骨的生物力學特征

（一)骨的成分與結構特點：

人體骨共有206塊，其功能是對人體起支持、運動和保護作用。按其形狀可分為長骨、短骨、扁骨和不規(guī)則骨。從力學觀點來看，骨是理想的等強度優(yōu)化結構。其中長骨結構最為典型。長骨又稱管狀骨，兩端為骨松質（呈海綿狀），中間為骨密質。（骨密質的多孔性程度占5~30%，骨松質占30~90%）。

2、骨的有機成分組成網狀結構，無機物填充在有機物的網狀結構中（象鋼筋水泥結構一樣）。

（二）不同載荷時骨的力學特征（骨對外力作用的反應）：

根據外力作用的不同，人體骨的受力形式可分為拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉和復合載荷幾種形式。

1、拉伸：骨的兩端受到方向相反的拉力。（拉伸載荷是沿骨的長軸方向上，自骨的表面向外施加相等而反向的載荷，在骨內部產生拉應力和拉應變)人體懸重動作或手提重物時，骨干都要承受拉伸負荷。在較大的拉伸載荷下骨會伸長。人體股骨和肽骨的拉伸強度相近，約為125×106N/m2。

2、壓縮：骨的兩端受到方向相反的壓力。（壓縮載荷是在骨的長軸方向上，加于骨表面的向內而反向的載荷，在骨內部產生壓應力和壓應變)壓縮載荷是骨最經常承受的載荷形式，常見于身體處于垂直姿勢，一般一端是重力和外加負荷，另一端是支撐反作用力。壓縮載荷能刺激新生骨的生長，促進骨折的愈合。人體骨承受壓縮負荷的能力最強，股骨所能承受的最大壓縮強度為170×106N/m2，比拉伸強度大36%。

3、彎曲：骨的兩端受到橫向或側向的壓力或拉力時，使骨彎曲。（使骨沿其軸線發(fā)生彎曲的載荷稱為彎曲載荷。）

骨承受彎曲載荷時，骨骼內不同時產生拉應力（凸側）和壓應力（凹側）。在最外側，拉應力和壓應力最大，向內逐漸減小，在應力為零的交界處會出現(xiàn)一個不受力作用的“中性軸”。所以長骨一般是中空的（省料，減重又不影響承受荷載）

彎曲載荷一般是骨起杠桿作用時出現(xiàn)。例如負重彎舉（杠鈴）時前臂的受力。骨承受彎曲載荷的能力較小，是造成骨傷和骨折的主要原因，所以足球比賽規(guī)則禁止蹬踏。當摔倒時用直臂撐地造成骨拆的原因是由于支撐反作用力與胸大肌的拉力，對肽骨形成彎曲載荷。

4、剪切：載荷施加方向與骨表面平行或垂直，在骨內部產生剪切應力或剪應變。（標準的剪切載荷是一對大小相等、方向相反、作用線相距很近的力的作用，有使骨發(fā)生錯動）

例如人體運動小腿制動時，股骨踝在脛骨平臺上的滑動產生剪應力。骨承受剪切載荷的能力低于彎曲和拉伸，而且垂直于骨纖維方向的剪切強度要明顯大于順纖維方向的剪切強度。（人體骨受剪切載荷的情況較少）

5、扭轉：骨兩端受方向相反的扭轉力矩。骨將沿其軸線產生扭曲。（骨骼受到外力偶的作用而受到的載荷，在骨的內部產生剪應力。)

扭轉載荷常見于扭轉動作中。例如擲鐵餅出手時支撐腿的受力。骨承受扭轉載荷的能力最小。如投擲標槍時，肘過分低，在肩的外側經過，這個錯誤動作往往造成肽骨扭轉性骨折。因為此時三角肌前部的作用力使肽骨上端產生逆時針方向扭轉力矩，而標槍的阻力（慣性力）使肱骨下端產生順時針方負的扭轉力矩。（動作正確時，相對肽骨的扭轉力矩較小）

