人体骨骼的生物力学以及结构

2024-02-20 13:09

骨骼系统的主要作用是保护内脏、提供坚实动力交接和肌肉的联接,以便于肌肉活动和身体的活动。骨有其独特的结构和机械性能,使之能产生上述的作用。它是高度血管丰富的组织,有极好的自动修复能力,可根据机械需求的变化来改变其性能和形态。例如,在废用阶段和强力使用时期,可常见骨密度的改变;在骨折愈合和一些手术后,可常见骨形状的改变。因此,骨能适应施加其上的机械要求。

骨的组合与结构

骨组织是-种特殊的结缔组织,其固定组合能适应支持和保护作用。与其他结缔组织一样,它有细胞、纤维的有机细胞外母质和细胞产生的基质所组成。骨的特点是含有高量的无机物质由矿物质盐类形成,与有机母质紧密结合。骨的无机组成部分使组织变硬而结实,而其有机成分则使之有一定的能屈性和韧柔性。

骨的无机(矿物)成分主要是钙和磷酸盐主:要为小结品形式类似人工合成的轻磷灰石结品。其成分为 Cao(PO,)(OH)。这矿物质提供骨干重量的 6570%,使骨呈固体性质。骨成为人体内重要的矿物质贮池,特别是钙。

骨的生物力学性能

从生物力学来看,骨组织是双相性的组合材料,相是矿物质,另一相是胶原和基质。这种材料系强而带脆的材料,包于弱而易屈的材料之中。它比两者均轻,但坚实

从功能来看,骨的最重要机械性能是其强度和硬度。在负荷时,更能了解骨的这些特性和其他特性,即在施加外力下的影响下,了解骨的行为。负荷将引起形变,或结构大小的变化。若施加于结构上的负荷方向已明确,可以测出结构的形变,并能四出一条负荷-形变曲线。通过这曲线的检查,可以获得其强度、硬度,以及结构的其他机械性能的更多信息

负荷形变曲线开始的曲线直线范围为弹性区,代表结构的弹性性能,即负荷拆除后,结构仍能回复到原来的形状。当负荷继续下去,会出现形变,但不是**性的。一旦解除负荷,结构仍可恢复原状。若负荷再持续下去,结构最外侧的纤维将开始在有些部位屈服。这屈服点表明结构的弹性极限。若负荷超过这极限,结构将进入塑形相。这是曲线的第二部分(即塑性区),这是即使去除负荷,结构也不会回复到原来的形状。这残留形变将是**性的。若负荷扔继续增加,结构将在某一点出现衰竭,以骨来说,就发生骨折,在曲线上这点表现为最总衰竭。

骨的生物力学行为

力和力矩可在不同方向施加于结构上,产生拉张、挤压、弯曲、剪切、扭曲和综合性负荷。骨在体内常承受所有这些负荷模式。下面是描述结构在平衡状态下《在静止或衡定速度下的活动) 承受这些模式时所表现的状态。负荷可在结构上产生内在形变效应。

(一) 拉张在张力负荷时,结构表面承受外面的力相等侣相反的负荷力,而在结构内,则形成拉张应力与应变。拉张应力可认为是许多小的力离开结构表面,**的拉张应力发生于在施加负荷垂直的平面上。

(二) 挤压在挤压负荷时,结构表面承受相等但相反的负荷,在结构内,形成挤压应力与应变。挤压应力可认为是直接加于结构面上的许多小的力。**的挤压应力发生于施加负荷的垂直面上

(三) 在剪切位负荷时,力与结构面是平行的,在结构内产生剪切应力与应变,可以说剪切应力是在结构平面上有许多小的并与之平行的负荷。

(四)弯曲在弯曲时,结构承担的负荷使结构按轴心弯曲。骨于弯曲时,它承受拉张和挤压的综合力。在中和轴的一一侧为拉张的应力与应变,而另一侧则为挤压的应力与应变

(五)扭旋 在扭旋时,结构上承受的负荷将使之在其轴线上扭旋,在结构内产生转矩 (或力矩)。若结构在扭旋状态下负荷,剪切应力将分布于整个结构上。同弯曲一样,这些应力的幅度与离开中和轴心的距离成正比。离中和轴越远,应力的幅度也越大。

(六)综合负荷很少单有一种模式。活骨负荷的复杂性有两个主要原因: 骨经常承受多种不明确的负荷;及其几何结构是不规则的。在行走和跑步时,即使是在这种常见的生理性活动,成人胫骨前内侧面的应变的测量显示其负荷模式也很复杂

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