骨生物力学天津武清区中医院骨伤科第一节：生物力学概念人体活动对骨骼的三种力1 作用于骨的外力2 肌肉收缩和韧带的张力对骨骼的内力3 骨的内反应力（负荷）力负荷作用于骨骼可使骨发生形变微观显微骨折青枝骨折骨折骨折因素：1.力的大小方向面积和几何学。 2.骨的材料特性。1.应力和应变应力：骨骼某点内力的强度，单位面积所 受的力应变：骨骼受力时，其内部任何一点发生 变形，称为该点的应变。两种应力：正常应力：垂直于所给平面的单位面积的 力（使立方体前面变薄变长）剪式应力：平行于所给平面的单位面积的 力（使立方体变为平行六面体） 2.拉力和压力骨骼系统的特点几何学复杂：管状骨、不规则骨、扁骨等力的类型复杂应力和应变复杂屈服(失控) ： 应力达到某一点时，提示骨小梁断裂开始（屈服用Y点），且持续时间较长，骨小梁断裂逐渐增多（极限用U点）。材料的硬度：弹性模量（应力比应变）拉力和压力作用于棒产生45剪应力。3.弯曲 （长管状骨）1.纯弯曲：凹侧- 压应变（力），凸侧- 张 应变（力），中位轴-应变（力）为0. 压力点(横切面)不会产生剪式应力2.三点弯曲：骨骼受力较常见.两端支撑，对侧受力。（受力点：弯矩） 应力点(横切面)会产生剪式应力4.弯曲联合轴向负荷长管状骨 受两方向外力压力负荷 弯曲负荷侧张应力 侧压应力压力+弯曲=联合负荷（常见） 5.扭转长管状骨不规则骨 扭转 剪性应变 横向及纵向剪性应变 联合剪性应力 骨折方向：斜形或螺旋形第二节：骨的生物力学骨组织材料特性 硬组织 应力-应变关系骨折取决于其材料特性 骨成分：基质 胶原骨小梁结构 ：皮质骨（骨干）（骨孔5%-30%），松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）1.骨皮质骨皮质其材料特性取决于骨组织负荷或变形率。骨皮质快速受力较缓慢受力吸收的能量大。骨组织应力-应变特征：骨皮质纵向骨小梁排列比横向强度大，硬度也较强。（长骨长轴比横轴更对抗应力）应变率表示骨受力过程中变形迅速的程度 （单位/S）如 正常骨 低于0.01/S 骨折瞬间 超过10.0/S2.拉力、压力和剪力骨皮质的拉力、压力和剪力与工程材料相似，骨皮质有一定范围的弹性变形能力骨组织材料极限强度取决于负荷类型和承受负荷的方向。负荷作用下拉力及压力超过弹性变形范围 发生骨折不同载荷造成的骨折类型 拉力 压力 旋转 弯曲 压力成人股骨骨皮质极限程度负荷类型 极限程度（MPa）纵向拉力 133压力 193剪力（纵向扭转） 68横向拉力 51压力 1333.骨松质骨松质：多孔 硬度较皮质骨差屈服：当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到一定程度，塑性应变急剧增加，这种现象称为屈服。屈服 ： 提示骨小梁断裂开始，且持续时间较 长。骨小梁断裂逐渐增多。骨皮质和骨松质标本负荷应变水平在0.036和0.5时有能量吸收现象，骨松质能量吸收超过骨皮质。第二节 骨折与固定生物力学骨折与固定的生物力学1.骨折力学原理骨某一区域应力超过极限强度，发生骨折。骨结构(弯曲)本身：减低弯应力骨空心结构：比实心结构承受弯曲及旋转 应力强棒的压力和张力和横断面面积成正比.骨折原因创伤骨病积累劳损扭转应力导致螺旋骨折受力机制为剪应力旋转轴45度时应力最大。