骨的生物力学

一、材料力学的基本概念

（一）载荷

1、概念：通常指施加于物体或某种结构上的外力，或某种能引起物体结构内力的非力学因素称为载荷。

2、分类：

（1）静载荷：载荷由0渐增至某一值后不再改变，物体各部分不产生加速度或加速度很小可忽略。例如慢起倒立时，作用在手臂上的载荷。

（2）动载荷：使物体整体或某些部分产生显著加速度的载荷。又可分为冲击载荷和交变载荷。

①冲击载荷：物体在载荷的作用下，速度在极短时间内变化很大。此时的载荷称为冲击载荷。如网球、乒乓球拍击球、踏跳等。

②交变载荷：随时间作周期改变并多次重复地作用在物体上的载荷。（重复次数可达几十万次或几百万次），如马拉松跑时作用在运动员双腿骨骼上的载荷。

3、载荷的表现形式：

（1）拉伸载荷（2）压缩载荷（3）弯曲载荷（4）剪切载荷（5）扭转载荷（6）复合载荷。

（二）应变与应力

1、应变：物体在受到外力作用时，单位长度所产生的伸长或缩短或单位角度的变化叫做相对变形或应变。

（1）具体表现为物体的尺寸和几何形状的改变。

（2）其本质是在外力作用下，物体任意两点间的距离和任意两直线或两平面的夹角发生改变。

2、应力：物体单位面积上内力的大小。

（1）内力：由于外力作用而引起的固体内部各质点之间相互作用力的改变量。

（2）内力的产生是外力作用于物体的结果。由于外力的作用使物体发生应变而最终使物体内部产生内力。（有应变才有应力）

（3）注意在材料力学中内力是指某一物体内部各质点间相互作用力的改变量。

（4）任意方向的内力都可正交分解为垂直截面的法向分力和截面内的切向分力。（分别

用AN和AT表示）

（5）应力的单位是：工程中kg/cm2，国际单位kg/mm2，N/m2（帕Pa）

3、应力一应变曲线：

应力一应变曲线描述了应变过程中应力的变化过程。即应力随应变的改变量而变化的情况。（以拉伸实验为例，可分为四个阶段）

（1）弹性阶段：卸载后，变形能完全恢复的阶段。即发生弹性形变的阶段。特点是：弹性形变，应力一应变符合虎克定律。

（2）屈服阶段：在载荷作用下，形变继续增加而应力并不增加的阶段。特点是：时间较短，卸载后不再恢复原状，称为残余变形或塑性变形。

（3）强化阶段：屈服阶段后继续加载，物体抗变形能力又有所恢复的阶段。特点：是加载时应力继续增加，卸载后形变仅能恢复到屈服阶段。

（4）颈缩阶段：强化阶段后，应力随变形的增加而下降，直至试件断裂。特点是变形加大，应力减小，物体被破坏。

（三）粘弹性：

1、粘弹性：弹性材料的力学性质和粘性材料力学性质相结合的一种力学性质。

（1）弹性材料的力学性质是应力与应变成正比，材料能保持固定形状，在外力作用时，外力功转换为弹性能。

（2）粘性材料一般为流体，无固定形状，在外力作用下，外力功能转换为分子热消耗了。

（3）生物固体材料如骨、软骨、肌肉、血管壁、皮肤等都具有粘弹性。

2、粘弹性材料的力学特性：

（1）物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降，称应力松驰。（如肌肉的松驰）

（2）若应力保持一定，物体的应变随时的增加而增大，称蠕变。

（3）加载时的应力一应变曲线与卸载时应力一应变曲线不重合，称为滞后。

二、骨的生物力学特征：

人体骨共有206块，其功能是对人体起支持、运动和保护作用。按其形状可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨。从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。其中长骨结构最为典

型。长骨又称管状骨，两端为骨松质（呈海绵状），中间为骨密质。（骨密质的多孔性程度占5～30％，骨松质占30～90％）。

（一）骨的成分与结构特点：

1、骨组织由有机物和无机物组成。其中25%~30%是水，其余70%~75%是无机物和有机物。成人枯骨含1/3有机物（胶原纤维）和2/3无机物（主要是钙和磷等。）

2、骨的有机成分组成网状结构，无机物填充在有机物的网状结构中（象钢筋水泥结构一样）。

（二）不同载荷时骨的力学特征（骨对外力作用的反应）：

根据外力作用的不同，人体骨的受力形式可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷几种形式。

1、拉伸：骨的两端受到方向相反的拉力。（拉伸载荷是沿骨的长轴方向上，自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变）

