生物力学 骨力学
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4.骨折治疗研究 (骨的生长与断裂）
生长理论 断裂类型
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*5.脊柱生物力学 *6.关节生物力学 *7.骨骼肌力学 *8.颅脑损伤力学
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三、骨力学的四个基本概念
1.骨强度： 生物材料或非生物材料组成的构件 抵抗破坏的能力 断裂或过大
的塑性变形
1867瑞士学者 骨的内部结构和外部形态与承载大小、
方向有关
1892 Wollf 《骨转化定律》
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二、骨力学的研究内容和涉及的几个问题
1.骨结构研究 （引言） 2.应力-应变研究
（骨的力学性质）
本构曲线 影响因素
3.骨的应力适应性 （骨功能适应性理论）
微观结构 宏观力学性质
（三）骨结构： 1、骨的微观结构
在显微镜下，构成 骨的基本结构单位 称之为骨单位，即 哈佛氏系统。
哈佛管：
内含神经和血管。
板层骨：
包绕在管的周围。
骨的构造
2、骨的宏观结构
骨分为密质骨和松质骨
密质骨一般位于骨的外层 松质骨位于骨的内层，由 骨小梁形成筛状结构，小 梁之间的空隙充满了红骨 髓。
密质骨的骨小体的板层结构 松质骨的骨小梁的桁架结构
第四章
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第一节 引言
一、骨力学研究方面的简史：
1638 Galileo 发现加载与骨形态的关系
1834 Bell 骨可以使尽可能少的材料承担载荷
1838 Ward 增加压缩载荷，可增加骨形成
1852 Ludwig 重力、肌力对维持骨质量的必要性
1862德国学者 加压对骨生长的影响
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1、骨基质 钙化的骨组织的细胞外基质。包
括有机成份和无机成份,含水极少。
有机质： 胶原纤维（主要由Ⅰ型胶原蛋白构成） 无定形基质（蛋白多糖及其复合物） 无机盐：羟磷灰石
（3Ca3（PO4）2Ca（OH）2 ）
●羟磷灰石是针状结晶体，长约200A，横截 面面积为2500A。晶体是沿着胶原纤维长度方 向排列的。非常坚硬,沿轴向的弹性模量为 165GPa,与钢的弹性模量200GPa相近。
（一）骨功能：
一方面：组成骨骼系统 提供对动物体的支撑 维持人体的正常形态 使肌肉附着带动肢体运动作用 保护内脏器官、颅腔
另一方面：调节血液的电解质浓度 调节钙离子、氢离子、磷酸氢根离子的浓度 保持体内矿物质的动态平衡 即骨髓的造血、钙磷的储存与代谢
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（二）骨形态：
2.骨刚度： 生物材料或非生物材料组成的构件 抵抗变形的能力 弹性变形的
允许限度
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3.骨韧性： 生物材料或非生物材料组成的构件 在外力作用下发生断裂前所能达到 的最大变形程度
4.骨稳定性：生物材料或非生物材料组成的构件 保持其原有平衡形态的能力
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四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转 化，互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。
（1）骨祖细胞：
骨组织的干细胞，位于骨膜内，体积小，呈梭形， 弱嗜碱性。
可分化成为成骨细胞和成软骨细胞。分化方向取 决于所处的部位和所受的刺激性质。
例如，当骨生长、改建或骨折修复时，骨祖细胞 活跃，不断分裂、分化为成骨细胞。
四、骨的基本知识
（功能 形态 结构 组织成分）
• 骨是一个有生命的器官 ——骨中有血液循环
• 骨是一个能运动的器官 ——通过关节肌肉承受外力
• 骨是一个良好适应性材料
——能再生和能自我修复
• 骨是一个粘弹性材料
——即具有弹性又具有粘性
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●胶原纤维不严格遵守胡克定律，其纵向弹 性模量为1.24GPa。胶原纤维具有韧性和柔软 性，因此可以抵抗拉伸，并具有部分可延展 性。
可见骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成的复合 材料，它具有优异的力学性能。 因为：
柔韧的胶原可阻止硬材料的脆性断裂， 而坚硬的骨盐又可阻止软材料的屈服。
