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1、第三讲:骨科生物力学专题(续)第三讲:骨科生物力学专题(续)1.关节软骨的生物力学2.肌腱和韧带的生物力学1.关节软骨的生物力学2.肌腱和韧带的生物力学关节软骨的主要功能关节软骨的主要功能?承受力学负荷；承受力学负荷；?分散负荷；分散负荷；?减小接触应力；减小接触应力；?润滑作用，减小关节面作相对运动时的摩擦力和磨损。润滑作用，减小关节面作相对运动时的摩擦力和磨损。关节软骨的结构与组成关节软骨的结构与组成1.软骨由软骨细胞、基质和纤维组成，软骨细胞镶嵌在基质中。2.软骨具有确定的纤维组织（胶原、弹性)排列。3.软骨分为透明软骨、纤维软骨（含较多胶原纤维）和弹性软骨（含较多弹性纤维）。1.软骨由
2、软骨细胞、基质和纤维组成，软骨细胞镶嵌在基质中。2.软骨具有确定的纤维组织（胶原、弹性)排列。3.软骨分为透明软骨、纤维软骨（含较多胶原纤维）和弹性软骨（含较多弹性纤维）。软骨分类软骨分类弹性软骨弹性软骨:存在于耳垂、听觉管道和喉部。其构造与透明软骨相似，只是间质内含有存在于耳垂、听觉管道和喉部。其构造与透明软骨相似，只是间质内含有大量的弹性纤维大量的弹性纤维，互相交织成网，具有很大的弹性。弹性软骨新鲜时呈黄色，互相交织成网，具有很大的弹性。弹性软骨新鲜时呈黄色。纤维软骨纤维软骨:存在于耻骨联合、关节的半月板、椎间盘中。其特点是基质很少，其中含有存在于耻骨联合、关节的半月板、椎间盘中。其特点是
3、基质很少，其中含有大量的胶原纤维大量的胶原纤维束，平行或交叉排列。束，平行或交叉排列。透明软骨透明软骨:存在骨的关节表面、鼻、呼吸道壁。新鲜时呈半透明状，较脆，易折断。透明软骨间质中的纤维为胶原原纤维，含量较少，存在骨的关节表面、鼻、呼吸道壁。新鲜时呈半透明状，较脆，易折断。透明软骨间质中的纤维为胶原原纤维，含量较少，基质较丰富基质较丰富。软骨细胞及其分区形态软骨细胞及其分区形态? 关节软骨中软骨细胞约占组织容 积的10% ；关节软骨中软骨细胞约占组织容 积的10% ；? 软骨细胞分泌细胞外基质的成 分，包括型胶原纤维和蛋白多 糖；软骨细胞分泌细胞外基质的成 分，包括型胶原纤维和蛋白多 糖；?
4、 在关节软骨浅表区内，软骨细胞 呈长圆形，长轴与关节面平行；在关节软骨浅表区内，软骨细胞 呈长圆形，长轴与关节面平行；? 在关节软骨中间区内，软骨细胞 呈圆形，分散杂乱；在关节软骨中间区内，软骨细胞 呈圆形，分散杂乱；? 在深区内，软骨细胞呈柱状排列。在深区内，软骨细胞呈柱状排列。软骨囊软骨囊软骨中的胶原纤维软骨中的胶原纤维? 软骨中胶原含量占软骨组织净重的软骨中胶原含量占软骨组织净重的1030%；? 原胶原纤维平均直径原胶原纤维平均直径2540nm；? 软骨中型胶原比骨、韧带和肌腱内的I型胶原更细，使其能在软骨内分布最大化，且分布不均匀。软骨中型胶原比骨、韧带和肌腱内的I型胶原更细，使其能在
5、软骨内分布最大化，且分布不均匀。软骨中胶原的分区排列软骨中胶原的分区排列? 浅表层浅表层区占总厚度的区占总厚度的1020%，呈细而致密紧排的纤维不规则交织于与关节面平行的面上；，呈细而致密紧排的纤维不规则交织于与关节面平行的面上；? 中间层中间层占总厚度的占总厚度的4060%，排列紊乱，纤维之间距离较大，分布不均；，排列紊乱，纤维之间距离较大，分布不均；? 深区深区约占总厚度的约占总厚度的30%，纤维密集排列，形成辐射状纤维束，穿越关节软骨与其下的钙化软骨之间，形成一个交锁的，纤维密集排列，形成辐射状纤维束，穿越关节软骨与其下的钙化软骨之间，形成一个交锁的“根根”系统，使软骨能扎根在下面的骨结
