生物力学 骨力学
骨生物力学(4学时)
（ occupation ）、健康保健（ health maintenance ）
和医生对病人治疗（medical patient care）方面的应
用被很好的认识并且有高度的有效性和实用性。
骨骼生物力学是生物力学的重要分支,尽管骨力学的 研究已有上百年的历史，但至今仍有许多问题处于 有待深入研究的状态。
绪论绪论骨力学与骨伤科疾病的关系骨力学与骨伤科疾病的关系骨材料的力学特性骨材料的力学特性及其实验研究方法及其实验研究方法骨质疏松症骨质疏松症骨折治疗与临床应用骨折治疗与临床应用绪论绪论骨力学与骨伤科疾病的关系骨力学与骨伤科疾病的关系骨材料的力学特性骨材料的力学特性及其实验研究方法及其实验研究方法骨质疏松症骨质疏松症骨折治疗与临床应用骨折治疗与临床应用骨骼生物力学的临床应用举例第一节绪论第一节绪论一一
de Vinci, Vesalius Galileo, Borelli Newton, Harvey Marey, Stenonivs, Bell, Duchenne, etc.
（3）分析时期(Analysis Period)
从1850年到1930年,这是一个用理论和实验方法对人类和动物骨骼肌肉 系统进行广范分析的时期。俄国、德国和法国各专业学派均致力于这方 面的研究，他们主要是从基础科学的观点结合有限的医学应用进行研究。 由德国的Wolff和Roux、美国的Koch和几个其他的研究者建立了各种有 关于骨骼结构与其负力功能之间的相关性理论。丹麦的Stenonis进行了 类似骨骼而与肌肉相关的研究。Bernstein在1926年出版了他的有关 “生物力学”的论文，文中对长骨、下肢及颞下颌关节负荷力及人类步 态分析进行了大量研究。尽管这些以肌肉骨骼生物力学为主题的理论研 究是非常重要而具革命性，但这些研究在这个时期面临各种困难，主要 是因为欧美各国正面临如火如荼的工业革命期间，它吸引了众多科学和 工程方面的人才并用尽了所有的研究发展投资的基金。医疗和生物研究 与应用也受到同样的影响，因为大多数的医师随着无菌技术的进展和麻
骨骼的生物力学
骨骼模型在人体工程学、康复医学、假肢设计等领域有广泛应用， 为相关研究和产品设计提供依据。
骨骼模型的验证与优化
通过实验数据验证模型的准确性和可靠性，并根据实际需求对模型 进行优化和改进。
假肢设计的生物力学基础
假肢设计的需求分析
01
了解截肢者的功能需求和身体状况，为个性化假肢设计提供依
高精度测量技术
研发高精度、非侵入性的测量 技术，用于实时监测骨骼的力
学状态和变化。
创新实验方法
发展新型实验方法，模拟人体 骨骼在不同生理和病理状态下 的力学行为。
数据处理与分析
建立高效的数据处理和分析方 法，处理大规模的生物力学数 据，挖掘其中有价值的规律和 信息。
伦理与法律问题
关注骨骼生物力学研究中的伦 理和法律问题，确保研究的合
据。
假肢的生物力学特性
02Байду номын сангаас
研究假肢与人体骨骼、肌肉和神经系统的相互作用机制，确保
假肢能够实现自然、舒适和高效的运动。
假肢材料与工艺
03
选择合适的材料和工艺制作假肢，确保其耐用性和功能性，同
时考虑成本和美观因素。
05
骨骼生物力学的未来发展
骨骼生物力学的跨学科研究
生物学与医学
深入研究骨骼生物力学与生物学、 医学的交叉领域，探索骨骼生长、
分类
根据部位可分为颅骨、躯干骨和四肢 骨。
结构
骨骼由骨皮质和骨松质组成，内部有 骨髓腔和血管、神经等通道。
骨骼的生长与发育
生长
骨骼通过骨细胞不断增生和骨化，使骨骼逐渐增粗和变硬。
发育
骨骼的发育与生长激素、甲状腺激素等激素有关，同时受到 遗传因素的影响。
生物力学中的力学模型研究
生物力学中的力学模型研究生物力学是研究生物体运动和力学原理的学科。