6、復合載荷：骨同時受到兩種或兩種以上載荷的作用。

如圖顯示行走和小跑時成人脛骨前內側面的應力。正常行走時，足跟著地時為壓應力，支撐階段為拉應力，足離地時為壓應力。在步態(tài)周期的后部分呈現(xiàn)較高的剪應力，表示存在顯著的扭轉載荷，提示在支撐時相和足趾離地時相脛骨外旋。

慢跑時的應力方式完全不同。在足趾著地時先是壓應力，繼而在離地時轉為高拉應力，而剪應力在整個支撐期間一直較小，表明扭轉載荷很小，如圖

（三）骨結構的生物力學特征：

1、彈性和堅固性：

骨的彈性是由骨中有機物形成的。堅固性又稱硬度或剛性，是由無機物形成的。（有人認為骨中的骨膠原承受拉應力，鈣鹽承受壓應力）。c骨是人體理想的結構材料一質輕而強度大。

2、各向異性和應力強度的方向性：各向異性是指骨在不同方向上的力學性質不同。

應力強度的方向性是指由于骨的各向異性使骨對應力的反應在不同方向上不相同。c骨是一種復合材料結構，其力學性能不僅與其物質成分有關，而且與其結構有關。即其力學性能具有較強的對成分和結構的依賴性。（結構關系包括各成分的幾何形狀，纖維與基質之間的結合，纖維接觸點的結合等）

骨的各向異性和應力強度的方向性表現(xiàn)在骨不同部位的差異和某一點上各個方向力學性能的差異。（例如不同部位的密度和強度不同；橫向與縱向的壓縮模量不同)

從顯微組織分析來看，針狀的無機鹽晶體和骨膠原纖維主要是沿縱向排列。其中較少的一部分沿周向排列。其主要作用是聯(lián)系和約束縱向纖維，使縱向纖維在壓縮和彎曲載荷的作用下不會失穩(wěn)。

3、殼形（管形）結構：管形結構的主要特點是只在力的承受及傳遞的路徑上使用材料，而在其他地方是空洞。（節(jié)省材料）

人體的長骨，如股骨、脛骨、肽骨等以其合理的截面和外形而成為一個優(yōu)良的承力結構。其圓柱外型可以承受來自任何一個方向的力的作用；其空心梁和同結構的實心梁具有同樣的強度，而可節(jié)省約1/4的材料，這樣就可以用最少的材料而獲得最大的強度，同時達到了質輕的效果。

人體骨的管形結構在彎曲載荷和扭轉載荷下充分體現(xiàn)了其結構的最優(yōu)化。

橫梁受到彎曲載荷，會在橫梁的頂部產生壓應力，底部產生拉應力，越往中部應力越小。一般來說，任何形狀的梁的中部都受到很小的應力。在彎曲載荷下，彎曲變形最大的部分往往在骨的中部。而較高強度的骨密質在長骨的中部最厚，在兩端較薄，正好適應受力的需要。

4、均勻強度分布

均勻強度分布指在特定的加載條件下，材料的每一部分受到的最大應力相同。骨的內部組織情況也顯示骨是一個合理的承力結構。根據對骨骼綜合受力情況的分析，凡是骨骼中應力大的區(qū)域，也正好配上了其強度高的區(qū)域。如下肢骨骨小梁的排列與應力分布十分相近?？梢姽悄芤暂^大密度和較高強度的材料配置在高應力區(qū)，說明雖然骨的外形很不規(guī)則，內部材料分布又很不均勻，但卻是一個理想的等強度最優(yōu)結構。

2骨小梁在長骨的兩端分布比較密集，其優(yōu)點有二：一是當長骨承受壓力時，骨小梁可以在提供足夠強度的條件下使用比骨密質較少的材料。二是由于骨小梁相當柔軟，當牽涉大作用力時，例如步行、跑步及跳躍情況下，骨小梁能夠吸收較多的能量。

5、耐沖擊力和耐持續(xù)力差：骨對沖擊力的抵抗和持續(xù)受力能力較其它材料差。抗疲勞性能也差。