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第四章关节的生物力学讲课文档
第二节 人体关节的生物力学
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2.1 肩关节受力分析
肩关节由肩胛骨的关节盂和肱骨头构成，是典 型的球窝关节。肩关节松弛，关节腔宽大，韧带 少且弱，是不太稳定的关节，常发生脱位。
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2.1 肩关节受力分析
⑴肩关节结构的稳定性及运动幅度
15=30N。
前臂屈曲在其他角
度时，计算过程相对复
Fm
T
dM
杂。
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dG G
2.2 肘关节受力分析
Fm
⑵肘关节受力分析
患者使用手杖时，前臂屈曲30°
角，手杖反力为Fc=150N，L1=3cm， L1
L2=36cm。计算此时肘关节肌肉力及 关节反力。
30°
L2
Fc
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1.2 关节的运动幅度和测量方法
⑴影响关节运动幅度的因素
两关节面弧度差：肱尺关节的
肱骨滑车弧度330°，尺骨半月切 迹弧度为190°，屈伸方向上的弧
度差为140°，肱尺关节运动幅度为
140°。两关节面弧度差越大，关节 运动幅度越大。
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1.2 关节的运动幅度和测量方法
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第四章 关节的生物力学
关节共同特性：
运动灵活性强：三维方向的屈曲和旋转，多种运动 同时发生；
关节囊摩擦系数很小，有较强的耐磨性； 有一定的强度、刚度，有一定的稳定性。
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第四章 关节的生物力学
维护关节稳定性三因素： 关节面构造形式，骨骼的协调和稳定；
韧带维持的静态稳定作用； 关节周围的肌肉起到的动态稳定作用。
关节软骨的生物力学特性研究
关节软骨的生物力学特性研究
董启榕;郑祖根
【期刊名称】《苏州大学学报（医学版）》
【年(卷),期】1999(019)003
【摘要】采用人和兔采关节软骨标本进行单向拉伸试验和粘弹性试验。
结果：人膝关节软骨拉伸强度为４．７５ＭＰａ；人、兔膝关节罗骨的粘弹性响应随时间的增而降低。
结论：软骨的结构完整性直接影响其力学性能，应力集中可造成软骨损伤。
【总页数】1页(P244)
【作者】董启榕;郑祖根
【作者单位】苏州医学院附属二院骨科;上海大学生物力学工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】R336
【相关文献】
1.肩髋膝关节软骨生物力学特性 [J], 赵宝林;张忠君;马洪顺
2.关节软骨细胞周基质生物力学特性的研究新进展 [J], 赵昱;段王平;韩俊亮;卢剑功;郭丽;李鹏翠;王小虎;卫小春
3.关节软骨干/祖细胞治疗关节软骨缺损研究进展 [J], 谭乔燕;李灿;谢杨丽;罗凤涛;杜晓兰;陈林
4.骨髓间充质干细胞复合关节软骨脱细胞基质修复兔关节软骨部分缺损的实验研究
[J], 张志勇;于光屹;陶丹丹;高岩;李健;方世宇
5.关节软骨的功能特征及治疗关节软骨缺损的研究进展 [J], 毛洪刚
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膝关节的生物力学特点
膝关节的生物力学特点
膝关节是人体关节中最大的单关节，具有较强的生物力学特点，其角度变化十分大，
可以发挥出优秀的功能。
它由三块独立的骨头、四个软骨的滑膜和四个韧带组成，是非常
复杂的结构，需要强大的支撑力和协调能力。
膝关节的角度变化主要受韧带和肌腱的结构及肌肉力量的影响，其可以在 0 到 135
度之间进行活动，肯定角度不同，膝关节的支撑力会有所变化，在 0 度时其支撑力最强，可上达 600N，大约占到了体重的一半，随着膝关节角度不断增大，支撑力会减弱，在
120 度处可达 300N，而大约在 135 度处支撑力便会渐渐减少，膝关节活动抵抗力相较于
膝关节支撑力来说，是一种较大的力量。