在生物力学领域中，力学模型的研究是一项重要的任务，它可以帮助人们更好地理解生物体的运动和力学特性。
本文将深入探讨生物力学中的力学模型研究，并介绍一些典型的力学模型。
一、生物力学的发展与应用生物力学作为跨学科的领域，源于对生物体运动和机制的探索。
它综合运用物理学、力学、工程学等多学科的知识，研究生物体的运动规律和力学特性。
生物力学的发展在医学、运动训练、健康管理等领域具有广泛的应用。
二、力学模型的作用与意义力学模型是生物力学研究的基础，它可以通过一系列的假设和推理，模拟生物体的运动和力学过程。
力学模型的建立可以帮助研究人员更好地理解生物体的运动规律和力学特性，为相关疾病的防治提供科学依据。
三、典型的力学模型研究1. 骨骼力学模型骨骼力学模型是生物力学中的重要研究方向。
它通过建立骨骼系统的力学模型，分析人体骨骼在运动和负载条件下的力学响应。
骨骼力学模型的研究可以为骨科手术、骨折康复等提供理论依据。
2. 肌肉力学模型肌肉力学模型是研究生物体肌肉运动的重要手段。
它通过建立肌肉的力学模型，探索肌肉在运动中的力学原理和力学特性。
肌肉力学模型的研究对于理解运动机制、改进运动训练等方面具有重要意义。
3. 关节力学模型关节力学模型是研究人体关节运动和力学特性的重要工具。
它通过建立关节体系的力学模型，模拟关节在运动中的力学变化。
关节力学模型的研究对于临床诊断、康复训练等方面有着重要的应用价值。
四、力学模型的研究方法1. 实验测量法实验测量法是力学模型研究的重要手段。
通过使用传感器和测量仪器，对生物体的运动和力学参数进行实时监测和测量。
实验测量法可以提供真实的数据支持，从而帮助研究人员更准确地建立力学模型。
2. 数值模拟法数值模拟法是力学模型研究的一种重要方法。
通过建立数学模型、运用数值计算方法，对生物体的运动和力学过程进行仿真模拟。
数值模拟法可以快速得到结果，为力学模型的建立和优化提供参考。
骨的力学性质实验：弯曲与压缩
三点弯曲实验示意图
压缩实验的骨试样较小，例如，长方体试样长为5mm，横截面为1mm x1.3mm。
若是新鲜或湿骨试样置于生理盐水中，进行拉伸或压缩实验。
压缩力在骨内产生压应力和压应变，骨受压缩后缩短，压应变为负值。
松质骨的拉压性能远差于密质骨。
骨的拉伸、压缩力学性质受到性别、年龄、取材、部位和方向、骨的状态（干或湿骨）、加载速度等因素的影响，在某一范围变化，且骨的抗拉强度低于抗压强度。
骨的拉伸和压缩力学性质随着年龄和性别的不同而不同。
下图是男女股骨和肱骨强度极限随年龄的变化图：
从图中可以看出，除女性15~19岁年龄组外，不同性别的骨骼的平均作用强度极限随年龄增大显著减小（10%），极限应变显著减小（35%）。
最大力 矩形试样抗弯强度σbb 矩形试样弯曲弹性模量Eb 矩形试样弯曲弹性模量Eb 单位 N
MPa
MPa MPa 试样1 439.526 32.582 1431.2173 1431.2173 平均值
439.526 32.582
1431.2173 1431.2173 标准偏差(n) 0.000
0.000
0.0000
0.0000
骨头压缩实验数据：试样高度h:13.04mm ，样品直径d ：11.5mm
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0510152025
303540应力/δ
应变/ε
骨头应力—应变曲线图。
骨科生物力学试题及答案
骨科生物力学试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 骨科生物力学主要研究的是（）。
A. 骨骼的形态学B. 骨骼的生物力学特性C. 骨骼的生物化学特性D. 骨骼的细胞学特性答案：B2. 骨折愈合过程中，下列哪项不是影响因素（）。