钢筋混泥土结构
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松质骨: •松质骨具有多孔结构，因而有较高的能量
储存能力。 •松质骨内胶原纤维的排列看似是纷乱的，
但它并非无序，它是根据主要的受力状态 沿着主应力的方向排列，形成最优的受力 结构，即用最少的材料承受最大的外部 载荷。
松 质 骨 骨 小 梁
（四）骨的成分
骨是由骨组织、骨膜和骨髓等构成的 骨组织是骨的结构主体 由细胞和钙化的细胞外基质及纤维组成 其特点是细胞外基质有大量的骨盐沉积还有部 分有机质，使骨组织成为人体最坚硬的而又有 一定韧性的结缔组织
无机盐等矿物质产生位移少 胶原纤维等有机成分组织中充满液体承担较大变形
从力学角度讲，骨组织是一种双相的的复 合材料，一相为无机物，另一相为胶原和 无定形基质，当坚固的脆性材料嵌入另一 种力度较弱但柔韧性强的材料中后，复合 材料的性能比其中任何一种单纯材料更加 坚韧。
2、 种骨细胞
骨祖细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞
密质骨
松质骨
•骨质致密坚硬
（疏松度为5—30%） •骨板排列规整结合紧密 仅留下一些部位作为血 管和神经的通道
•……松 软 （疏松度为30—90%）
•……排列呈蜂窝网状 网孔内充满骨髓血管 神经
•表面积相对小
•……巨大
• 强度高变形能力差
• 强度低应变能力好
（变形超过2%会断裂） （变形可达7%左右）
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骨细胞 ：骨原细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞
（骨细胞最多，位于骨基质内，其余三种细胞均位于骨组织的 边缘）
骨基质： 大量钙化的细胞间质 。
（基质含有大量的固体无机盐——羟基磷灰石晶体71.8%，有 机质——粘多糖蛋白28.2%）
骨纤维： 骨胶原纤维
（分层 交叉）
人体共有206块骨，依所在部位可分为: 颅骨、躯干骨和四肢骨。
按其形状可分为： 长骨，呈管状 如胫骨、股骨； 短骨，类正方体 承压有能动 如腕骨、跗骨； 扁骨，呈板状 如颅骨中的枕骨、顶骨； 不规则骨，如椎骨。
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这些形状不同的骨， 是长期自然演变的结 果，它符合最优化原 则，即用最小的结构 材料承受最大的外力， 同时还具有良好的功 能适应性。
生长理论 断裂类型
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*5.脊柱生物力学 *6.关节生物力学 *7.骨骼肌力学 *8.颅脑损伤力学
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三、骨力学的四个基本概念
1.骨强度： 生物材料或非生物材料组成的构件 抵抗破坏的能力 断裂或过大
的塑性变形
1867瑞士学者 骨的内部结构和外部形态与承载大小、
方向有关
1892 Wollf 《骨转化定律》
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二、骨力学的研究内容和涉及的几个问题
1.骨结构研究 （引言） 2.应力-应变研究
（骨的力学性质）
本构曲线 影响因素
3.骨的应力适应性 （骨功能适应性理论）
微观结构 宏观力学性质
（三）骨结构： 1、骨的微观结构
在显微镜下，构成 骨的基本结构单位 称之为骨单位，即 哈佛氏系统。
哈佛管：
内含神经和血管。
板层骨：
包绕在管的周围。
骨的构造
2、骨的宏观结构
骨分为密质骨和松质骨
密质骨一般位于骨的外层 松质骨位于骨的内层，由 骨小梁形成筛状结构，小 梁之间的空隙充满了红骨 髓。
密质骨的骨小体的板层结构 松质骨的骨小梁的桁架结构
第四章
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第一节 引言
一、骨力学研究方面的简史：
1638 Galileo 发现加载与骨形态的关系
1834 Bell 骨可以使尽可能少的材料承担载荷
1838 Ward 增加压缩载荷，可增加骨形成
1852 Ludwig 重力、肌力对维持骨质量的必要性
1862德国学者 加压对骨生长的影响
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1、骨基质 钙化的骨组织的细胞外基质。包
括有机成份和无机成份,含水极少。
有机质： 胶原纤维（主要由Ⅰ型胶原蛋白构成） 无定形基质（蛋白多糖及其复合物） 无机盐：羟磷灰石
（3Ca3（PO4）2Ca（OH）2 ）
●羟磷灰石是针状结晶体，长约200A，横截 面面积为2500A。晶体是沿着胶原纤维长度方 向排列的。非常坚硬,沿轴向的弹性模量为 165GPa,与钢的弹性模量200GPa相近。
