生物力学骨力学ppt课件

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1、骨力学,第四章,机动 目录 上页 下页 返回 结束,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Ward 增加压缩载荷，可增加骨形成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 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Wollf 骨转化定律,一、骨力学研究方面的简史：,第一节 引言,机动 目录 上页 下页 返回 结束,二、骨力学的研究内容和涉及的几个问题,1.骨结构研究,3.骨的应力适应性,2.应力-应变研究,4.骨折治疗研究,(骨的生长与断裂）,（骨功能适应性理论）,（骨的力学性质）,机动

2、 目录 上页 下页 返回 结束,（引言）,本构曲线 影响因素,微观结构 宏观力学性质,生长理论 断裂类型,*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,机动 目录 上页 下页 返回 结束,三、骨力学的四个基本概念,1.骨强度：,2.骨刚度：,生物材料或非生物材料组成的构件 抵抗破坏的能力,生物材料或非生物材料组成的构件 抵抗变形的能力,断裂或过大的塑性变形,弹性变形的允许限度,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3.骨韧性：,4.骨稳定性：,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,生物材料或非生物材料组成的构件 保持其原有平衡

3、形态的能力,机动 目录 上页 下页 返回 结束,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,机动 目录 上页 下页 返回 结束,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,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（一）骨功能：,一方面：组成骨骼系统,另一方面：调节血液的电解质浓度,机动 目录 上页 下页 返回 结束,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,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

4、的造血、钙磷的储存与代谢,（二）骨形态：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,按其形状可分为：,人体共有206块骨，依所在部位可分为: 颅骨、躯干骨和四肢骨。,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。,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。,1、骨的微观结构,哈佛管：内含神经和血管。 板层骨：包绕在管的周围。,（三）骨结构：,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。,骨的构造,2、骨的宏观结构 骨分为密质

5、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,密质骨,松质骨,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨质致密坚硬 （疏松度为530%）,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,表面积相对小,松 软 （疏松度为3090%）,排列呈蜂窝网状 网孔内充满骨髓血管神经,巨大,强度高变形能力差 （变形超过2%会断裂）,强度低应变能力好 （变形可达7%左右）,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

6、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,机动 目录 上页 下页 返回 结束,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,机动 目录 上页 下页 返回 结束,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%

7、） 骨纤维： 骨胶原纤维 （分层 交叉）,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。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

8、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。,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,钢筋混泥土结构,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、 四种骨细胞 骨祖细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞,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

9、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。,成骨细胞：分布于骨组织表面，胞体有细小突起，矮柱状或椭圆形，胞质嗜碱性。电镜下可见大量的和高尔基复合体。 成骨细胞合成和分泌骨基质的有机成分，形成类骨质。成骨时，成骨细胞还释放基质小泡。泡内有细小的钙化结晶，是钙化的起始部位。成骨细胞分泌类骨质后被包埋于其中，便成为骨细胞。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,其数量、形状、合成分泌功能受应力环境影响，如应力的性质、大小、频率等，它还受年龄、遗传、疾病、内分泌的影响。 在良好的力学环境下。成骨细胞数量增加，胞体增大，合成

10、分泌功能明显增强，因此可以加速骨折愈合，使骨密度增加，刚度明显增加。 在有害应力或低应力环境下，骨折愈合迟缓，甚至不愈合，骨质疏松，强度下降。,*成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞。 力离子通道、G蛋白与酪氨酸激酶、整合素受体与细胞骨架等多种途径，感受体内外力学刺激，并将力学刺激信号转化为细胞生物化学信号，介导力相关敏感基因表达，合成各种酶类等活性物质，激活信号网络级联反应，参与一系列复杂的生理病理活动。,位于骨板内或骨板间，胞体较小，有许多细长突起，胞体呈扁椭圆形。胞体所在的腔隙陷窝；突起所在的腔隙称骨小管。 骨细胞的结构和功能与其成熟度有关。刚转变的骨细胞与成骨细胞相似，仍能产生类骨质。随