A. 骨折类型B. 骨折部位C. 患者年龄D. 骨折部位的血液供应答案：D3. 骨折的生物力学分类中，不包括以下哪项（）。
A. 简单骨折B. 复杂骨折C. 闭合性骨折D. 开放性骨折答案：B4. 下列哪项不是骨折固定的原则（）。
A. 保持骨折端的稳定B. 允许骨折端的微动C. 保护骨折周围的软组织D. 尽快恢复骨折部位的功能答案：B5. 骨折愈合过程中，下列哪项不是骨痂形成的标志（）。
A. 骨折端的血肿形成B. 骨折端的软骨形成C. 骨折端的骨膜增生D. 骨折端的骨痂形成答案：B6. 骨折愈合的第二阶段是（）。
A. 血肿机化期B. 骨痂形成期C. 软骨内骨化期D. 骨性骨痂形成期答案：B7. 骨折愈合过程中，下列哪项不是骨痂形成的标志（）。
A. 骨折端的血肿形成B. 骨折端的软骨形成C. 骨折端的骨膜增生D. 骨折端的骨痂形成答案：B8. 骨折愈合过程中，下列哪项不是影响因素（）。
A. 骨折类型B. 骨折部位C. 患者年龄D. 骨折部位的血液供应答案：D9. 骨折的生物力学分类中，不包括以下哪项（）。
A. 简单骨折B. 复杂骨折C. 闭合性骨折D. 开放性骨折答案：B10. 下列哪项不是骨折固定的原则（）。
A. 保持骨折端的稳定B. 允许骨折端的微动C. 保护骨折周围的软组织D. 尽快恢复骨折部位的功能答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分）1. 骨科生物力学研究的内容包括（）。
A. 骨骼的生物力学特性B. 骨骼的生物化学特性C. 骨骼的细胞学特性D. 骨骼的形态学E. 骨骼的生物力学模型答案：A, C, D, E2. 骨折愈合过程中的影响因素包括（）。
A. 骨折类型B. 骨折部位C. 患者年龄D. 骨折部位的血液供应E. 患者的营养状况答案：A, B, C, D, E3. 骨折的生物力学分类包括（）。
骨科生物力学
抗张性
骨骼能够抵抗拉伸和扭曲 力，保持身体的完整性和 运动能力。
弹性
骨骼具有一定的弹性，能 够在一定程度上吸收和分 散外力，减少损伤。
骨骼的生物力学模型
有限元分析
通过将骨骼划分为有限个元素，并分 析这些元素在各种外力作用下的反应， 可以预测骨骼在各种情况下的行为。
生物力学实验
数值模拟
利用计算机技术模拟骨骼在各种外力 作用下的行为，可以预测骨骼在不同 情况下的响应，为骨科疾病的诊断和 治疗提供依据。
通过实验方法测量骨骼在不同外力作 用下的响应，可以了解骨骼的实际生 物力学特性。
03
关节的生物力学特性
关节的结构与功能
总结词
关节的结构与功能是相互关联的，其结构决定了其功能，而功能的需求又会影 响其结构的发展。
详细描述
关节的结构复杂，包括骨骼、软骨、韧带、肌肉等组织，这些组织协同工作， 使关节能够进行各种运动。关节的功能主要包括运动、支撑和缓冲等。
运动医学
骨科生物力学在运动医学领域的应用主要涉及运动损伤的 预防和治疗，如肌肉拉伤、韧带撕裂、骨折等。
康复工程
在康复工程中，骨科生物力学可以帮助设计康复训练设备 ，制定康复治疗方案，提高康复效果。
骨关节炎治疗
骨科生物力学可以帮助理解骨关节炎的发病机制，为骨关 节炎的治疗提供理论支持和实践指导。
骨科生物力学的发展历程
位。
应力分散
内固定物应能够分散骨折部位的应 力，降低局部应力集中，减少骨折 端的活动。
材料选择
内固定物的材料应具备足够的强度 和耐久性，能够承受骨折愈合过程 中的生理应力。
外固定物的生物力学原理
稳定性
外固定物应提供足够的稳定性， 保持骨折部位的固定和位置。
人体生物力学分析人体骨骼肌肉系统的运动特性
人體生物力學分析人體骨骼肌肉系統的運動特性人体生物力学分析人体骨骼肌肉系统的运动特性人体生物力学是一门研究人体结构与功能之间相互关系的学科，它通过运用物理学和工程学原理，分析和评估人体在各种运动状态下的运动特性。