膝关节可以承受外界力的椎量，不被外界力所扰动。
膝关节在受力时，所传递的力经由四个面向骨头的面之间的韧带和软骨，再经由关节
壁向关节中心传递，因此可以保护到骨头之间的部分，有效的保护骨头的安全。
但是在集
中的力作用下，滑膜也可能面临损伤，形成软骨病变，从而影响到膝关节的功能。
此外，
膝关节中的韧带有着极大的弹性，它们上有高强度神经纤维组织，可以极速的收缩，它们
构成了一个良好的稳定系统，可以有效的应付受力的膝关节。
以上就是关于膝关节生物力学特点的概述，它具有承载大量力的能力，具有强大的力
学耐受力、活动抵抗力，并受到弹性韧带的补充，肌肉的协调力及软骨的特性，膝关节特
点众多，在健康的情况下，可以保持全面的功能。
在受伤后，我们应该重视治疗，并重视
预防，以免受伤时出现问题。
只有保持膝关节的健康，才能让我们发挥出最佳的功效。
人股骨头软骨生物力学性能实验研究
人股骨头软骨生物力学性能实验研究近年来，临床研究发现，人类的股骨头软骨在某些关节炎患者中可能出现功能损伤，导致抗肿瘤治疗效果降低，影响治疗效果。
因此，有必要研究人类股骨头软骨的生物力学性能，以更好地理解抗肿瘤治疗效果和进行更有效的关节炎治疗。
为了研究人类股骨头软骨的生物力学性能，我们设计了一个实验，在实验中我们取材于五名正常成年男性股骨头软骨组织采集，经酶消化后分离出单个软骨细胞，更详细的技术步骤可以参见文献[1]。
在实验中，我们采用了受控剪切试验，利用力学分析系统，测量各种载荷条件下软骨材料的弹性模量（E），极限应变（E s），屈服应变（E f），杨氏模量（G），以及塑性变形比（P）。
另外，为了更深入了解软骨材料的受拉拒性，我们把这些实验数据做进一步的统计学分析，得出了当软骨受到不同载荷条件作用时，其弹性模量、极限应变、屈服应变、杨氏模量及塑性变形比的变化规律。
实验结果表明，在受控应力或双向剪切下，软骨的弹性模量近似于常数，其值为0.18~0.20MPa，而极限应变的取值则受载荷条件的影响较大，两个方向的极限应变在2.5~3.0%之间，而屈服应变的取值在0.4~0.9%之间，而塑性变形比的取值受载荷的大小影响较小，参见文献[1]。
另外，由实验结果可以证明，软骨材料在静态强度方面有比较大的均匀性，但是在动态剪切试验中，软骨材料的细胞结构会发生变形，使得软骨材料的力学性能有一定的变化。
而这也是软骨材料在关节炎游离体和关节植入物等领域的应用中，研究者们必须对其性能进行详细调研的原因。
综上所述，通过对人类股骨头软骨材料的生物力学性能实验研究，我们可以更好地了解软骨材料的力学性能特征，从而为关节炎治疗和抗肿瘤治疗提供了理论参考。
此外，未来研究可以通过不同载荷条件下对软骨材料的其他力学行为，如力学损伤性能，蠕变性能和老化性能等进行研究，从而进一步了解人类股骨头软骨的生物力学性能。
关节软骨的生物力学特性
关节软骨的疲劳特 性是指关节软骨在 重复载荷作用下的 力学行为
疲劳特性的研究对 于理解关节软骨的 损伤机制和预防损 伤具有重要意义
关节软骨的疲劳特 性受到多种因素的 影响，包括载荷类 型、载荷频率、载 荷持续时间等
关节软骨的疲劳特 性可以通过实验和 数值模拟的方法进 行研究
Prt Five
关节软骨生物力学 特性的影响因素
软骨替代 材料：使 用人工合 成或生物 材料替代 软骨，但 需要解决 生物相容 性和力学 性能问题
关节镜下 微创手术： 通过关节 镜进行软 骨修复和 重建，但 手术难度 较大
机器人辅 助手术： 利用机器 人技术进 行软骨修 复和重建， 可以提高 手术精度 和成功率
基于关节软骨生物力学特性的假体设计
年龄对关节软骨生物力学特性的影响
年龄增长导致关节软骨 退化
软骨细胞活性降低，导 致软骨弹性和韧性下降
软骨基质合成减少，导 致软骨硬度增加
软骨磨损加剧，导致软 骨厚度减少
年龄相关的疾病，如骨 质疏松症，也会影响关 节软骨的生物力学特性
性别对关节软骨生物力学特性的影响
性别差异：男性和女性在关节软骨生物力学特性上存在差异 激素水平：性别差异可能导致激素水平不同，从而影响关节软骨生物力学特性 运动模式：性别差异可能导致运动模式不同，从而影响关节软骨生物力学特性 生理结构：性别差异可能导致生理结构不同，从而影响关节软骨生物力学特性
关节软骨的生物力学特性：弹性、塑性、粘弹性等 康复治疗的目的：恢复关节功能，减轻疼痛，提高生活质量 康复治疗的方法：物理治疗、运动治疗、药物治疗等 康复治疗的效果：改善关节功能，减轻疼痛，提高生活质量
THNKS
汇报人：XX
假体设计的基本原则：模拟 关节软骨的生物力学特性
