨膜相续u 外层：纤维层（含有丰富的血管和神经）富含血管网，分泌滑液（提供液态环境），减少磨擦，是关节软骨、关节内软骨等新陈代谢的重要介质。
u 维持关节的稳固Ø关节韧带：结缔组织，连接两骨、增加关节稳定性，限制关节活动范围；Ø关节盘：关节盂、半月板，增加弹性，减少骨面的冲击和振荡；Ø关节唇：纤维软骨环，加深关节窝的作用。
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2020/7/21
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软骨变性的生物力学
• 关节软骨的修复和再生能力有限，如果承 受应力太大，可能很快发生完全破坏。
– 高接触压力会减少液膜润滑的可能性。 – 固体表面凹凸不平点的接触，可引起显微应力
点的集中，使这些关节面材料发生磨损。
• 关节总载荷频率和数量的增加，可以解释 为什么某些职业的人员关节变性的发生率 高。
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一个蛋白多糖大分子的简图
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洗瓶刷模型
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软骨细胞和水分
软骨细胞
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关节软骨的生物学性质
• 渗透性（软骨与滑膜液营养物质交 换，）
• 蠕变反应（软骨损伤后软骨面软化， 裂缝，前期，脱落，软骨下暴露。）
• 润滑（透明质酸滑膜液营养软骨和润 滑关节面。）
(骨生物力学课件)关节软骨的生物力学
• 人体的关节分为纤维状关节、软骨质关节 和滑膜关节三种类型。
• 其中，仅滑膜关节亦称为动关节，允许较 大幅度的活动。在正常年轻关节内，动关 节的关节骨末端覆盖了一层厚1-6mm、致 密且透明的白色结缔组织，称为透明关节 软骨。
• 关节软骨是一种十分特殊的组织，在一般
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• 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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关节软骨的生物学性质
• 渗透性
– 表示液体流过多孔物质的固体基质时的摩擦阻 力。
– 渗透性越低，承载时液体流动阻力越大。与普 通海绵的渗透性相比，健康软骨的渗透性是很 小的。随着压力和变形的增加，健康关节软骨 的渗透性大大降低。因此，关节软骨具有一个 机械反馈调节机制，阻止组织间液完全流出。
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• 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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• 胶原为关节软骨提供 一种纤维状超微结构， 这种胶原网和多水的 糖蛋白一起，共同抵 抗关节的应力和应变。
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蛋白多糖
• 蛋白多糖是一种蛋白多糖大分子,由核心蛋白附着 了一个或多个粘多糖（硫酸角质素与硫酸软骨素） 组成。
• 糖蛋白有一特殊部分与胶原密切相连，并把胶原 纤维结合到一起机制
• 软骨的近似无摩擦属性与人造材料不同。 用于解释刚性非渗透性材料（如钢铁）的 润滑作用的经典理论不能完全解释动关节 的润滑作用机制。
• 例如，当承受材料是非刚性的，而是相对 柔软的，如关节表面所覆盖的关节软骨， 会产生液膜润滑的动态流体滑膜模型与挤 压润滑模型的不同。
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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”。
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蠕变
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界面润滑
• 润滑：界面润滑和液膜润滑
– 界面润滑是依靠单层润滑剂分子化学吸附到接触的固 体面上。作相对运动时，承载面受到互相滑动的润滑 剂分子保护，防止因表面粗糙发生的粘合和磨损。
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• 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。
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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。
人的寿命期内都可以无损地承担高负荷关
节运动。 2020/7/21
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• 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。
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动关节的关节软骨的功能
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液膜润滑
• 是一薄层的液膜将表面与表面分开，加载 荷时液膜内产生压力支持载荷。
• 液膜润滑的两种典型模型：工程学上定义 为动态流体与挤压液膜润滑。这些模型应 用于刚性承载面由相对不变形材料组成， 如不锈钢。
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动态流体
• 动态流体润滑常发生 于液膜润滑的不平行 的刚性承重表面，彼 此相对切线运动（即 彼此滑动），间隙内 液体形成楔状。
• 其主要功能是： • ① 分散压力。关节软
骨受压时提供较大的 接触面以降低其上的 压力
• ② 关节面做动作时减 少摩擦力，降低磨损。
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关节软骨的组成成分
胶原纤维 蛋白多糖 软骨细胞 水分
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显微镜下的关节软骨
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胶原纤维
• 是体内含量最丰富的 蛋白。
• 高度结构性的组织， 可形成最佳的力学性 能。