关节软骨的生物力学特性(课堂PPT)

• 关节软骨是一种十分特殊的组织，在一般
人的寿命期内都可以无损地承担高负荷关
节运动。
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• 但从生理学的角度上 看，关节软骨实际上 是一种孤立的组织， 没有单独的血液和淋 巴供应。它主要依赖 软骨下骨组织提供软 骨 下 部 近 1/3 的 血 供 ， 其余依赖滑膜周围毛 细血管的渗入。
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动关节的关节软骨的功能
• 糖蛋白有一特殊部分与胶原密切相连，并把胶原 纤维结合到一起。
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一个蛋白多糖大分子的简图
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洗瓶刷模型
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软骨细胞和水分
软骨细胞
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软骨各成分间结构上的相互作用
• 硫酸软骨素与硫酸角质素链上相距很近的硫 酸基和羧基团离子在生理PH溶液中被拉开， 留下了高浓度的固定负电荷产生分子内与分 子间的强电荷-电荷排斥力，使组织内保持一 种挺而伸展的状态。
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动关节的润滑作用机制
• 软骨的近似无摩擦属性与人造材料不同。 用于解释刚性非渗透性材料（如钢铁）的 润滑作用的经典理论不能完全解释动关节 的润滑作用机制。
• 例如，当承受材料是非刚性的，而是相对 柔软的，如关节表面所覆盖的关节软骨， 会产生液膜润滑的动态流体滑膜模型与挤 压润滑模型的不同。
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胶原纤维
• 是体内含量最丰富的 蛋白。
• 高度结构性的组织， 可形成最佳的力学性 能。
• 胶原为关节软骨提供 一种纤维状超微结构， 这种胶原网和多水的 糖蛋白一起，共同抵 抗关节的应力和应变。
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蛋白多糖
• 蛋白多糖是一种蛋白多糖大分子,由核心蛋白附着 了一个或多个粘多糖（硫酸角质素与硫酸软骨素） 组成。
关节软骨的生物力学特性
一、软骨 (cartilage)
软骨细胞
软骨组织 基质
软骨
纤维
软骨膜
胶原原纤维 透明软骨 弹性纤维 弹性软骨 胶原纤维 纤维软骨
➢特性：软骨组织是一种固态结缔组织，略 有弹性，内无血管、淋巴管和神经。
➢功能：支持、保护。 ➢分类：根据所含纤维的不同，软骨可分为
透明软骨、纤维软骨和弹性软骨。
(一)、透明软骨(hyaline cartilage)
➢分布 • 关节、肋软骨、呼吸道等部位。
➢特点 • 新鲜时呈透明状，较脆，易折断。
透
胶原原纤维
明
软
骨
（二）、纤维软骨(fibrous cartilage) ➢分布
– 椎间盘、关节盘、耻骨联合面等。 ➢结构
▪ 软骨基质内胶原纤维丰富。 ▪ 肉眼观察此类软骨呈乳白色。
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• 如足球运动员的膝关节， 芭蕾舞演员的踝关节等。
• 骨关节病也可以继发于胶 原蛋白-糖蛋白基质的分 子或微观结构损伤，如类 风湿性关节炎等。
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Have a rest!
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液膜润滑
• 是一薄层的液膜将表面与表面分开，加载 时液膜内产生压力支持载荷。
• 液膜润滑的两种典型模型：工程学上定义 为动态流体与挤压液膜润滑。这些模型应 用于刚性承载面由相对不变形材料组成， 如不锈钢。
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动态流体
• 动态流体润滑常发生 于液膜润滑的不平行 的刚性承重表面，彼 此相对切线运动（即 彼此滑动），间隙内 液体形成楔状。
• 当软骨面受力时，可发生瞬间变形，这主要 是糖蛋白区的形状改变所致，这种外加的应 力使软骨基质中的内压超过了膨胀压，引起 液体从组织中外流。
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软骨各成分间结构上的相互作用
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软骨各成分间结构上的相互作用
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关节软骨的生物学性质
• 渗透性 • 蠕变反应 • 润滑
• 其主要功能是： • ① 分散压力。关节软
骨受压时提供较大的 接触面以降低其上的 压力
• ② 关节面做动作时减 少摩擦力，降低磨损。
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关节软骨的组成成分
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关节软骨层结构的简要图解
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关节软骨的组成成分
胶原纤维 蛋白多糖 软骨细胞 水分
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显微镜下的关节软骨
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• 相对柔软的表面承受滑动（动态流体）或 挤压液膜作用，且液膜内的压力使得表面 明显变形，这时的锐化称为弹性动态流体 润滑。
• 这样的润滑增大了表面面积和一致性，改 善了膜的几何性质。承载接触面积的增大 减少润滑剂从承载面之间流走，形成持续 较长时间的润滑剂膜，从而关节的应力降 低而更持久。
胶
纤
原
维
纤
软
维
骨
（三）弹性软骨(elastic cartilage) ➢分布
耳廓、外耳道、咽鼓管、会厌等。 ➢结构
▪ 软骨基质内弹性纤维丰富。 ▪ 肉眼观察此类软骨呈黄色。
弹
弹性纤维
性
软
骨
二、关节软骨
• 人体的关节分为纤维状关节、软骨质关节 和滑膜关节三种类型。
• 其中，仅滑膜关节亦称为动关节，允许较 大幅度的活动。在正常年轻关节内，动关 节的关节骨末端覆盖了一层厚1-6mm、致 密且透明的白色结缔组织，称为透明关节 软骨。
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关节软骨的生物学性质
• 渗透性
– 表示液体流过多孔物质的固体基质时的摩擦阻 力。
– 渗透性越低，承载时液体流动阻力越大。与普 通海绵的渗透性相比，健康软骨的渗透性是很 小的。随着压力和变形的增加，健康关节软骨 的渗透性大大降低。因此，关节软骨具有一个 机械反馈调节机制，阻止组织间液完全流出。
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软骨变性的生物力学
• 关节软骨的修复和再生能力有限，如果承 受应力太大，可能很快发生完全破坏。
– 高接触压力会减少液膜润滑的可能性。 – 固体表面凹凸不平点的接触，可引起显微应力
点的集中，使这些关节面材料发生磨损。
• 关节总载荷频率和数量的增加，可以解释 为什么某些职业的人员关节变性的发生率 高。
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• 软骨的蠕变反应
一个恒定的载荷瞬间 施加于关节上，在载 荷的作用下，软骨的 压缩变形连续增加， 直至获得一个平稳状 态或近似值，这就是 “蠕变”。
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百度文库 蠕变
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界面润滑
• 润滑：界面润滑和液膜润滑
– 界面润滑是依靠单层润滑剂分子化学吸附到接触的固 体面上。作相对运动时，承载面受到互相滑动的润滑 剂分子保护，防止因表面粗糙发生的粘合和磨损。
• 由于承载运动吸引液 体进入表面间的楔状 间隙，流体粘性产生 一个支撑力。
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挤压液膜
• 发生于承载表面彼此垂直运动 ，流体的粘性抵抗力起到阻止 流体从间隙中溢出，且形成液 膜，生成支撑力。
• 在短时间内，挤压液膜机制足 以承受高负载，但是，液膜最 终会变得很薄，使得两个承受 面的凸起部分（定点）接触。