骨的力学性质(精制医学)

ε σ
ε
精制类
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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
精制类
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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。
• 影响因素
– 冲击载荷大小 – 冲击载荷作用时间（能量） – 骨的结构
精制类
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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。
• 骨上存在孔洞、缺陷、裂隙等，降低了骨 的断裂韧性。
精制类
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成的骨板，中央为骨精松制类质
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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。
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。
精制类
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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
精制人类 体 股 骨 的 应 力 分 布
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STRESS
100 80 60 40 20 0
S
应力与应变曲线
骨密质 骨松质
Greater Area: Absorbs more Energy
TRAIN
精制类
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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）
精制类
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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
–
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：
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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。
精制类
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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。
骨的力学性质
精制类
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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
精制类
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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。
精制类
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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。
精制类
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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：
内外表面都是骨密质形
精制类
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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
持和保护作用的结缔精制组类 织。
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；
精制类
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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。
精制类
4
第一节 骨的成分
精制类
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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
精制类
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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
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骨的显微结构
精制类
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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。
精制类
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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。
• 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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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
精制类
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骨的拉伸和压缩
桡骨 腓骨
肱骨σ=117Mpa ε=1.5%
线弹性
成人湿润密质骨试件的拉伸应精力制—类—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
• 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
• 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
• 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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精制类
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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
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。
骨膜内含有丰富的血管和神经，对骨起
营养作用。
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