11、着类骨质逐渐钙化为骨质，细胞逐渐变为成熟的骨细胞。体积变小，减少，突起延长，相邻骨细胞的突起以相连，骨小管彼此相通。骨陷窝和骨小管内含有少量组织液。骨细胞具有一定的溶骨和成骨作用，参与调节钙、磷平衡。 成骨细胞产生类骨质后，自身被包埋其中，分泌能力逐渐减弱，转变为骨细胞。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（3）骨细胞：,破骨细胞： 数量少，主要分布于骨组织的边缘，是一种的大细胞，直径30100m，含有650个核。目前认为它由多个融合而成，无分裂能力。胞质为嗜酸性，细胞器丰富，尤以和线粒体居多。 功能活跃的破骨细胞有明显的极性，光镜下可见破骨细胞贴近骨基质的一侧有皱褶缘。电镜下呈许多大小和长

12、短不一的突起。 胞质内含多种水解酶和有机酸，溶解骨盐，分解骨有机成分。表明破骨细胞具有很强的溶骨和吸收能力。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,吞噬和分解非受力骨组织和坏死骨组织。 合成并分泌溶胶原酶，对失去应力的胶原进行溶解； 合成分泌多种水解酶,对羟基磷灰石进行水解破坏； 其形状、数量和合成功能受应力环境影响，在低应力区，破骨骨细胞数量增加，体积变大，骨组织以破坏、吸收为主，骨质疏松，强度、刚度降低。,总之： 正常骨骼处于一个吸收与生长重建的连续过程 成骨细胞与破骨细胞的生理活性保持着动态平衡 机械力学刺激是必不可少的条件之一,五、骨的粘弹性,实验：,（骨加盐酸）脱钙骨,（脱钙骨燃烧）骨

13、炭,骨外形保留,坚固性脱去,富弹性柔韧性,骨外形保留,坚固性脱去,弹性柔韧性脱去,机动 目录 上页 下页 返回 结束,得出模量随应变率的变化而变化的时变性,（骨是一个粘弹性材料）,得出弹性、粘性的双重性,六、骨的各向异性,物质成分,结构,机动 目录 上页 下页 返回 结束,复合材料的力学性质（模量 极限应力应变 粘弹性等）,七、骨的管形结构 （以长骨为例）,截面,外形,八、骨的均匀强度分布（密度分布于应力分布相适应）,强度大,重量轻,结构强度=比强度 结构模量=比模量,（介绍）骨伤生物力学在我国的发展,骨伤生物力学-根据人体构件的解剖特征和力学性质，用力学原理和方法研究骨折、脱位、矫形、移植及

14、各种急慢性软组织损伤等病因、病理、治疗及愈合机理的科学。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（介绍）骨伤生物力学研究内容,骨的力学性质肌肉、肌腱、韧带、腱鞘、滑囊力学性质寻找环境效应对生物组织的影响骨折的病因、病理、治疗骨矫形、延长、移植的手术疗法骨重建的反馈机理及骨生长的人为控制伤筋与骨错缝的研究骨缺血坏死问题、骨性关节炎问题现行骨伤疗法的改进和完善,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第二节 骨的基本力学性质,机动 目录 上页 下页 返回 结束,一、骨的应力应变关系 （一）曲线：拉压力学性质(为例）,对比低碳钢、合金钢、铸铁,低碳钢,合金钢,骨,铸铁,机动 目录 上页 下页 返回 结束,

15、（各段都有）,（无cd段）,（无oa cd ef段）,（无cd ef段）,1、拉伸,例如：其他材料的拉伸,低碳钢,合金钢,硬铝,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨、金属和玻璃的力学性质比较,三种材料的应力-应变曲线,由韧性材料组成的结构体的载荷-形变曲线,强度,刚度,能量积累,脆性,密质骨在拉伸实验中的应力-应变曲线,因此，工程学方法可以应用于分析骨的力学性能。目前，骨实验生物力学的测试技术为万能实验机测量法、电测法和光测法。,与其它生物材料相比，如肌肉、血管，骨的性能，如应力应变关系等，更接近工程材料。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2、压缩,低碳钢属展性材料,屈服段前拉伸与压缩的本构曲线重合 屈服段后得不到压缩强度,骨属脆性材料，压缩与拉伸时有较大差别,抗压强度大 极限应变大 弹性模量小,机动 目录 上页 下页 返回 结束,剪切力学特性 扭转力学特性 弯曲力学特性,略,结论：,骨的抗压强度远大于抗拉强度,骨的抗拉强度略大于抗切强度,机动 目录 上页 下页 返回 结束,