人体悬重动作或手提重物时，骨干都要承受拉伸负荷。

在较大的拉伸载荷下骨会伸长。人体股骨和肱骨的拉伸强度相近，约为125×106N/m2。

2、压缩：骨的两端受到方向相反的压力。（压缩载荷是在骨的长轴方向上，加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变）

压缩载荷是骨最经常承受的载荷形式，常见于身体处于垂直姿势，一般一端是重力和外加负荷，另一端是支撑反作用力。压缩载荷能刺激新生骨的生长，促进骨折的愈合。人体骨承受压缩负荷的能力最强，股骨所能承受的最大压缩强度为170×106N/m2，比拉伸强度大36%。

3、弯曲：骨的两端受到横向或侧向的压力或拉力时，使骨弯曲。（使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。）

骨承受弯曲载荷时，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴”。所以长骨一般是中空的（省料，减重又不影响承受荷载）弯曲载荷一般是骨起杠杆作用时出现。例如负重弯举（杠铃）时前臂的受力。

骨承受弯曲载荷的能力较小，是造成骨伤和骨折的主要原因，所以足球比

赛规则禁止蹬踏。当摔倒时用直臂撑地造成骨拆的原因是由于支撑反作用力与胸大肌的拉力，对肱骨形成弯曲载荷。

4、剪切：载荷施加方向与骨表面平行或垂直，在骨内部产生剪切应力或剪应变。（标准的剪切载荷是一对大小相等、方向相反、作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动）

例如人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。

骨承受剪切载荷的能力低于弯曲和拉伸，而且垂直于骨纤维方向的剪切强

度要明显大于顺纤维方向的剪切强度。（人体骨受剪切载荷的情况较少）

5、扭转：骨两端受方向相反的扭转力矩。骨将沿其轴线产生扭曲。（骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。）扭转载荷常见于扭转动作中。例如掷铁饼出手时支撑腿的受力。骨承受扭转载荷的能力最小。如投掷标枪时，肘过分低，在肩的外侧经过，这个错误动作往往造成肱骨扭转性骨折。因为此时三角肌前部的作用力使肱骨上端产生逆时针方向扭转力

矩，而标枪的阻力（惯性力）使肱骨下端产生顺时针方负的扭转力矩。（动作正确时，相对肱骨的扭转力矩较小）

6、复合载荷：骨同时受到两种或两种以上载荷的作用。

如图显示了行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力。正常行走时，足跟着地时为压应力，支撑阶段为拉应力，足离地时为压应力。在步态周期的后部分呈现较高的剪应力，表示存在显著的扭转载荷，提示在支撑时相和足趾离地时相胫骨外旋。慢跑时的应力方式完全不同。在足趾着地时先是压应力，继而在离地时转为高拉应力，而剪应力在整个支撑期间一直较小，表明扭转载荷很小。

（三）骨结构的生物力学特征：

1、弹性和坚固性：

骨的弹性是由骨中有机物形成的。坚固性又称硬度或刚性，是由无机物形成的。（有人认为骨中的骨胶原承受拉应力，钙盐承受压应力）。骨是人体理想的结构材料一质轻而强度大。

2、各向异性和应力强度的方向性：

各向异性是指骨在不同方向上的力学性质不同。应力强度的方向性是指由于骨的各向异性使骨对应力的反应在不同方向上不相同。

骨是一种复合材料结构，其力学性能不仅与其物质成分有关，而且与其结构有关。即其力学性能具有较强的对成分和结构的依赖性。（结构关系包括各成分的几何形状，纤维与基质之间的结合，纤维接触点的结合等）骨的各向异性和应力强度的方向性表现在骨不同部位的差异和某一点上各个方向力学性能的差异。（例如不同部位的密度和强度不同；横向与纵向的压缩模量不同）从显微组织分析来看，针状的无机盐晶体和骨胶原纤维主要是沿纵向排列。其中较少的一部分沿周向排列。其主要作用是联系和约束纵向纤维，使纵向纤维在压缩和弯曲载荷的作用下不会失稳。

