骨的力学性质
生物材料中的力学性质
生物材料中的力学性质生物体内的许多物质，包括骨骼、肌肉、血管、皮肤等，都具有特殊的力学性质。
这些生物材料的力学性质来源于其微观结构及其组成成分的特殊性质。
在本文中，我们将探讨一些生物材料中的力学性质，以及这些性质的原因和应用。
一、骨骼的力学性质骨骼是人体中最硬的组织之一，其力学性质与其内部微观结构以及骨骼成分有关。
骨骼主要由钙盐和胶原蛋白组成，这两种物质的比例不同会影响骨骼的力学性质。
一般来说，钙盐含量高的骨骼比较硬，但韧性较差；胶原蛋白含量高的骨骼则比较韧性好，但硬度较低。
此外，骨骼中还有一些细小的微观孔道，这些孔道可以将受到的力分散到周围骨骼组织中，从而减缓骨骼的受损程度。
针对骨骼的强韧特性，现在有不少研究致力于运用3D打印技术和材料科学，设计出更好的骨骼置换材料和仿生骨骼，以提高医学手术成功率和患者生活质量。
二、肌肉的力学性质肌肉是人体中最活跃的组织之一，其力学性质主要与其内部肌纤维结构和肌肉成分相关。
肌肉纤维的结构分为平行于肌肉长度和垂直于肌肉长度两种形式。
在肌肉受力作用时，垂直于肌肉长度的肌纤维会拉伸，而平行于肌肉长度的肌纤维则会增加肌肉的截面积，从而提高肌肉的强度。
此外，肌肉的组成成分也会影响其力学性质。
肌肉主要由蛋白质和水分组成，蛋白质含量较高的肌肉比较强壮，但韧性较差；水分含量较高的肌肉比较柔软，但更具有韧性。
肌肉对人体的重要性不言而喻，因此肌肉尤其是肌肉损伤和萎缩的治疗研究也颇受关注。
针对肌肉损伤，近年来研究人员提出了肌肉组织工程方法，将自体或异体细胞种植到支架内，使其生长出新的肌肉纤维。
针对肌肉萎缩，研究人员也在探索使用高蛋白质的人工肌肉来促进肌肉组织再生和重建。
三、血管的力学性质血管是人体中的血液循环系统，其力学性质主要和血管成分、结构和压力有关。
血管主要由两层细胞组成，其中内膜层由内皮细胞组成，而外膜层由平滑肌细胞和胶原蛋白组成。
由于血管内膜层的平滑肌具有收缩和扩张的功能，所以可以通过调节血管压力来改善血管的力学性质。
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。
第二节 骨的生物力学
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（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。
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★力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。
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。
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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。
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（二）应变
概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变 形。
第二节 骨的生物力学
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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。
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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
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。
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。
骨肌肉力学特征
4240
1270～ 2100
1350
424
垂直纵轴的切变强度 (kg/cm2)
3510
1190
141
106
平行纵轴的切变强度 (kg/cm2)
－
505
－
－
3
2、骨骼的受力形式与表现
4
2、骨骼的受力形式与表现
2.1拉伸(tension) 骨组织在拉伸载荷断裂的机理主要为结
合线的分离和骨单位的脱离。 临床上拉伸载荷引起的骨折主要见于肌
四点弯曲产生的骨折
7
2.4扭转
髌骨螺旋性骨折
8
2.5剪切
剪切骨折通常见于骨松质，例如在拳击 等运动中，运动员的胸部或腰部可能由 于受水平暴力冲撞而产生的剪切应力而 导致骨折。
9
2.6 复合载荷
活体骨很少只受到一种载荷形式的作用， 极少数的骨折系由一种或两种载荷造成，多 数骨折是由复合的多种载荷造成的。
腱附着点或松质骨，如因股四头肌强力收缩 所致的髌骨横行骨折和跟骨牵拉性骨折。
5
2.2压缩(compression)
骨组织在压缩载荷下破坏的机理主要是骨 组织的斜行劈裂。
椎体压缩性骨折 股骨颈头下骨折
6
2.3弯曲(bending)
骨在弯曲时一侧受到压缩应力，另一侧 受拉伸应力。
三点弯曲：
靴口骨折
四点弯曲：
肌肉收缩在时间上表现出顺序性。
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肌肉放松
Hale Waihona Puke 激活状态收缩(1)
(2)
(3)
肌肉受激发时的力学效应的顺序性
24
2.2肌肉松弛
被拉长的肌肉，其张力有随着时间的延长 而下降的特性，这一特性称肌肉松弛。
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。
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▪ （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
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▪ 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
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，
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。
第二章第一节骨运动学(骨运动适应性)
松质骨对应力的反应：
骨松质的疏松度为30％～90％，其应 力—应变特征与密质骨有很大差异。
松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断 裂，使拉力负荷很快减低，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。
2）骨密质在受载时的生物力学特性
其显微结构分为四种基本结构类型： 针状非对称形开放网格、 片状非对称形封闭网格、 针状圆柱体形开放网格、 片状圆柱体形封闭网格。
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。
★骨松质质部位， 骨小梁主要表现为开放型的针状结构；
骨所受的正常生理负荷是这些力的综 合。
（2）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。
3.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。
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
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，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。
内容
骨的运动学 基础
骨的运动适 应性
二、骨的运动适应性
1 骨的生物力学特性
2
骨的功能适应性
（一）骨的生物力学特性
骨的力学特征
骨的力学特征骨骼是人体内最重要的组织之一，它不仅起支撑身体的作用，还参与了许多生理过程。
骨骼的力学特征对于人体的正常运动和生活至关重要。
本文将介绍骨骼的力学特征，包括骨的强度、韧度、刚度和抗压能力。
一、骨的强度骨骼的强度指的是骨抵抗外力的能力。
骨骼中的主要力学参数是骨密度和弹性模量。
骨密度是指骨骼单位体积的质量，直接影响骨的强度。
骨密度越大，骨骼越坚固。
弹性模量是指骨骼在外力作用下产生形变的能力，也叫做骨的硬度。
弹性模量越大，骨骼越坚硬，抵抗外力的能力越强。
二、骨的韧度骨的韧度是指骨骼在外力作用下变形能力的大小。
骨骼的韧度与骨的弹性模量和骨的韧性有关。
骨的韧性是指骨骼在外力作用下发生塑性变形的能力。
骨的韧性越大，骨骼越能够吸收外力的冲击，减少骨折的风险。
三、骨的刚度骨的刚度是指骨骼在外力作用下变形的难易程度。
刚度与骨的弹性模量和骨的几何形状有关。
