骨的生物力學(xué)特征

（一)骨的成分與結(jié)構(gòu)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(xué)觀點來看，骨是理想的等強度優(yōu)化結(jié)構(gòu)。其中長骨結(jié)構(gòu)最為典型。長骨又稱管狀骨，兩端為骨松質(zhì)（呈海綿狀），中間為骨密質(zhì)。（骨密質(zhì)的多孔性程度占5~30%，骨松質(zhì)占30~90%）。

2、骨的有機成分組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，無機物填充在有機物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中（象鋼筋水泥結(jié)構(gòu)一樣）。

（二）不同載荷時骨的力學(xué)特征（骨對外力作用的反應(yīng)）：

根據(jù)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(zhuǎn)和復(fù)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(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)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(nèi)而反向的載荷，在骨內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變)壓縮載荷是骨最經(jīng)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(cè)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(nèi)不同時產(chǎn)生拉應(yīng)力（凸側(cè)）和壓應(yīng)力（凹側(cè)）。在最外側(cè)，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大，向內(nèi)逐漸減小，在應(yīng)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(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力或剪應(yīng)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(chǎn)生剪應(yīng)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(zhuǎn)：骨兩端受方向相反的扭轉(zhuǎn)力矩。骨將沿其軸線產(chǎn)生扭曲。（骨骼受到外力偶的作用而受到的載荷，在骨的內(nèi)部產(chǎn)生剪應(yīng)力。)

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

6、復(fù)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(nèi)側(cè)面的應(yīng)力。正常行走時，足跟著地時為壓應(yīng)力，支撐階段為拉應(yīng)力，足離地時為壓應(yīng)力。在步態(tài)周期的后部分呈現(xiàn)較高的剪應(yīng)力，表示存在顯著的扭轉(zhuǎn)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(yīng)力方式完全不同。在足趾著地時先是壓應(yīng)力，繼而在離地時轉(zhuǎn)為高拉應(yīng)力，而剪應(yīng)力在整個支撐期間一直較小，表明扭轉(zhuǎn)載荷很小，如圖

（三）骨結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)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(yīng)力，鈣鹽承受壓應(yīng)力）。c骨是人體理想的結(jié)構(gòu)材料一質(zhì)輕而強度大。

2、各向異性和應(yīng)力強度的方向性：各向異性是指骨在不同方向上的力學(xué)性質(zhì)不同。

應(yīng)力強度的方向性是指由于骨的各向異性使骨對應(yīng)力的反應(yīng)在不同方向上不相同。c骨是一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能不僅與其物質(zhì)成分有關(guān)，而且與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。即其力學(xué)性能具有較強的對成分和結(jié)構(gòu)的依賴性。（結(jié)構(gòu)關(guān)系包括各成分的幾何形狀，纖維與基質(zhì)之間的結(jié)合，纖維接觸點的結(jié)合等）

骨的各向異性和應(yīng)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(xué)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(jié)構(gòu)：管形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(zhì)輕的效果。

人體骨的管形結(jié)構(gòu)在彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷下充分體現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。

橫梁受到彎曲載荷，會在橫梁的頂部產(chǎn)生壓應(yīng)力，底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，越往中部應(yīng)力越小。一般來說，任何形狀的梁的中部都受到很小的應(yīng)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(zhì)在長骨的中部最厚，在兩端較薄，正好適應(yīng)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(yīng)力相同。骨的內(nèi)部組織情況也顯示骨是一個合理的承力結(jié)構(gòu)。根據(jù)對骨骼綜合受力情況的分析，凡是骨骼中應(yīng)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(yīng)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(yīng)力區(qū)，說明雖然骨的外形很不規(guī)則，內(nèi)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(jié)構(gòu)。

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(zhì)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?？蛊谛阅芤膊?。