在人体运动过程中，骨骼和肌肉系统起着重要的作用，其结构和功能对于人体的运动表现具有重要影响。
本文将以人体生物力学的视角，对人体骨骼肌肉系统的运动特性进行深入分析。
一、骨骼系统骨骼系统是人体结构的基础，由骨骼和关节组成。
骨骼具有支撑和保护内脏器官的功能，同时也为肌肉运动提供支撑和固定点。
运动过程中，骨骼通过关节的活动，使身体的各个部位能够协调运动。
二、肌肉系统肌肉系统由肌肉和肌腱组成，是人体力量和动作的主要来源。
肌肉通过肌腱与骨骼相连接，通过收缩和放松来实现骨骼的运动。
肌肉的主要功能包括产生力量、维持身体姿势、稳定关节和调节身体的运动。
三、人体运动特性的测量方法为了分析人体骨骼肌肉系统的运动特性，研究者们采用了多种测量方法。
其中包括：1.运动学：通过测量身体不同部位的位置和角度的变化，来研究运动的过程和特性。
运动学可以提供运动的轨迹、速度和加速度等信息。
2.动力学：通过测量外界施加在身体上的力和人体做出的反作用力，来研究运动的动力学特性。
动力学可以提供力和力矩等信息，用于分析运动过程中的力学变化。
3.电生理学：通过测量神经和肌肉的电活动，来研究肌肉收缩和神经控制的特性。
电生理学可以提供肌肉的激活和疲劳状态等信息。
四、人体骨骼肌肉系统的运动特性1.力学特性：人体骨骼肌肉系统的运动特性受到肌肉的力量和韧性的影响。
肌肉产生的力量决定了人体的运动能力，而肌肉的韧性则决定了人体的柔韧性和弹性。
力学特性的测量可以通过力平台和力传感器实现。
2.运动的稳定性：人体运动过程中，骨骼肌肉系统需要保持稳定性以避免受伤。
稳定性的测量可以通过加速度计和陀螺仪等设备实现。
3.动作的协调性：人体运动需要各个部位的协调配合才能完成复杂的动作。
骨骼肌肉生物力学一般知识
骨骼肌肉系统生物力学一般知识一、骨骼生物力学（一）一般知识骨骼系统是人体重要的力学支柱，不仅承受着各种载荷，还为肌肉提供可靠的动力联系和附着点。
骨组织主要由骨细胞、有机纤维、粘蛋白、无机结晶体和水组成。
其生物活性来源于骨细胞。
胶原纤维借助粘蛋白的结合形成网状支架，微小的羟磷灰石晶粒充填于网状支架并牢固的附着与纤维表面，这种结构具有较好的弹性和韧性，还具有较大的强度和刚度，胶原平行有序排列并与基质结成片状骨板，是形成密质骨的单元。
胶原与基质粘附交错无序则形成棒状骨小梁，是形成疏质骨的单元。
其力学性质受人的年龄、性别、部位等因素影响。
骨的变形以弯曲和扭转最为常见，弯曲是沿特定方向上连续变化的线应变的分布，扭转是沿特定方向上的角应变的连续变化。
骨骼的层状结构充分发挥了其力学性能。
（二）应力对骨生长的作用应力刺激对骨的强度和功能的维持有积极的意义，骨是再生和修复的生物活性材料，有机体内的骨处于增值和再吸收两种相反过程中，此过程受很多因素的影响，如应力、年龄、性别以及某些激素水平，但应力是比较重要的因素。
研究表明，骨胳都有其适宜的应力范围，应力过高或过低都会使其吸收加快。
一般认为，机械应力对骨组织是有效地刺激。
骨的力学特性是由其物质组成、骨量、和几何结构1决定的，当面临机械应力刺激时，常常出现适应性的变化，否则将会发生骨折。
负重对维持骨小梁的连续性、提高交叉区面积起积极作用施加于骨组织上的机械应力可引起骨骼的变形，这种变形导致成骨细胞活性增加，破骨细胞活性抑制。
如瘫痪的患者，骨胳长期缺乏肌肉运动的应力作用，使骨吸收加快，产生骨质疏松。
另外，失重也可造成骨钙丢失。
骨的重建是骨对应力的适应，骨在需要应力的部位生长，在不需要的部位吸收。
制动或活动减少时，骨缺乏应力刺激而出现骨膜下骨质吸收，骨的强度降低。
相反，反复承受高应力的作用，可引起骨膜下的骨质增生。