骨的刚度越大，骨骼越不容易发生形变，抵抗外力的能力越强。
四、骨的抗压能力骨的抗压能力是指骨骼抵抗压力的能力。
骨骼中的主要力学参数是骨的抗压强度和骨的抗压模量。
骨的抗压强度是指骨骼能够承受的最大压力，抗压模量是指骨骼在外力作用下产生压缩变形的能力。
骨的抗压能力越大，骨骼越能够承受外力的压力，减少骨折的风险。
总结骨的力学特征对于人体的正常运动和生活至关重要。
骨骼的强度、韧度、刚度和抗压能力决定了骨骼的健康状况。
在日常生活中，我们应该注意保护骨骼，合理锻炼，补充钙质和维生素D等营养物质，以提高骨骼的力学特征。
同时，在进行高强度运动和重物搬运时，要注意避免过度压力和扭曲骨骼，以防止骨折和其他骨骼损伤的发生。
通过了解骨的力学特征，我们可以更好地理解骨骼的重要性，并采取相应的保护措施，维护骨骼的健康。
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。
骨的力学性质课件
富含胶原纤维束，呈平行或交错排列。软骨细胞
•
•骨的力学性质
•33
• 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
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。
•骨的力学性质
•12
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
•骨的力学性质
•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：
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。
•骨的力学性质
•3
第一节 骨的成分
• 有机质
– 胶原纤维、无定形基质 – 四种骨组织细胞：
作用：骨组织与软骨组织均属于具有支
持和保护作用的结•骨缔的力组学性织质 。
•13
骨的显微结构
•骨的力学性质
•14
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。
•骨的力学性质
•19
骨力学特性的基本概念
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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。
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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。
形
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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。
• 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
ε σ
ε
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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
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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。
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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
精品人课件体 股 骨 的 应 力 分 布
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 Energ
骨的力学性质
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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
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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。
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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。
精品课件
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
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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）
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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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骨的显微结构
骨质、骨膜（血管、神经）、骨髓
骨细胞：多突起，位于骨陷窝内，埋藏
骨组织
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Байду номын сангаас的形状和强大的坚韧
性
软骨组织 透明和软弹骨性、。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品组课件织。
骨的显微结构
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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
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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品— 课件—应变曲线（ σ－ε图）
• 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
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；
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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。
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第一节 骨的成分
• 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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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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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。
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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。
– 冲击载荷大小 – 冲击载荷作用时间（能量） – 骨的结构
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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。
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第四节 软骨
• 软骨由软骨组织及其周围的软骨膜构成， 软骨组织由软骨细胞、基质及纤维构成。
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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
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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
• 影响因素