骨的力学性质(精制医学)
骨 力 学
观各向同性材料，Cij中只须5个独立的弹性常 数，即式（2.2.2）中C11=C22，C13=C23=C5 5=C66，其中C44=1/2（C11-C12），且轴3 （即骨的长轴方向）是对称轴。 严格地说，骨的正交各向异性的假设更接近实 际情况，但在Cowin的试验资料中，横向平面 内Cij等数据的差别十分微小，两者不会导致 根本性的差异，更重要的是，横观各向同性的 假设使问题的计算和分析都容易得多。
N f = A(
f
σ max
E1
) n , (2.2.4)
N 式中： 是密质骨的疲劳寿命（即破坏发生时， σ 所承受的循环载荷的作用次数）， 为加载应 力幅值，E1为初始加载阶段的弹性模量，常数 A=8.95x10*e-29,n=12.99。
max
密质骨的力学特性
N f = A(
σ max
E1
) n , (2.2.4)
腔通常含有两种骨髓，即红髓和黄髓。红髓有造血功能，它对幼 年骨是重要的，在成熟长骨中，则只在端部腔内有红髓。黄髓是 脂肪，一般认为它没有什么生理功能，可以看成仅是一种填充材 料。密质骨的表现密度为1.8g/cm3，髓脂在体温下可看作粘性流体， 它的密度约为0.93g/cm3。所以，虽然它对骨强度及刚度的影响一 般不予考虑，但是对长骨总重量的贡献则不可忽视。考虑了骨髓 质量后，通过计算，得到的长骨总质量随直径与厚度之比D/t的变 化情况示于图2-1-6。图中， 横坐标，表示长骨的内、外直径之比，括号内的值是相应的直径 与厚度之比D/t。 纵坐标，表示在具有相同的刚度（或强度，或抗冲击能力）时， 管型骨质量Mt（包括髓脂的质量）与实体骨质量M之比值。
取材部位与作者 胫骨近端 Willianms and 干燥脱脂 Lewis（1982） Goldstein （1983） 等 新鲜冷冻 5~7 模量8~457 7mm （ 直 径 ） 单轴应力 10mm（长） 5mm厚片 8mm立方体 2.5mm针状压头 强度1~13 模量4~430 强度 13.8~116.4 存储方法 试件形状 备注 模 量 或 强 度 （MPa） ）
骨的力学性能
第二章骨力学性质及研究方法2.1密质骨的力学性质⑴密质骨较硬，其应力-应变关系与常用的工程材料很相似，因此，常用工程方法可用于骨的应 力分析。
图2.1是人体股骨受单向拉伸时的应力-应变关系。
可见，干燥骨较脆，当应变为4% 时即破坏，而鲜骨最大应变可到1.2%。
由于应变范围很小，可以用Cauchy 应变描述。
图2.1人股呼的应力应变曲线（引白Evans, 1969）式中xl,x2,x3为直角坐标,ul,u2,u3为位移在xl,x2,x3上的分量，e ij 为应变分量。
从图2.1 可知，在一定应变范围内，骨的弹性响应遵循胡克定律。
因此，在比例极限下，骨单向受载 时，其应力。
-应变£的关系为式中E 为杨氏模量。
表2.1给出了一些动物和人的湿的密质骨的力学性能。
从表中可以看 出：所有骨在压缩时的强度极限和极限应变都比拉伸时大；拉伸时的弹性模量比压缩时大。
产生这些差异的原因在于骨结构的非均匀性。
以成人股骨（密质骨）为例，其弯曲强度极限 为160MPal6kg /nmi2 ,拉伸时的剪切模量为54.1± 0.6MPa 。
因而在拉伸时的弹性模量为adu ： 1 J1(2.1)<> d . m og notn tun«3.2GPa 326kg/mni2。
骨的强度随着动物的年龄、雌雄、骨的位置、载荷的方向、应变率、实验的取样（干与湿）等不同而变化，其中应变率的影响特别重要。
应变率大，强度极限也越大。
山田(Yamada) (1970)、Evans (1973)、Reilly 和Buistein (1974)等收集、发表了大量资料。
表2・i湿的骨（畜质骨）在拉伸、压缩和招转时的力学性能猪人（20-39岁）最尢伸K百分比(2.1.1长骨的解剖结构图2.2是长骨的结构简图。
它呈杆状，两头稍大，称干聽端，中间呈柱状称骨干。
未成 年的动物，每一干肪端都被骨師所覆盖，并由软骨生成板（gewthpla©乂称師板）联结在一 起。
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。
最新 骨的生物力学
（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。 例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。
★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。 弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。 钢的弹性模量是骨的十倍，极限强度是皮质骨的 五倍。
（四）骨应变能量
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。
(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， 一般包括有：拉伸、压缩、弯曲、 旋转和压力联合弯曲 5种基本形式所致的骨折。