二、肌肉的生物力学（一）肌肉的分型骨骼肌按其在运动中的作用不同，分为原动肌、拮抗肌、固定肌和协同肌。
骨伤科生物力学
骨伤科生物力学骨伤科生物力学是研究人体骨骼系统在运动中的力学特性和力学变化规律的学科。
它结合了生物学和力学的原理，通过研究骨骼系统的力学行为，可以帮助医生更好地理解和治疗骨伤疾病。
一、骨骼系统的力学特性骨骼系统是人体的支撑结构，能够承受来自外部的力和负载。
骨骼系统的力学特性包括骨骼的刚度、强度和韧性。
1. 刚度：骨骼的刚度是指骨骼对外部力的抵抗能力。
刚度越大，骨骼对外力的变形程度越小。
骨骼的刚度主要由骨组织的弹性模量决定，不同骨骼部位的刚度也不同。
2. 强度：骨骼的强度是指骨骼能够承受的最大力。
强度与骨骼的结构和组织密切相关，骨骼中的骨小梁和骨小片是承受压力和拉力的主要部位，它们的数量和分布对骨骼的强度起着重要作用。
3. 韧性：骨骼的韧性是指骨骼对外部冲击或震动的抵抗能力。
韧性主要由骨骼的韧带和骨骼间负责缓冲和吸收冲击力的软骨组织共同作用。
二、生物力学在骨伤科中的应用生物力学研究的目标是通过分析骨骼系统的力学行为，为骨伤科的临床实践提供理论依据和技术支持。
1. 骨折修复：生物力学可以帮助医生了解骨折过程中骨骼的应力和应变变化，通过设计适当的外固定装置或内固定器材来促进骨折的愈合。
此外，生物力学还可以评估不同修复方法的效果，并优化治疗方案。
2. 关节置换：生物力学可以评估关节置换术的效果和潜在的机械问题，为手术方案的选择和术后康复提供指导。
通过模拟和分析关节的力学行为，可以预测人工关节的寿命和功能，进一步优化关节置换手术的效果。
3. 运动损伤预防：生物力学可以分析运动时骨骼系统的负荷分布和运动方式，帮助预防运动损伤的发生。
通过评估运动员的运动技术和姿势，可以提出相应的建议和指导，减少运动伤害的风险。
4. 功能评估和康复训练：生物力学可以通过运动分析和力学测量来评估患者的骨骼功能，并设计个性化的康复训练方案。
通过监测康复过程中的力学变化，可以及时调整康复计划，提高康复效果。
三、发展趋势和挑战随着科技的进步和研究的深入，骨伤科生物力学面临着新的机遇和挑战。
骨骼生物力学
1.AO原则 （Arbeit Fuer Osteoosynthese ）
• a.骨折的复位与重建 • b.（牢固）---稳定的固定和骨折块间的加压 • c.无创或微创手术，尽可能保留骨折端的血
液供应 • d.早期功能锻炼
• AO派的理论对骨折内固定技术的发展起到 了一定的推动作用，改变了过去使用夹板、 钢丝、普通钢板等的非坚固内固定方法， 动力加压钢板等坚固内固定技术被越来越 多的采用
b.点状接触钢板（Pc-Fix）
• 钢板与固定骨仅以点状接触。
c.非接触钢板（NCP）
• 置于骨旁，皮下或皮外，螺钉近似于螺杆 呈正方形平台，而无螺帽。
d.桥接钢板（bridging platie）
• 严重粉碎的骨干骨折或确有缺损者，用桥 接钢板固定，主要是维持其长度和对线。
e.锁定钢板
• 锁钉钢板临床常用于： 1.干骺端骨折 2.骨质疏松骨折 3.微创技术 临床上又根据锁定板的特点提出了：长钢 板，少螺钉的固定理念。
3.软骨特性
• (1)负荷变形， • (2)张力 • (3)磨损：易疲劳性材料
骨折治疗的生物力学
• 接骨术必须符合生物学和力学原则：（1） 血供；（2）维持骨的生理和力学环境
• 理想的骨折固定方法应符合弹性固定原则， 使骨折间隙具有一定主动或被动的可操作 性，从而有利于重复初始骨痂反应。
• 一定的活动量和骨折愈合并不矛盾。
• 体现了BO新概念。
（3)外固定支架
（4）髓内钉固定 intra medullary rod medullary nail
（5）微创内固定系统
