第三章　骨和骨组织的生物力学

第一节　骨骼力学的几个基本概念

生物力学（biomechanics）是研究人体活动的力和运动的一门科学，在骨科领域中，应用生物力学的概念和原理解释人体正常和异常的解剖与生理现象，有助于医生更好地理解和治疗肌肉骨骼系统疾病。因此，生物力学已成为现代骨科医生必须具备的科学基础。

一、基本概念

人体运动器官的功能包括支撑与运动两个方面。骨骼是身体的坚强支柱，分为躯干骨、四肢骨和颅骨三大部分。成人的骨共有206块，就像一台机器共有206个构件，每个构件在人的日常生活、劳动和运动中都有足够的承载能力，它由三方面来衡量。

（一）要求骨骼有足够的强度

抵抗骨折的能力，如四肢骨在剧烈运动和强劳动时不应该发生骨折。

（二）要求骨骼有刚度

抵抗变形的能力，如脊柱在弯曲时不应该发生损伤或是侧凸。

（三）要求骨骼有足够的稳定性

保持平衡的能力，如长骨在压力作用下有被压弯的可能性，但在日常生活中始终保持原有直线平衡形状不变。

二、外力与内力

所谓力就是一个物体对另一个物体的作用，它可分为外力和内力。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，如人体在长跑时受到的外力为重力、迎面风力及地面反作用力等。当外力使物体发生变形时，物体内部分子之间伴随着一种抵抗力即为内力，例如，我们用手拉弹簧，就一定感到弹簧也在拉我们的手，拉力愈大，抵抗拉力也愈大。因此，外力越大，内力也越大。

三、应力与应变

任何物体只要在外力作用下，就一定要发生变形，同时又在物体内部引起内力，内力随着外力的加大而增大，它总是与外力维持平衡，从而使物体不发生破坏。在所考察物体截面某一点单位面积上的内力称为应力（图1-3-1-1）。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增大，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。

任何物体在受力时都会发生变形，变形点称为应变，内力强度点称为应力。应力即为单位面积上的内力。写成公式为：

应力是指局部力的强度，是单位面积上的力。应变是局部的变形，是形变量与原尺度之比。如果某骨承受了很重的力，超出了其耐受应力与应变的极限，即可造成骨骼损伤甚至发生骨折。

骨组织或其他结构材料（如不锈钢、钛或聚甲基丙烯酸甲酯）的弹性模量是该曲线起始部的线性部分的斜率（图1-3-1-2）。应力-应变曲线的斜率开始出现变化的位点是材料的屈服位点，此时记录的最大应力为该组织的极限强度。屈服位点出现之后，应力-应变的斜率变小为一个新的数值，被称为非弹性模量。应力-应变曲线下的面积反映了骨吸收能量的能力。吸收能量的能力随屈服强度的增加而增加，但是吸收能量的最大值一般在具有很高极限应变的骨组织中出现，在此屈服后变形期间的大量能量被吸收。为了解皮质骨在张力、压力、扭转和弯曲条件下的性能，可对骨组织在可控制载荷条件下进行应力-应变研究。

四、五种基本变形

骨骼在受到外力作用时都有不同程度的变形，一般骨骼受力时分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转五种基本变形（图1-3-1-3）。例如：运动员在进行吊环运动时上肢骨就受到拉伸作用；举重运动员挺举时四肢均受到压缩作用；弯腰时脊柱受到弯曲作用；体操运动员做转身动作时下肢骨受到扭转作用；车床剪切断肢体即为剪切作用等。但人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复合。例如，跌倒后桡骨远端骨折，既有剪切力又有压缩力等。

五、骨组织的力学特性

（一）各向异性

由于骨的结构为中间多孔介质的夹层结构材料，因而这种材料是各向异性体（不同方向的力学性质不同）。

（二）弹性和坚固性

骨组织大约有25%～30%是水，其余70%～75%是无机物和有机物，其中无机物（磷酸钙与碳酸钙）占60%～70%，有机物（骨胶原）占30%～40%。骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具有坚固性，能承受各种形式的应力。研究表明，无机物使骨具有抗压能力，而有机物使骨具有抗张能力。

（三）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，这和骨小梁的排列有关。

（四）耐冲击力和持续力差

载荷作用时，在骨中所引起的张力分布虽然一样，但效果不一样。两者相等时，冲击力在骨中引起的变化较大，即骨对冲击力的抵抗比较小。另外，同其他材料相比，其持续性能、耐疲劳性能较差。