（二）骨折的生物力学原理 1.骨受拉伸载荷所致的骨折 其断裂的机理主要为骨组织结合线的分 离和骨单位的脱离。 临床上，拉伸载荷所致的骨折常见于骨 松质，表现形式多为撕裂性骨折。如跟腱附 着点附近的跟骨骨折。
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。
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。
第三章 第一节 骨的生物力学特性
O
变形
（四） 骨的应力——应变曲线
塑性范围
应
屈服阶段
C 断裂点
力
B
A屈服点
弹性范围
曲线围成的面积表示能 量贮存所表达的强度
斜率表示刚度
O
应变
拉伸实验时皮质骨的应力——应变曲线
二、骨的受力形式及其表现
在体骨总是处于一定的应力场中。骨 变形的基本方式有拉伸、压缩、弯曲、 扭转和复合载荷。现在简要介绍这几种 加载方式导致骨折的受力分析。
第一节 骨的生物力学特性
一、骨的力学特性
（一） 骨骼的成分与性能——弹性与坚硬性 弹性——骨中的有机物中含骨胶原纤维和粘多糖
蛋白。 坚硬性——骨中的有机物主要是钙盐。
（二） 管状骨的材料力学特性
（三） 骨的载荷——形变曲线
塑性范围
载
屈服阶段
C
荷
B
断裂点（载荷与形
A屈服点
变所表达的强度）
弹性范围
曲线围成的面积表示能 量贮存所表达的强度
7、肌力对在体骨的保护作用
四、机械应力对骨结构的影响
机械应力与骨组织之间存在着一种生理 平衡，在平衡状态，骨组织的成骨细胞和破 骨细胞的活性是相同的。当应力增大时成骨 细胞活跃，引起骨质增生，承载面增大，使 应力下降，达到新的平衡。当应力下降时破 骨细胞活跃，骨组织量下降，使应力增加。 因此骨能通过改变它的大小、形状和结构一 适应力学需要的功能进行重建。这种适应性 是按Wolff定律进行的，即骨骼在需要处多生 长，而在不需要处多吸收。因此使骨组织量 与英里成正比。
第三章 骨ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ肌肉的力学特性 及人体基本活动原理
人体模型——运动生物力学研究人体结构机能的 特性，主要研究对于完成运动活动 有重要意义的那些结构及机能的生 物力学特性。避开运动器官系统解 剖学结构及生理机制的一些详细内 容，而把它视为生物力学系统。
16.骨的生物力学(1)
当臀中肌松弛时，张应力作 用于股骨颈上部骨皮质，压 应力作用于下部骨皮质。臀 中肌收缩能够抵消张应力。
单位体积的弹性势能（Strain Energy ）
骨的强度和刚度
强度：指材料抵抗破坏的能力 断裂前的应力 断裂前的应力 断裂前存贮的能量（曲线围成的面积）
骨的强度和刚度
刚度：指材料抵抗弹性变形的能力
刚度通常用弹性模量E来衡量。 斜率
骨骼的各向异性
骨的纵向结构和横向结构是不同的 ，因此表现出不同的机械性能，即表现为 各向异性（anisotropy）特征
一、骨的力学性质
骨的应力——应变曲线
应力、应变 描述的是材料的性质
骨的应力——应变曲线
应力、应变 描述的是材料的性质
骨的应力——应变曲线
骨的应力——应变曲线 应力、应变 描述的是材料的性质
骨的应力——应变曲线
应
塑性范围 断裂点
力
屈服点
O
应变
超过屈服点骨将发生一定的永久变形
塑性形变
弹性形变
骨骼的各向异性
骨骼的各向异性
最常见的载荷方向上骨的强度与刚度最大
二、骨的受力 形式和表现
( a)
( b)
（a） （b）
（a） （b）
M
P
q
骨的强度大小的排列顺序是：
压缩、
大
拉伸、
弯曲、
扭转、
剪
切
ห้องสมุดไป่ตู้
小
三、肌肉活动对骨 内应力分布的影响
小腿三头肌的收缩造成胫 骨后侧产生压应力，抵消 了胫骨后侧的张应力。
第三章《骨肌肉力学特性 及人体基本活动形式》
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
17.骨与骨骼肌的生物力学特性
复合载荷：人体髋关节的股骨颈断裂时，它是压、弯、剪
切力3种载荷的复合。又如，人体胫骨在步行状态时，在
胫骨上的载荷往往也是在变的，它也是几种载荷的复合。
骨受冲击载荷的特点：损伤的程度一方面取决于冲击载荷 具有的能量大小，另一方面还取决于冲击载荷的作用时间。 发现头颅骨耐冲击能力要比长骨高40％左右，其原因一方
一、离体肌肉的生物力学基础
肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉的机能，肌肉 机能的变化亦会对其结构产生影响。因此，对肌肉组织 结构和生物学的研究是对肌肉生物力学特性的基础研究
之一，为反映肌肉的生物力学特性，建立用于描述肌肉
力学特性的模型。
肌肉的组织结构
肌肉的组织结构和生物 学性质决定了肌肉的机 能，肌肉机能的变化亦 会对其结构产生影响。 因此，对肌肉组织结构 和生物学的研究是对肌 肉生物力学特性的基础 研究之一，为反映肌肉 的生物力学特性，建立 用于描述肌肉力学特性 的模型。
图3-3肌节长度与等长张力 关系（Gordon 1966）
