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骨生物力學,1,第一節(jié)：生物力學概念,人體活動對骨骼的三種力 1 作用于骨的外力 2 肌肉收縮和韌帶的張力對骨骼的內(nèi)力 3 骨的內(nèi)反應(yīng)力（負荷）,2,,力—負荷 作用于骨骼可使骨發(fā)生形變 微觀—顯微骨折—青枝骨折—骨折 骨折因素：1.力的大小方向面積和幾何學。 2.骨的材料特性。,3,1.應(yīng)力和應(yīng)變,應(yīng)力：骨骼某點內(nèi)力的強度，單位面積所 受的力 應(yīng)變：骨骼受力時，其內(nèi)部任何一點發(fā)生 變形，稱為該點的應(yīng)變。,4,兩種應(yīng)力：,正常應(yīng)力：垂直于所給平面的單位面積的 力（使立方體前面變薄變長） 剪式應(yīng)力：平行于所給平面的單位面積的 力（使立方體變?yōu)槠叫辛骟w）,5,,6,2.拉力和壓力,骨骼系統(tǒng)的特點 幾何學復(fù)雜：管狀骨、不規(guī)則骨、扁骨等 力的類型復(fù)雜 應(yīng)力和應(yīng)變復(fù)雜,7,,屈服(失控) ： 應(yīng)力達到某一點時，提示骨小梁斷裂開始（屈服用Y點），且持續(xù)時間較長，骨小梁斷裂逐漸增多（極限用U點）。 材料的硬度：彈性模量（應(yīng)力比應(yīng)變） 拉力和壓力作用于棒產(chǎn)生45°剪應(yīng)力。,8,,9,3.彎曲 （長管狀骨）,1.純彎曲：凹側(cè)- 壓應(yīng)變（力），凸側(cè)- 張 應(yīng)變（力），中位軸-應(yīng)變（力）為0. 壓力點(橫切面)不會產(chǎn)生剪式應(yīng)力 2.三點彎曲：骨骼受力較常見.兩端支撐，對側(cè)受力。（受力點：彎矩） 應(yīng)力點(橫切面)會產(chǎn)生剪式應(yīng)力,10,4.彎曲聯(lián)合軸向負荷,長管狀骨 受兩方向外力壓力負荷 彎曲負荷—側(cè)張應(yīng)力 側(cè)壓應(yīng)力 壓力+彎曲=聯(lián)合負荷（常見）,11,5.扭轉(zhuǎn),長管狀骨 不規(guī)則骨 扭轉(zhuǎn) 剪性應(yīng)變 橫向及縱向剪性應(yīng)變 聯(lián)合剪性應(yīng)力 骨折方向：斜形或螺旋形,12,第二節(jié)：骨與關(guān)節(jié)軟骨的生物力學,骨組織材料特性 硬組織 應(yīng)力--應(yīng)變關(guān)系 骨折—取決于其材料特性 骨成分：基質(zhì) 膠原—骨小梁 結(jié)構(gòu) ：皮質(zhì)骨（骨干）（骨孔5%-30%），松質(zhì)骨（骨端）（骨孔30%-90%）,13,1.骨皮質(zhì),骨皮質(zhì) 其材料特性取決于骨組織負荷或變形率。 骨皮質(zhì)快速受力較緩慢受力吸收的能量大。 骨組織應(yīng)力-應(yīng)變特征：骨皮質(zhì)縱向骨小梁排列比橫向強度大，硬度也較強。（長骨長軸比橫軸更對抗應(yīng)力）,14,,應(yīng)變率 表示骨受力過程中變形迅速的程度 （單位/S） 如 正常骨 低于0.01/S 骨折瞬間 超過10.0/S,15,2.拉力、壓力和剪力,骨皮質(zhì)的拉力、壓力和剪力 與工程材料相似，骨皮質(zhì)有一定范圍的彈性變形能力 骨組織材料極限強度取決于負荷類型和承受負荷的方向。 