• (Less Invasive Stabilization System，LISS) • 是AO基于微创外科的原则，吸取交锁髓内
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、关节、肌肉的生物力学
骨、关节、肌肉的生物力学第一节骨的生物力学人体共有206块骨，其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。
骨的外部形态和内部结构不论是从解剖学还是生物力学的角度来看，都是十分复杂的。
这种复杂性是由骨的功能适应性所决定的。
骨的功能适应性，是指对所担负工作的适应能力。
从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。
它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。
一、骨的生物力学特征（一）骨对外力作用的反应1．骨对简单（单纯）外力作用的反应（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。
例，单杠悬垂时上肢骨的受力。
（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。
例，举重举起后上肢和下肢骨的受力。
（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。
在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。
在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。
例，负重弯举（杠铃）时前臂的受力。
（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势（图3-1），在骨骼内部的剪切面产生剪应力。
例，人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。
（5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。
例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。
2．骨对复合（实际）外力作用的反应在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷。
复合载荷即是同时受到上述两个或两个以上的载荷作用（分别以人行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力为例）。
（二）骨结构的生物力学特征骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重量最轻的结构。
生物力学重点
骨力学：以骨骼为研究对象，研究骨组织在负荷作用下的力学特性和变化规律的学科Wolff定律（骨转化定律）：骨的功能的每一改变，都按照数学法则，以某一定的方式来改变其内部结构和外部形态。
即骨的外部形态和内部结构反应了其功能。
物体的重力和重量不同1）物体的重量是物体对它所处表面的压力或拉力，是物体施加于其它物体的力2）物体的重力是物体本身所受的地球的吸引力3）当物体相对地球静止时，其重力和重量的大小相等。
骨重建：活体骨不断进行生长、加强和再吸收过程称之为骨重建。
活体骨重建的目标是：骨使其总的结构适应于其载荷环境的变化。
弹性形变：外力撤出后，物体能恢复原来形状的形变塑性形变：外力撤出后，物体不能完全恢复原来的形状，这种形变称为塑性变形。