3、壳形（管形）结构：

管形结构的主要特点是只在力的承受及传递的路径上使用材料，而在其他地方是空洞。（节省材料）人体的长骨，如股骨、胫骨、肱骨等以合理的截面和外形而成为一个优良的承力结构。

其圆柱外型可以承受来自任何一个方向的力的作用；其空心梁和同结构的实心梁具有同样的强度，而可节省约1/4的材料，这样就可以用最少的材料而获得最大的强度，同时达到了质轻的效果。

人体骨的管形结构在弯曲载荷和扭转载荷下充分体现了其结构的最优化。横梁受到弯曲载荷，会在横梁的顶部产生压应力，底部产生拉应力，越往中部应力越小。

一般来说，任何形状的梁的中部都受到很小的应力。

在弯曲载荷下，弯曲变形最大的部分往往在骨的中部。而较高强度的骨密质在长骨的中部最厚，在两端较薄，正好适应受力的需要。

4、均匀强度分布

均匀强度分布指在特定的加载条件下，材料的每一部分受到的最大应力相同。

骨的内部组织情况也显示骨是一个合理的承力结构。根据对骨骼综合受力情况的分析，凡是骨骼中应力大的区域，也正好配上了其强度高的区域。如下肢骨骨小梁的排列与应力分布十分相近。可见骨能以较大密度和较高强度的材料配置在高应力区，说明虽然骨的外形很不规则，内部材料分布又很不均匀，但却是一个理想的等强度最优结构。

骨小梁在长骨的两端分布比较密集，其优点有二：一是当长骨承受压力时，骨小梁可以在提供足够强度的条件下使用比骨密质较少的材料。二是由于骨小梁相当柔软，当牵涉大作用力时，例如步行、跑步及跳跃情况下，骨小梁能够吸收较多的能量。

5、耐冲击力和耐持续力差：骨对冲击力的抵抗和持续受力能力较其它材料差。抗疲劳性能也差。

三、运动对骨的力学性能的影响

（一）适宜应力对骨的力学性能的良好影响

1、适宜应力原则

骨骼对体育运动的生物力学适应性本质上是骨骼系统对机械力信号（应力）的应变。有利的运动负荷及强度导致的骨应变会诱导骨量增加和骨的结构改善；应变过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折，应变过小或出现废用则导致骨质流失过快。因此对骨存在一个最佳的合适应力范围。

（1）研究揭示，力学信号激活骨细胞网络通路而成骨。尤其在达到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形态结构。在分子水平上，借助对力学易感基因的调控，调节细胞与基质局部力学生物学通路，经基因转录、翻译与翻译后修饰——力学转导信号网络，诱导成骨细胞的分化和成骨。

（2）力学信号（人体从出生后骨骼所受的外力）可概括为内源性肌肉收缩力与外源性反作用力。这些力对骨生长发育的调控主要通过调节软骨内生长与骨化、关节软骨的发育以及软骨周缘、骨膜的骨化和软骨内成骨。

（3）儿童少年时期的骨新陈代谢旺盛。这个时期进行合理的体育锻炼，更能促进骨的生长。相反，锻炼不足或长时间的错误姿势会使骨朝不正常的方向发展。而且研究表明，骨骼废用使骨密度下降和骨结构受损的速度远比体育锻炼对骨的有益影响快得多，而且恢复时间长且困难。