負荷作用下 拉力及壓力超過彈性變形范圍 發(fā)生骨折,16,不同載荷造成的骨折類型 拉力 壓力 旋轉(zhuǎn) 彎曲 壓力,,,,,,,,,,,,,,,,,,,17,成人股骨骨皮質(zhì)極限程度,負荷類型 極限程度（MPa） 縱向 拉力 133 壓力 193 剪力（縱向扭轉(zhuǎn)） 68 橫向 拉力 51 壓力 133,,,18,3.骨松質(zhì),骨松質(zhì)：多孔 硬度較皮質(zhì)骨差 屈服：當應(yīng)力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當應(yīng)力達到一定程度，塑性應(yīng)變急劇增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。,19,,屈服 ： 提示骨小梁斷裂開始，且持續(xù)時間較 長。骨小梁斷裂逐漸增多。 骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)標本負荷應(yīng)變水平在0.036和0.5時有能量吸收現(xiàn)象，骨松質(zhì)能量吸收超過骨皮質(zhì)。,20,4.關(guān)節(jié)軟骨的生物力學,關(guān)節(jié)軟骨功能：1.減少接觸應(yīng)力 2.潤滑,21,4.1 軟骨的負荷變形,軟骨的負荷變形 軟骨承受負荷時，發(fā)生瞬間變形 蠕動期（負荷恒定，壓痕增加） 去除負荷，恢復(fù)原形。 關(guān)節(jié)軟骨承受負荷2分鐘內(nèi)發(fā)生變形，去除負荷，90%可瞬間恢復(fù)。 軟骨的滲透性很低，通過壓力梯度和擠壓滲透。機械反芻調(diào)節(jié)機制,22,4.2 軟骨的張力特性,軟骨主要抗張力成分----膠原纖維 （軟骨張力硬度取決于膠原纖維含量多少和排列次序） 張力繼發(fā)于壓力 軟骨表面膠原纖維的主要排列方向與壓力垂直關(guān)節(jié)產(chǎn)生的最大表面張力相一致， 張力強度隨關(guān)節(jié)面下的深度增加而減少。,23,4.3 關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力分布,90~225kg/6.45c㎡ 使應(yīng)力分解，吸收震蕩，避免軟骨下骨的應(yīng)力損傷 干骺部受力1.負重大時骨變形，2.骨松質(zhì)排列呈放射狀 軟骨損傷 軟骨下骨損傷 骨關(guān)節(jié)炎 骨壞死,,,,24,4.4 關(guān)節(jié)軟骨的粘彈性,蛋白多糖 含有水分，調(diào)節(jié)水的流動。 膠原 組成基質(zhì)內(nèi)的張力，維持蛋白多糖的 含量。 軟骨承受負荷 基質(zhì)內(nèi)液體壓變化 水分由基質(zhì)孔流出（海綿） 產(chǎn)生非線性形變 粘彈性（有賴于應(yīng)變率的形變） 變形與承受外力速度有關(guān)。,,,,,25,4.5 關(guān)節(jié)軟骨的磨損力學,關(guān)節(jié)軟骨的磨損力學 磨損：通過機械作用去除固體表面的物質(zhì) 兩個方面：承載面之間互相作用引起界面 磨損 接觸體變形引起的疲勞性磨損,26,4.6關(guān)節(jié)軟骨的潤滑作用,界面潤滑（玻尿酸鹽） 滑液潤滑：滑液嵌在滑動面之間，即可發(fā)生液膜潤滑，又可產(chǎn)生界面潤滑,27,,關(guān)節(jié)軟骨磨損兩種因素缺一不可 機械因素是軟骨磨損的主要因素 特別是骨外露 酶、化學因素、代謝因素可降低軟骨屈服 強度,28,,軟骨組織：易疲勞性材料 周期性負荷時間過長導致軟骨膠原纖維疲勞短裂 軟骨負荷時，其內(nèi)部的膠原纖維方向與負荷相垂直。