临床生物力学基础_3

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1、第三讲:骨科生物力学专题(续)1.关节软骨的生物力学2.肌腱和韧带的生物力学关节软骨的主要功能ß承受力学负荷；ß分散负荷；ß减小接触应力；ß润滑作用，减小关节面作相对运动时的摩擦力和磨损。关节软骨的结构与组成1.软骨由软骨细胞、基质和纤维组成，软骨细胞镶嵌在基质中。2.软骨具有确定的纤维组织（胶原、弹性)排列。3.软骨分为透明软骨、纤维软骨（含较多胶原纤维）和弹性软骨（含较多弹性纤维）。软骨分类弹性软骨:存在于耳垂、纤维软骨:存在于耻骨联透明软骨:存在骨的关节听觉管道和喉部。其构造合、关节的半月板、椎表面、鼻、呼吸道壁。与透明软骨相似，只是间新鲜时呈半透明状，较间盘中。其特点是

2、基质质内含有大量的弹性纤脆，易折断。透明软骨很少，其中含有大量的维，互相交织成网，具有间质中的纤维为胶原原胶原纤维束，平行或交很大的弹性。弹性软骨新纤维，含量较少，基质鲜时呈黄色。叉排列。较丰富。软骨细胞及其分区形态°关节软骨中软骨细胞约占组织容积的10%；°软骨细胞分泌细胞外基质的成分，包括Ⅱ型胶原纤维和蛋白多糖；°在关节软骨浅表区内，软骨细胞呈长圆形，长轴与关节面平行；软°在关节软骨中间区内，软骨细胞骨呈圆形，分散杂乱；囊°在深区内，软骨细胞呈柱状排列。软骨中的胶原纤维°软骨中胶原含量占软骨组织净重的10～30%；°原胶原纤维平均直径25～40nm；°软骨中Ⅱ型胶原比骨、韧

3、带和肌腱内的I型胶原更细，使其能在软骨内分布最大化，且分布不均匀。软骨中胶原的分区排列°浅表层区占总厚度的10～20%，呈细而致密紧排的纤维不规则交织于与关节面平行的面上；°中间层占总厚度的40～60%，排列紊乱，纤维之间距离较大，分布不均；°深区约占总厚度的30%，纤维密集排列，形成辐射状纤维束，穿越关节软骨与其下的钙化软骨之间，形成一个交锁的“根”系统，使软骨能扎根在下面的骨结构内。胶原纤维形态II型胶原I型胶原弹性纤维形态软骨中的蛋白多糖°软骨组织内蛋白多糖为净重的3～10%，为大分子蛋白多肽单体或聚集体，比较集中于中间层；°蛋白多糖中的多糖链为杂多糖，因其组成成分中均含

4、氨基已糖，所以称为氨基多糖或糖胺聚糖(GAG)。常见的氨基多糖包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素和肝素等；°这种蛋白多糖聚集体可使蛋白多糖在胶原网内得到稳定并可增加细胞外基质的结构硬度。关节软骨的抗压缩能力与软骨基质中蛋白多糖的数量成正比。氨基多糖基质组成基质软骨中的水°软骨组织内水、无机盐和少量其他基质蛋白、糖蛋白和脂肪占约60～87%。°水在关节内分布不均。近关节面最多（约80%），越近深区水越少，到深区为65%；°约有30%的水与胶原原纤维密切相关并占据分子内间隙，当组织受负荷时水可自由流动；°软骨组织受到负荷时约70%的水流动，这种流动对软骨力学行为的控制和关节的润滑

5、有重要意义。关节软骨的物理结构°关节软骨中胶原原纤维和蛋白多糖属于关节的结构成分，支持施加于关节软骨上内在的应力负荷。这些结构成分和水一起，决定了软骨的生物力学行为；°Ⅱ型胶原纤维、蛋白多糖单体、透明质酸纤维及其他成分之间相互作用形成多孔的组合性纤维网，使基质具有固体所具有的力学性质，能抵抗关节的应力与应变；°关节软骨也是各向异性的双相（液体相和固体相）复合材料。负荷方向不同，材料性能各异。这与胶原纤维排列方向、交联密度及胶原与蛋白多糖的相互作用方式有关；°软骨的这种结构有利于液体在应力作用下产生流动，使无血管的软骨组织内气体、营养和废物产生扩散，使软骨细胞与周围营养丰富的滑液

6、之间进行物资交换。关节软骨的粘弹性°关节软骨为多孔材料，组织间隙中充满着液体。在应力作用下，液体可在组织中流进流出：当软骨组织膨胀时液体流入组织，当软骨组织收缩时液体流出组织。°软骨中蛋白多糖和胶原对承受负荷起重要作用。软骨对压力的反应取决于基质内液体的流动，蛋白多糖维持和调节水的流动，因而决定了软骨的压缩特性。软骨中胶原和蛋白多糖嗜水性强，其变形特征与吸水量和承受外力的速度密切相关。挤压越快，水分越难流出，反之越易流出。°软骨处于恒定负荷或者恒定变形时，其反应具有时间依赖性，因此软骨具有粘弹性特征，即具有对恒定载荷下的蠕变行为和对恒定应变的应力松弛效应。关节软骨蠕变特征施加恒

7、定应力在软骨面上，在初期阶蠕变平衡时所需时间与组织厚度的平方呈段，由于基质内液体渗出较快，早期正比。人和牛关节软骨较厚：2～4mm，应变增加快，当流动减慢直到停止需4～16小时达到平衡；家兔关节软骨厚时，应变改变降低直到恒定。度小于1.0mm，约需1小时达到平衡。无渗出液平衡应变大量渗出液关节软骨应力松弛保持恒定应变，应软骨从A挤压至B点后保持恒定应变，液体渗出并力随时间下降直至在B点达到应力最大值，B点后发生应力松弛，直平衡应力。至平衡应力。关节软骨的渗透性°关节软骨是多孔性泡沫材料，因孔