（一）骨功能：
一方面：组成骨骼系统 提供对动物体的支撑 维持人体的正常形态 使肌肉附着带动肢体运动作用 保护内脏器官、颅腔
另一方面：调节血液的电解质浓度 调节钙离子、氢离子、磷酸氢根离子的浓度 保持体内矿物质的动态平衡 即骨髓的造血、钙磷的储存与代谢
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（二）骨形态：
2.骨刚度： 生物材料或非生物材料组成的构件 抵抗变形的能力 弹性变形的
允许限度
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3.骨韧性： 生物材料或非生物材料组成的构件 在外力作用下发生断裂前所能达到 的最大变形程度
4.骨稳定性：生物材料或非生物材料组成的构件 保持其原有平衡形态的能力
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四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转 化，互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。
（1）骨祖细胞：
骨组织的干细胞，位于骨膜内，体积小，呈梭形， 弱嗜碱性。
可分化成为成骨细胞和成软骨细胞。分化方向取 决于所处的部位和所受的刺激性质。
例如，当骨生长、改建或骨折修复时，骨祖细胞 活跃，不断分裂、分化为成骨细胞。
四、骨的基本知识
（功能 形态 结构 组织成分）
• 骨是一个有生命的器官 ——骨中有血液循环
• 骨是一个能运动的器官 ——通过关节肌肉承受外力
• 骨是一个良好适应性材料
——能再生和能自我修复
• 骨是一个粘弹性材料
——即具有弹性又具有粘性
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●胶原纤维不严格遵守胡克定律，其纵向弹 性模量为1.24GPa。胶原纤维具有韧性和柔软 性，因此可以抵抗拉伸，并具有部分可延展 性。
可见骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成的复合 材料，它具有优异的力学性能。 因为：
柔韧的胶原可阻止硬材料的脆性断裂， 而坚硬的骨盐又可阻止软材料的屈服。
钢筋混泥土结构
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松质骨: •松质骨具有多孔结构，因而有较高的能量
储存能力。 •松质骨内胶原纤维的排列看似是纷乱的，
但它并非无序，它是根据主要的受力状态 沿着主应力的方向排列，形成最优的受力 结构，即用最少的材料承受最大的外部 载荷。
松 质 骨 骨 小 梁
（四）骨的成分
骨是由骨组织、骨膜和骨髓等构成的 骨组织是骨的结构主体 由细胞和钙化的细胞外基质及纤维组成 其特点是细胞外基质有大量的骨盐沉积还有部 分有机质，使骨组织成为人体最坚硬的而又有 一定韧性的结缔组织
无机盐等矿物质产生位移少 胶原纤维等有机成分组织中充满液体承担较大变形
从力学角度讲，骨组织是一种双相的的复 合材料，一相为无机物，另一相为胶原和 无定形基质，当坚固的脆性材料嵌入另一 种力度较弱但柔韧性强的材料中后，复合 材料的性能比其中任何一种单纯材料更加 坚韧。
2、 种骨细胞
骨祖细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞
密质骨
松质骨
•骨质致密坚硬
（疏松度为5—30%） •骨板排列规整结合紧密 仅留下一些部位作为血 管和神经的通道
•……松 软 （疏松度为30—90%）
•……排列呈蜂窝网状 网孔内充满骨髓血管 神经
•表面积相对小
•……巨大
• 强度高变形能力差
• 强度低应变能力好
（变形超过2%会断裂） （变形可达7%左右）
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骨细胞 ：骨原细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞
（骨细胞最多，位于骨基质内，其余三种细胞均位于骨组织的 边缘）
骨基质： 大量钙化的细胞间质 。
（基质含有大量的固体无机盐——羟基磷灰石晶体71.8%，有 机质——粘多糖蛋白28.2%）
骨纤维： 骨胶原纤维
（分层 交叉）
人体共有206块骨，依所在部位可分为: 颅骨、躯干骨和四肢骨。
按其形状可分为： 长骨，呈管状 如胫骨、股骨； 短骨，类正方体 承压有能动 如腕骨、跗骨； 扁骨，呈板状 如颅骨中的枕骨、顶骨； 不规则骨，如椎骨。
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这些形状不同的骨， 是长期自然演变的结 果，它符合最优化原 则，即用最小的结构 材料承受最大的外力， 同时还具有良好的功 能适应性。