分解應(yīng)力，軟骨損害。 軟骨疲勞性磨損破壞的成分：1.膠原纖維，2.蛋白多糖 大分子網(wǎng)，3.纖維和原纖維基質(zhì)之間界面。,29,第三節(jié) 骨折與固定生物力學,骨折與固定的生物力學,30,1.骨折力學原理,骨某一區(qū)域應(yīng)力超過極限強度，發(fā)生骨折。 骨結(jié)構(gòu)(彎曲)本身：減低彎應(yīng)力 骨空心結(jié)構(gòu)：比實心結(jié)構(gòu)承受彎曲及旋轉(zhuǎn) 應(yīng)力強 棒的壓力和張力和橫斷面面積成正比.,31,,面積 1 1 2 張力和壓力 100% 100% 200% 強度 彎曲和旋轉(zhuǎn) 100% 210% 495% 強度,,,,32,骨折原因,創(chuàng)傷 骨病 積累勞損,33,,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 導致螺旋骨折 受力機制為剪應(yīng)力 旋轉(zhuǎn)軸45度時應(yīng)力最大。,34,,軸向壓力 易在長管狀骨縱軸 方向形成最大的剪力 進而造成骨干斜行骨折 通常長管狀骨的軸向壓力 不是單一的。,35,,36,,37,,38,,骨病 骨腫瘤、骨缺損 造成：骨的幾何學改變 骨的強度改變 骨缺損部位產(chǎn)生應(yīng)力集中 （骨折機制）,39,2.疲勞斷裂,疲勞斷裂,40,,骨每天承受負荷，或長時間鍛煉，積累損傷，導致疲勞骨折 常見于長途行軍，從事長距離行走及長跑者 最常見于雙足第二趾骨遠端,41,,疲勞： 材料在周期性和間歇負荷下發(fā)生的進行性損傷(顯微鏡下?lián)p傷)，在周期性負荷條件下，材料負荷水平低于能引起的材料損傷的單次負荷時，就會發(fā)生損傷。,42,,材料的疲勞極限（Fatigue limit） 任何材料具有一應(yīng)力水平，低于該水平疲勞壽命是無限的，該應(yīng)力水平稱疲勞極限。 疲勞極限是一個安全控制數(shù)據(jù)，只要應(yīng)力低于它，不管周期數(shù)目多少是不會短裂的。,43,,骨單位密度較高的骨，抗疲勞性能較好，有助于防止骨折-因骨的膠接線及中央管制止裂隙擴展。,44,3.骨折治療生物力學,接骨原則：1.血供。2.維持骨生理和力學環(huán)境。 彈性固定好，活動度難掌握。牢固固定，缺點骨愈合不牢固。 長骨骨折，因長力臂易移位。骨痂形成使骨折穩(wěn)定。 骨折愈合有利：一定活動量和允許小的剪力。不利：剪力或彎曲力過度。,45,4.張力帶固定,張力來自：彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，肌力。 骨折固定于張力側(cè)-使骨保持原有序列和對抗張力。 張力帶用于：髕骨，尺骨鷹咀，大粗隆，內(nèi)外踝。 張力帶和張力帶板。,46,5.鋼板固定,骨折愈合后盡快去除內(nèi)固定。 牢固內(nèi)固定有利早期愈合，晚期不利用塑形。 牢固內(nèi)固定使板源骨質(zhì)減少，去除內(nèi)固定后再骨折。（骨折?。?鋼板置張力面，骨折受到通過骨折面上肌力的壓縮。 骨折間有空隙用兩塊鋼板固定。,47,,48,,49,,50,,51,,52,,53,6.螺釘固定,垂直骨折面-抗扭轉(zhuǎn)。垂直骨長軸-抗彎曲。 松質(zhì)釘（加壓釘）和皮質(zhì)釘,54,,55,,謝謝,56,