（4）骨对运动（特定环境下力的变化）的功能适应性的表现除了外部形态之外，还有截面形状、材料沿各方向的分布规律、内部结构等。（例如硬气功）

2、体育锻炼对骨的力学性能的良好影响：

（1）体育运动可促进儿童少年峰值骨量的增加，使成年人骨骼的骨量增加或保持骨量降低老年人骨量的丢失速度。

（2）长期坚持体育锻炼，使骨的血液循环得到改善，使骨密质部分增厚，骨变粗，骨面肌肉附着处突起明显。

（3）骨小梁的排列根据拉应力和压应力的方向排列更加整齐密集。使骨的坚固性增强，抗弯曲、抗压缩和抗扭转载荷的能力均有提高。

注意：当体育锻炼停止后，骨所获得的变化就会慢慢消失。因此，体育锻炼应经常化，锻炼的项目要多样化。专项训练与全面训练相结合。

（4）不同运动项目对骨的力学性能具有不同的影响

不同运动项目对骨的力学性能的影响表现在对人体不同部位骨的影响不同和不同运动形式对同一块骨的力学性质的影响不同。

例如①经常从事下肢活动的跑、跳项目的运动员，对下肢骨影响较大，对上肢骨影响较小。而经常练习举重的运动员，对上肢和下肢的影响都较大。②负重和冲击性体育运动项目（如跑、跳、投、田径项目、网球和垒球等球类项目）均有助于增加峰值骨量。③网球运动员击球臂骨的结构与密度的改善与提高，跳远运动员踏跳脚的第二跖骨直径增大；拳击运动员桡骨骨密质部分明显增厚等。

△关于应力对成人骨和生长发育中骨的影响：

外加机械力改变骨结构中的应力。而应力通常与骨组织之间存在着一种生理平衡。①对成人骨而言，骨组织的量与应力值成正比。②对生长发育中的骨，应力增加（外伤和过度训练）会引起骺软骨过早愈合，骨化提前。

（二）骨的运动损伤：

1、骨折的断裂形式及载荷方式

如果作用于骨骼上的载荷超过骨所能承受的强度极限，就会引起骨折。实际情况中的骨折绝大部分是由复合载荷引起的。

（1）拉伸载荷引起的骨折常见于跟骨。第五跖骨基底靠近腓骨短肌附着处的骨折以及跟腱靠近附着处的跟骨骨折都是由于拉力产生的骨折ミ

（2）压缩载荷引起的骨折常见于椎体。有时由于肌肉异常强烈的收缩，也可产生关节内压缩型骨折。

（3）弯曲载荷常见的是侧力弯曲载荷（纯弯曲载荷造成的骨折不多见），如三点弯曲。从侧面和后面对小腿腓骨击打极易造成这种骨折。因此，足球比赛规则严禁从侧面和后面铲击小腿。

（4）剪切载荷引起的骨折常见于跟骨、股骨髁与胫骨平台的剪切破坏，变形后产生相对位置变动。

（5）纯扭转载荷引起的骨折比较少见，一般是和其他的载荷形式组合在一起而引起的。如投掷标枪。

2、疲劳骨折（骨疲劳）

（1）骨疲劳的概念：反复作用的循环载荷超过某一生理限度时会使骨组织受到损伤，称为骨疲劳。

A周期性超强度运动训练可能导致骨微细结构的破坏。这些骨的微损伤随时间不断累积（常见于军事野营训练军人和长跑运动员），如得不到改建修复可导致骨强度下降，甚至发生疲劳性骨折。

（2）骨疲劳的特征：

①疲劳性骨折或永久性弯曲。

②周期性载荷引起的骨折，开始于应力集中点，形成蚌壳式裂纹。

③重复载荷的骨疲劳，引起的骨折往往是低载荷的情况。

④疲劳寿命随载荷增加而减小，随温度升高而减小，随密度的增加而增加。

⑤骨的疲劳极限为3.45KN/cm2。

疲劳骨折是一种在运动中常见的低应力性骨折。例如行军骨折。当骨受低重复载荷作用时，常可观察到疲劳细微骨折。疲劳骨折的产生不仅与载荷的大小和循环次数有关，而且还与载荷的频率有关。因为骨具有一定的修复重建功能（功能适应性），所以只有当疲劳断裂过程超过骨重建过程时疲劳骨折才会发生。

肌肉疲劳是下肢骨疲劳的一个原因（如图）。一般，持续性的运动或活动先是引起肌肉疲劳。当肌肉疲劳后，肌肉收缩力降低，从而改变了骨的应力分布，使高载荷出现，随着循环次数的增加，可导致疲劳骨折。骨折既可能出现在受拉侧，也可能出现在受压侧，或者两侧都出现。拉力侧骨折产生横向裂缝，且很快扩展为完全骨折；压力侧骨折发生比较缓慢，骨重建过程不太容易被疲劳过程超过，而且可能不扩展为完全骨折。

肌肉收缩能克服一部分作用于骨骼上的应力，起到保护骨骼的作用。

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