6、构内。系统，使软骨能扎根在下面的骨结构内。胶原纤维形态胶原纤维形态I型胶原型胶原II型胶原型胶原弹性纤维形态弹性纤维形态软骨中的蛋白多糖软骨中的蛋白多糖? 软骨组织内软骨组织内蛋白多糖蛋白多糖为净重的为净重的310%，为大分子蛋白多肽单体或聚集体，比较集中于中间层；，为大分子蛋白多肽单体或聚集体，比较集中于中间层；? 蛋白多糖中的多糖链为杂多糖，因其组成成分中均含氨基已糖，所以称为蛋白多糖中的多糖链为杂多糖，因其组成成分中均含氨基已糖，所以称为氨基多糖或糖胺聚糖氨基多糖或糖胺聚糖(GAG)。常见的氨基多糖。常见的氨基多糖包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素和肝素包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角
7、质素和肝素等；等；? 这种蛋白多糖聚集体可使蛋白多糖在胶原网内得到稳定并可增加细胞外基质的这种蛋白多糖聚集体可使蛋白多糖在胶原网内得到稳定并可增加细胞外基质的结构硬度结构硬度。关节软骨的抗压缩能力与软骨基质中蛋白多糖的数量成正比。关节软骨的抗压缩能力与软骨基质中蛋白多糖的数量成正比。氨基多糖基质组成氨基多糖基质组成基质基质软骨中的水软骨中的水? 软骨组织内水、无机盐和少量其他基质蛋白、糖蛋白 和脂肪占约软骨组织内水、无机盐和少量其他基质蛋白、糖蛋白 和脂肪占约6087%。? 水在关节内分布不均。近关节面最多（约水在关节内分布不均。近关节面最多（约80%），越近深区水越少，到深区为），越近深区水
8、越少，到深区为65%；? 约有约有30%的水与胶原原纤维密切相关并占据分子内间隙，当组织受负荷时水可自由流动；的水与胶原原纤维密切相关并占据分子内间隙，当组织受负荷时水可自由流动；? 软骨组织受到负荷时约软骨组织受到负荷时约70%的水流动，这种流动对软骨力学行为的控制和关节的润滑有重要意义。的水流动，这种流动对软骨力学行为的控制和关节的润滑有重要意义。关节软骨的物理结构关节软骨的物理结构?关节软骨中胶原原纤维和蛋白多糖属于关节的关节软骨中胶原原纤维和蛋白多糖属于关节的结构成分结构成分，支持施加 于关节软骨上内在的应力负荷。这些结构成分和水一起，决定了软 骨的生物力学行为；，支持施加 于关节软骨
9、上内在的应力负荷。这些结构成分和水一起，决定了软 骨的生物力学行为；?型胶原纤维、蛋白多糖单体、透明质酸纤维及其他成分之间相互 作用形成型胶原纤维、蛋白多糖单体、透明质酸纤维及其他成分之间相互 作用形成多孔的组合性纤维网多孔的组合性纤维网，使基质具有固体所具有的力学性 质，能抵抗关节的应力与应变；，使基质具有固体所具有的力学性 质，能抵抗关节的应力与应变；?关节软骨也是关节软骨也是各向异性的双相（液体相和固体相）复合材料各向异性的双相（液体相和固体相）复合材料。负荷 方向不同，材料性能各异。这与胶原纤维排列方向、交联密度及胶 原与蛋白多糖的相互作用方式有关；。负荷 方向不同，材料性能各异。这与
10、胶原纤维排列方向、交联密度及胶 原与蛋白多糖的相互作用方式有关；?软骨的这种结构有利于液体在应力作用下产生流动，使无血管的软 骨组织内气体、营养和废物产生扩散，使软骨细胞与周围营养丰富 的滑液之间进行物资交换。软骨的这种结构有利于液体在应力作用下产生流动，使无血管的软 骨组织内气体、营养和废物产生扩散，使软骨细胞与周围营养丰富 的滑液之间进行物资交换。关节软骨的粘弹性关节软骨的粘弹性?关节软骨为多孔材料，组织间隙中充满着液体。在应力作用下，液体 可在组织中流进流出：当软骨组织膨胀时液体关节软骨为多孔材料，组织间隙中充满着液体。在应力作用下，液体 可在组织中流进流出：当软骨组织膨胀时液体流入流入
11、组织，当软骨组织 收缩时液体组织，当软骨组织 收缩时液体流出流出组织。组织。?软骨中蛋白多糖和胶原对承受负荷起重要作用。软骨对压力的反应取 决于基质内液体的流动，软骨中蛋白多糖和胶原对承受负荷起重要作用。软骨对压力的反应取 决于基质内液体的流动，蛋白多糖蛋白多糖维持和调节水的流动，因而决定了 软骨的压缩特性。软骨中维持和调节水的流动，因而决定了 软骨的压缩特性。软骨中胶原和蛋白多糖胶原和蛋白多糖嗜水性强，其变形特征与吸 水量和承受外力的速度密切相关。挤压越快，水分越难流出，反之越 易流出。嗜水性强，其变形特征与吸 水量和承受外力的速度密切相关。挤压越快，水分越难流出，反之越 易流出。?软骨处于