轴向压力易在长管状骨纵轴方向形成最大的剪力进而造成骨干斜行骨折通常长管状骨的轴向压力不是单一的。骨病 骨肿瘤、骨缺损造成：骨的几何学改变 骨的强度改变 骨缺损部位产生应力集中 （骨折机制）2.疲劳断裂疲劳断裂骨每天承受负荷，或长时间锻炼，积累损伤，导致疲劳骨折常见于长途行军，从事长距离行走及长跑者最常见于双足第二趾骨远端疲劳：材料在周期性和间歇负荷下发生的进行性损伤(显微镜下损伤)，在周期性负荷条件下，材料负荷水平低于能引起的材料损伤的单次负荷时，就会发生损伤。材料的疲劳极限（Fatigue limit）任何材料具有一应力水平，低于该水平疲劳寿命是无限的，该应力水平称疲劳极限。疲劳极限是一个安全控制数据，只要应力低于它，不管周期数目多少是不会短裂的。骨单位密度较高的骨，抗疲劳性能较好，有助于防止骨折-因骨的胶接线及中央管制止裂隙扩展。3.骨折治疗生物力学接骨原则：1.血供。2.维持骨生理和力学环境。弹性固定好，活动度难掌握。牢固固定，缺点骨愈合不牢固。长骨骨折，因长力臂易移位。骨痂形成使骨折稳定。骨折愈合有利：一定活动量和允许小的剪力。不利：剪力或弯曲力过度。所有的活体细胞都有自己的特性，有自己的应变。不同的组织在断裂前可以承受不同的最大张力应变，肉芽组织可以承受100%的应变，纤维组织和软骨组织承受的应变明显降低，软骨组织约为10%，致密的骨组织只能承受2%的应变。经过加压固定的骨折获得坚强固定，在生理活动情况下所有应力由钢板承受，骨折端间不受应力，无活动，骨折端间隙内的细胞（干细胞）无形变（2%），所以细胞成骨，骨愈合。如固定不牢靠，骨折端在外力下出现活动，如形变在10%，则形成软骨，软骨连接。如不固定或仅简单外固定，骨折端在外力下出现活动，如形变在100%，则形成纤维，不愈合。骨折或损伤后局部会聚集许多干细胞以修复损伤。干细胞能否形成骨细胞取决于骨折位置的力学环境。肉芽组织和纤维组织比骨和软骨更能耐受变形。超过2%的形变后骨组织不能形成，超过10%软骨不可形成，但肉芽组织和纤维组织还能形成。这些都是微观下的临床见到：粉碎骨折打石膏比横断骨折打石膏容易长。所以：越是粉碎骨折对固定的稳定性要求越低，越是简单的骨折对稳定性要求越高。粉碎性骨折可耐受更大的变形。10%左右可形成骨痂骨折端吸收的机理：增加（干）细胞量分担形变，科雷氏骨折复位后骨折线消失，两周后拍片又见骨折线而且有所增宽，之后又慢慢消失。当间隙增宽时，对个别细胞的拉力相对减低。骨折端的吸收由活动引起，间隙变大，减少骨折端间隙间的应变。在活体上用应变梯度试验验证Perren理论：在不同的应变下骨痂的产生量不同。不同的摆动频率也可改变骨痂的产生量。根据这一理论，局部骨折块之间的应变和骨痂组织的力学特性之间的平衡决定了一期和二期愈合的过程。4.张力带固定张力来自：弯曲应力，扭转应力，肌力。骨折固定于张力侧-使骨保持原有序列和对抗张力。张力带用于：髌骨，尺骨鹰咀，大粗隆，内外踝。张力带和张力带板。5.钢板固定骨折愈合后尽快去除内固定。牢固内固定有利早期愈合，晚期不利用塑形。牢固内固定使板源骨质减少，去除内固定后再骨折。（骨折病）钢板置张力面，骨折受到通过骨折面上肌力的压缩。骨折间有空隙用两块钢板固定。6.螺钉固定垂直骨折面-抗扭转。垂直骨长轴-抗弯曲。松质钉（加压钉）和皮质钉谢谢