并联弹性元（PEC）力——长度曲线 肌肉总张力——长度曲线 （A为平衡长度；B为净息长度）
2.肌肉力（F）—速（V）关系
1938年Hill的经典工作奠定 了肌肉力学基础，他按照热 力学定律建立了反映肌肉收 缩力－速度特性的方程：
( F a) (V b) ( F0 a) b
该曲线说明：在一定的范围内，肌肉收缩产生的张力 和速度大致呈反比关系；当后负荷增加到某一数值时，
张力可达到最大，但收缩速度为零，肌肉只能作等长
收缩；当后负荷为零时，张力在理论上为零，肌肉收 缩速度达到最大。肌肉收缩的张力-速度关系提示，要 获得收缩的较大速度，负荷必须相应减少；要克服较 大阻力，即产生较大的张力，收缩速度必须缓慢。
骨的力学性能
第二章骨力学性质及研究方法2.1 密质骨的力学性质[1]密质骨较硬，其应力-应变关系与常用的工程材料很相似，因此，常用工程方法可用于骨的应力分析。
图2.1 是人体股骨受单向拉伸时的应力-应变关系。
可见，干燥骨较脆，当应变为4%时即破坏，而鲜骨最大应变可到 1.2%。
由于应变范围很小，可以用Cauchy 应变描述。
式中x1,x2,x3为直角坐标，u1,u2,u3为位移在x1,x2,x3上的分量，εij 为应变分量。
从图 2.1 可知，在一定应变范围内，骨的弹性响应遵循胡克定律。
因此，在比例极限下，骨单向受载时，其应力σ-应变ε的关系为σ= Eε（2.2）式中 E 为杨氏模量。
表 2.1 给出了一些动物和人的湿的密质骨的力学性能。
从表中可以看出：所有骨在压缩时的强度极限和极限应变都比拉伸时大；拉伸时的弹性模量比压缩时大。
产生这些差异的原因在于骨结构的非均匀性。
以成人股骨（密质骨）为例，其弯曲强度极限3.2GPa 326kg / mm2 。
骨的强度随着动物的年龄、雌雄、骨的位置、载荷的方向、应变率、实验的取样（干与湿）等不同而变化，其中应变率的影响特别重要。
应变率大，强度极限也越大。
山田（Yamada）（1970）、Evans（1973）、Reilly 和Burstein（1974）等收集、发表了大量资料。
2.1.1 长骨的解剖结构图2.2 是长骨的结构简图。
它呈杆状，两头稍大，称干骺端，中间呈柱状称骨干。
未成年的动物，每一干骺端都被骨骺所覆盖，并由软骨生成板（growthplate,又称骺板）联结在一起。
骨骺的顶部有一层关节软骨作为关节的滑动表面。
关节软骨间的干摩擦系数很低（小到0.0026，是固体材料中最低的），因此软骨表层使关节获得很高的效率。
骨骺板是软骨骨化的地方，停止生长时，由松质骨构成的骨骺便与干骺端融合在一起。
干骺端与骨骺的外壳是一层很薄的皮质骨，它与骨干的密质骨部分连在一起。
骨干是一个中空的管子，其壁是致密的皮质骨，在骨干处较厚到两端就逐渐变薄。
骨科生物力学
通过植入人体和周围组织间所建立的相互配合来实现，常通过以下形式实现固定： 表面活性材料、表面组构材料、多孔涂层材料
四、无骨水泥型全髋关节置换系统
光滑的钴合金－－高强度超高分子聚乙烯髋臼结合
五、髋关节的头臼配伍
第四节人工膝关节 一、简介：对运动功能要求高，解剖结构复杂 材料：钴合金－－超高分子聚乙烯 二、固定方式： 骨水泥固定效果较好 非骨水泥通过紧密压配和骨组织长入假体达到固定效果 三、限制程度 限制型人工膝关节：手术后膝关节只能在一个平面内活动，易引起应力集中，一般不用于初次置换的患者。 非限制型人工膝关节：活动不受限制，应用广，特别是初次置换患者。 四、特殊膝关节
0201031 Nhomakorabea2
3
4
４.结构
骨膜：覆盖在新鲜骨的表面（关节面除外）。骨膜由纤维结缔组织构成，含有丰富的神经和血管，对骨的营养、再生和感觉有重要作用。骨膜可分为内外两层，外层致密有许多胶原纤维束穿入骨质，使之固着于骨面。内层疏松有成骨细胞和破骨细胞，分别具有产生新骨质和破坏骨质的功能，幼年期功能非常活跃，直接参与骨的生成；成年时转为静止状态，但是，骨一旦发生损伤，如骨折，骨膜又重新恢复功能，参与骨折端的修复愈合。如骨膜剥离太多或损伤过大，则骨折愈合困难。
四、形状记忆合金内固定器械
环抱器：采用镍钛形状记忆合金制成，用于治疗长骨骨折。旨在保持骨折稳定性的同时，减少对压缩应力的遮挡作用和骨骼的损伤。
优点 人为损伤小，生物相容性好，力学性能好，操作简便，持续的自加压功能，愈合周期短，体积小重量轻，可降低骨质疏松率。
环抱器 加压骑缝钉
第三章：基础骨科器械
1
旋转加压器（3）使骨折断端融合，可靠固定压紧顶丝（6）。 如许跨关节固定，半环型固定可用组合块连接主体或半环。
骨的力学性质(精制医学)
• 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
精制类
44
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
精制类
45
骨折愈合的力学环境
14
骨的显微结构பைடு நூலகம்
精制类
15
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
16
• 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。
• 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。
精制类
33
• 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
精制类
35
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。
• 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
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成的骨板，中央为骨精松制类质
12
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
13
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。
TRAIN
精制类
19
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
20
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：
精制类
10
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
11
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
骨的力学性质
精制类
1
• 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
2
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。
ε σ
ε
精制类
26
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
27
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。
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
29
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
精制类
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骨受冲击性能
• 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
精制类
5
精制类
6
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，
• 韧性：
• 应力－应变曲线：
精制类
21
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
精制类
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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
14
骨的显微结构
精制类
15
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
16
• 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。
精制类
23
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）
25
• 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
• 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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使骨具有基本形态。
精制类
7
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。
精制类
精制类
17
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0 80 60 40 20 0
S
应力与应变曲线
骨密质 骨松质
Greater Area: Absorbs more Energy
8
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
9
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。
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
3
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