12、恒定负荷或者恒定变形时，其反应具有时间依赖性，因此软 骨具有粘弹性特征，即具有对恒定载荷下的软骨处于恒定负荷或者恒定变形时，其反应具有时间依赖性，因此软 骨具有粘弹性特征，即具有对恒定载荷下的蠕变行为蠕变行为和对恒定应变的和对恒定应变的 应力松弛效应应力松弛效应。关节软骨蠕变特征关节软骨蠕变特征施加恒定应力在软骨面上，在初期阶段，由于基质内液体渗出较快，早期应变增加快，当流动减慢直到停止时，应变改变降低直到恒定。施加恒定应力在软骨面上，在初期阶段，由于基质内液体渗出较快，早期应变增加快，当流动减慢直到停止时，应变改变降低直到恒定。蠕变平衡时所需时间与组织厚度的平方呈正比。人和牛关节软骨较厚：蠕
13、变平衡时所需时间与组织厚度的平方呈正比。人和牛关节软骨较厚：24mm，需，需416小时达到平衡；家兔关节软骨厚度小于小时达到平衡；家兔关节软骨厚度小于1.0mm，约需，约需1小时达到平衡。小时达到平衡。大量渗出液大量渗出液无渗出液无渗出液平衡应变平衡应变关节软骨应力松弛关节软骨应力松弛保持恒定应变，应力随时间下降直至平衡应力。保持恒定应变，应力随时间下降直至平衡应力。软骨从软骨从A挤压至挤压至B点后保持恒定应变，液体渗出并在点后保持恒定应变，液体渗出并在B点达到应力最大值，点达到应力最大值，B点后发生应力松弛，直至平衡应力。点后发生应力松弛，直至平衡应力。关节软骨的渗透性关节软骨的渗透性?关节
14、软骨是多孔性泡沫材料，因孔间互相连通，因此具有渗透性。关节软骨是多孔性泡沫材料，因孔间互相连通，因此具有渗透性。 渗透性渗透性表征液体流经泡沫材料的通过性能，它与液体流经材料时所 受到的流动阻力成反比。关节表征液体流经泡沫材料的通过性能，它与液体流经材料时所 受到的流动阻力成反比。关节软骨的渗透性很低软骨的渗透性很低，所以当液体流过 软骨基质时，它受到高的，所以当液体流过 软骨基质时，它受到高的流动阻力流动阻力。?液体通过关节软骨有两种主要的力学方式。一方面是应用压力梯 度，即当软骨组织外面的压力大于里面，可使液体液体通过关节软骨有两种主要的力学方式。一方面是应用压力梯 度，即当软骨组织外面的
15、压力大于里面，可使液体进入进入软骨基质。 另一方面，如果对软骨施压，也会发生液体的流动，这种局部压力 增加是引起液体从软骨组织内软骨基质。 另一方面，如果对软骨施压，也会发生液体的流动，这种局部压力 增加是引起液体从软骨组织内渗出渗出的动力。对于正常的关节软骨上 上述两种机制同时存在。的动力。对于正常的关节软骨上 上述两种机制同时存在。软骨的张力特性软骨的张力特性?软骨承受张力负荷与关节软骨面平行时，其硬度和强度取决于平行于张力方向的软骨承受张力负荷与关节软骨面平行时，其硬度和强度取决于平行于张力方向的胶原纤维的排列胶原纤维的排列。?张力强度随关节面下的深度增加而减少。浅表区胶原纤维的排列方向
16、同最大张应变方向，由摩擦和压力产生。因摩擦产生的张应变相当小（关节面摩擦较低），因而平行于关节面的张力，主要张力强度随关节面下的深度增加而减少。浅表区胶原纤维的排列方向同最大张应变方向，由摩擦和压力产生。因摩擦产生的张应变相当小（关节面摩擦较低），因而平行于关节面的张力，主要继发于压力（非均匀受压）继发于压力（非均匀受压）。?正常软骨张力强度主要取决于胶原纤维的多少和纤维的排列。正常软骨张力强度主要取决于胶原纤维的多少和纤维的排列。曲线低坡部分示拉力方向与胶原蛋白结构排列一致；上部代表胶原蛋白本身拉伸刚度。任何病理或实验所致软骨组织成分或结构异常，拉伸曲线有异常反应。曲线低坡部分示拉力方向与胶原蛋白结构排列一致；上部代表胶原蛋白本身拉伸刚度。任何病理或实验所致软骨组织成分或结构异常，拉伸曲线有异常反应。软骨拉张性能影响因素软骨拉张性能影响因素? 外加张力的方向与胶原的取向密切相关。无张力 时，纤维定向不规则；有张力时，纤维按张力方向 排列；外加张力的方向与胶原的取向密切相关。无张力 时，纤维定向不规则；有张力时，纤维按张