蠕变现象：对黏弹体物质施加恒定外力时，开始有一迅速的较大的应变，随后有意缓慢的逐渐增加的应变过程，直到有恒定应变量的平衡状态。
撤去外力时，如果材料是黏弹性固体材料，则变形会完全消失，材料最终会完全复原；若材料是黏弹性流体材料，则材料最终不会完全复原，还会有变形存在。
力系：力学上，把作用在物体上的若干力的集合称为力系。
压力骨小梁：起自股骨干上端内侧骨皮质，向股骨颈上侧放射状分布止于股骨头外上方1/4软骨下方张力骨小梁：起自股骨颈外侧皮质，沿股骨颈外侧上行与压力骨小梁交叉，止于股骨头内下方1/4处软骨下方Ward三角：压力骨小梁和张力骨小梁在股骨颈交叉部位形成的脆弱的区域。
股骨矩：位于股骨颈、干连接部后内方，小粗隆深部多层致密骨形成的纵行骨板，向内下与小粗隆下方的股骨干后内侧皮质相融合，向上与股骨颈内后侧骨皮质相衔接。
生物力学意义：是股骨上段负重系统的重要组成部分加强了颈干部承受压应力的能力内固定原则1、解剖复位，如有骨缺损一定要植骨后固定2、内固定要有足够的强度和刚度，又不能有太大的轴向应力遮挡3、允许早起功能活动4、胫骨外侧入路，钢板放在胫骨外侧5、充分进行引流，必要时进行持续闭式引流冲洗，避免感染骨折内固定材料要求：1、生物相容性好，无毒副作用2、良好的韧性、强度、刚度和抗疲劳性3、与骨折愈合同步降解吸收4、便于消毒，不变形、变性、变质5、轻便、廉价、可塑性好，易加工加压接骨板遵照的原则：1）置于骨折张力侧2）加压适度：两断端间紧密全面接触即可，过度会引起钉对侧皮质分离3）按长骨生理弯曲度预弯接骨板，防止对侧皮质间分离4）长斜行骨折用加压接骨板固定是，骨折线可产生剪切应力，骨折断端加压时发生相对滑移，为避免滑移，将接骨板置于既能支持稳定，又能加压的适当的位置。
骨骼的生物力学
*骨的载荷 *（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。
* 持续载荷对骨也会产生一定的影响。 * 即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织会
* 2）骨的刚度 是指骨具有足够的抵抗变形的能力。
*
在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变 形过大，往往会影响骨结构与功能。
* 骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示
* 影响骨强度与刚度的因素有：
* ①.压应力――肌收缩时所产生的压应力能防止拉
伸骨折的发生；
* ②.骨的大小和形状――骨的横截面积的大小及骨
* 往往会产生剪切骨折。
* 其骨折通常见于骨松质，如股骨髁和胫骨平台骨折。
*
* 4.骨受弯曲载荷所致的骨折
*
当骨骼的弯曲载荷承受极限超出外力的突然袭击时，造成拉应力大于压应力，发生骨组织的弯曲断
裂。
*前臂和手的生物力学模型 *举物时腰部生物力学模型
*身体各部舒适姿势的调节范围
* 一、骨的承载能力
衡量骨承载能力的三要素： 第一，要求骨有足够的强度。
即指骨在承载负荷的情况 下抵抗破坏的能力。
第二，要求骨有足够的刚度。
即指骨在外力作用下抵抗 变形的能力。
第三，要求骨有足够的稳定性。
即指骨保持原有平衡形态 的能力。
产生缓慢变形或蠕变。
* 在加载后的最初数小时（6～8小时），其蠕变现
象最显著，随后蠕变的速率则会降低。
* 一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是
拉力、剪切力和扭转力。
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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。