（四）骨应变能量

概念：达到极限负荷时的应力－应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量。

一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所能承受应力的大小。当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。

但当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能被及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构，临床上则表现为疲劳性骨折。

第二节 骨的生物力学 * 三、骨的载荷及变形

人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨产生复杂的力。即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。

作用于骨骼上的外力：体积力和表面力（分布力和集中力）

第二节 骨的生物力学 * （一）骨的载荷

载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。

人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸a、压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f等载荷。

* （1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷,在骨内部产生拉应力和拉应变.

构件在受拉伸载荷时,最大拉应力出现在垂直于施加载荷的平面上.

* （2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷,在骨内部产生压应力和压应变.

第二节 骨的生物力学 第二节 骨的生物力学

临床上,压缩载荷所致的骨折常见于椎体.中老年人椎体骨质疏松，在轻度外力作用下即可造成椎体压缩性骨折。常见骨折原因是坐汽车时突然遇到颠簸，在自身重力作用下造成椎体压缩.

* （3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷.在弯曲负荷下,骨骼内部同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）.在最外侧,拉应力和压应力最大,向内逐渐减小,在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“.

* （3）弯曲：中性轴没有应力与应变。在中性轴两侧的应力与应变，两者即相对立又相互依存，并且通过周围软组织协调达到平衡。 第二节 骨的生物力学 第二节 骨的生物力学

* （4）：标准的剪切载荷是一对大小相等,方向相反,作用线相距很近的力的作用,有使骨发生错动（剪切）的趋势（图3-1）,在骨骼内部的剪切面产生剪应力.

第二节 骨的生物力学 第二节 骨的生物力学

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* （5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷,在骨的内部产生剪应力.常见于前臂、脊柱和骨关节的活动中。

第二节 骨的生物力学 第二节 骨的生物力学

成人皮质骨的极限应力在压缩、拉伸和剪切时是不同的.皮质骨所能承受的压应力大于拉应力,所能承受的拉应力又大于剪应力. (6)复合载荷

* 在人体运动中,受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见,大量出现的是复合载荷.复合载荷即是同时受到上述两个或两个以上的载荷作用.图3-2,3-3分别显示了行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力.正常行走时,足跟着地时为压应力,支撑阶段为拉应力,足离地前一瞬间时为压应力.在步态周期的后部分出现较高的剪应力,表示存在显著的扭转载荷,提示在支撑时相和足趾离地时相胫骨外旋（图3-2）.慢跑时的应力方式完全不同.在足趾着地时先是压应力,继而在离地时转为高拉应力,而剪应力在整个支撑期间一直较小,表明扭转载荷很小（图3-3）. 第二节 骨的生物力学 第二节 骨的生物力学 第二节 骨的生物力学

* 1.在整个跨步跑时，剪切应力低，说明胫骨在轻度外旋与内旋交替时所产生的扭转符合处于最低状态。

* 2.从慢跑到快步时速度的加快，将增加胫骨上的应力和应变。

* 3.临床上一种或两种符合形式较少发生骨折，多数骨折是综合几个符合形式才会产生。 第二节 骨的生物力学 * （二）骨的基本变形

骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的变形，如腰脊柱前凸即是受力变形。

根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等五种基本变形。

第二节 骨的生物力学

* 力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。

* 在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时，骨的原有形状和几何学结构便恢复。 * 如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。

第二节 骨的生物力学

* 决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力的大小、力的方向和力的作用点，及组成骨组织的材料特性等。

* 骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引 起骨的断裂。

* 骨在承受轴向力(axialforce)与承受弯曲(bending)或扭转力(torsionalforce)方面存在有很大差异。

第二节 骨的生物力学

* 大骨抵抗力的能力优于小骨。

* 骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性。

* 在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物质特性也很重要（如：骨松质较骨密质容易断裂）。

* 当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性形变。 * 如果外力撤除后仍有剩余形变，这种性质则称为弹塑性。

* 钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。

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四、骨基本的生物力学特征

* 骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重量最轻的结构.结构优化设计理论主要包括：

* a）均匀强度分布,即在特定的加载条件下,材料的每一部分受到的最大应力相同.

* b）轨道结构理论（壳形结构）,即只在力的承受及传递的路径上使用材料,而在其它地方是空洞.

* 1．各向异性

* 由骨内部解剖结构易见骨是一种复合材料结构.复合材料结构的特点就是各向异性,即其力学性能具有较强的对成分和结构的依赖性.

* 这个结构关系包括各成分的几何形状,纤维与基质之间的结合,纤维接触点的结合等.

* 人们很早就发现,人密质骨的横向（径向或切向）试件的压缩模量约为纵向试件的56%.应该注意的是,同一块骨的不同部分的力学性能是有差别的.

骨具有明显的各向异性.例如长骨主要承受的是轴向的压力,因此沿轴向具有较高的强度和弹性模量.从显微组织分析来看,针状的无机盐晶体和骨胶原纤维主要是沿纵向排列.其中较少一部分沿周向排列.其主要作用是联系和约束纵向纤维,使纵向纤维在压缩和弯曲载荷的作用下不会失稳.

* 2.弹性和坚固性

骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并具有抗张能力。

骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具有坚固性，具有抗压能力。

* 3.抗压力强、抗张力差

骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损坏，在张力情况下易损坏。 * 4.耐冲击力和持续力差

骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比，其持续性能、耐疲劳性能较差。

* 5.应力强度的方向性

皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚度也不同。 皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。 两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。

* 6.骨的强度和刚度

1）骨强度 是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗破坏的能力，以致不发生破坏。 在压缩载荷的试验中，载荷－变形曲线能反映结构强度的三个参数是：①结构在破坏前所能承受的载荷;②结构在破坏前所能承受的变形;③结构在破坏前所能贮存的能量。 2）骨的刚度 是指骨具有足够的抵抗变形的能力。

在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变形过大，往往会影响骨结构与功能。 骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。

* 影响骨强度与刚度的因素有：

①.压应力――肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的发生；

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②.骨的大小和形状――骨的横截面积的大小及骨组织在骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。

如骨试件在压缩时，骨的横截面积越大，强度和刚度也越大。 破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。

* 7.机械力对骨的影响

机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。

骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。

* 8.骨是人体理想的结构材料 骨具有强度大质量轻的特点。

* 五、骨受载生物力学特征 1.骨对应力的反应

骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态， 应力越大，骨的增生和密度越大，最终，又提 高了骨的生理应力能力。 1）密质骨对应力的反应：

密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可承受较大的压缩应力。

2）松质骨对应力的反应：

骨松质的疏松度为30％～90％，

其应力—应变特征与密质骨有很大差异。

松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负荷很快减低，低于应变水平。 松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。

2.骨密质在受载时的生物力学特性 人类骨骼80%是皮质骨。

在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变较小，其应变超过原长的2％时就发生断裂，而骨松质的应变超过7％时才断裂，这与密质骨的疏松度及能量储存能力较松质骨小有关。

3.骨松质在受载时的生物力学特性

骨松质具有多孔结构而具有较高的能量储存能力。 （1）骨松质的结构特点：

骨松质由针状或片状骨小梁相交织成网状结构。 其显微结构分为四种基本结构类型： 针状非对称形开放网格、 片状非对称形封闭网格、 针状圆柱体形开放网格、 片状圆柱体形封闭网格。

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