关节软骨生物力学
4．润滑作用：在工程学中有两种基本润滑类型，界面润滑和液膜润滑。在某些负荷条件下，关节内的滑液可作为关节软骨的界面润滑剂，而这种润滑能力与滑液的黏滞度无关。如果承力不重，且接触面的相对运动速度较高，关节可能采用第二种润滑机制——液膜润滑。
5．磨损：磨损分两个部分，即承载面之间相互作用引起的界面磨损和接受体变形引起的疲劳性磨损。如果两承载面接触，可因粘连或磨损而产生界面磨损。即使承载面润滑作用好，由于反复变形，承载面可发生疲劳性磨损。疲劳性磨损之所以发生，是由于材料反复受压而产生微小的损伤累积所致。
6．关节软骨变性生物力学：关节软骨的修复和再生能力有限，如果承受应力太大，很快会出现全面破坏。可能与下列因素有关：
(1)承受应力的量级。
(2)承受应力峰值的总数。
(3)胶原蛋白多糖基质的内部分子和细微结构。
应力的过度集中可导致软骨的衰竭，如先天性髋臼发育不良、关节内骨折、半月板切除后等都可增加总负，是人体各部位活动杠杆的支点。关节的作用有：①保证人体的运动。②力的传递。③润滑作用。而关节软骨有其独特的力学性能，一般说来，它是一种各向异性的、非均匀的、具有黏弹性的、充满液体的可渗透物质。
1．软骨的负荷变形：关节软骨在承受压力(负荷)时会发生变形，并随时间变化变形加快，1小时后达到平衡。当压力消除后，原有的软骨厚度很快恢复。
2．渗透性：组织间液在流经软骨基质时，其输送机制主要有两种。第一种是组织间液体借助于组织两边液体的正压力梯度经过多孔的可渗透基质输送，液体的输送与压力梯度成正比。第二种是靠软骨基质的变形来输送液体。Mow通过实验证明，在增加压力发生变形时，健康软骨的渗透性大大降低。这样，关节软骨就阻止了所有的组织间液流出，这个生物力学调节系统与正常组织的营养需要、关节的润滑和承载能力、软骨组织的磨损程度有密切关系。
关节软骨的生物力学特性培训课件
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
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(一)、透明软骨(hyaline cartilage)
➢分布 • 关节、肋软骨、呼吸道等部位。
➢特点 • 新鲜时呈透明状，较脆，易折断。
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
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透
胶原原纤维
明
软
骨
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
• 其中，仅滑膜关节亦称为动关节，允许较 大幅度的活动。在正常年轻关节内，动关 节的关节骨末端覆盖了一层厚1-6mm、致 密且透明的白色结缔组织，称为透明关节 软骨。
• 关节软骨是一种十分特殊的组织，在一般
人的寿命期内都可以无损地承担高负荷关
节运动。
关节软骨的生物力学特性
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1/11/2021
• 但从生理学的角度上 看，关节软骨实际上 是一种孤立的组织， 没有单独的血液和淋 巴供应。它主要依赖 软骨下骨组织提供软 骨 下 部 近 1/3 的 血 供 ， 其余依赖滑膜周围毛 细血管的渗入。
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软骨细胞和水分
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软骨细胞
关节软骨的生物力学特性
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软骨各成分间结构上的相互作用
• 硫酸软骨素与硫酸角质素链上相距很近的硫 酸基和羧基团离子在生理PH溶液中被拉开， 留下了高浓度的固定负电荷产生分子内与分 子间的强电荷-电荷排斥力，使组织内保持一 种挺而伸展的状态。
一、软骨 (cartilage)
软骨细胞
软骨组织 基质
软骨
纤维
软骨膜
胶原原纤维 透明软骨 弹性纤维 弹性软骨 胶原纤维 纤维软骨
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
关节软骨、脊柱、腰椎的生物力学性能
关节软骨、脊柱、腰椎的生物力学性能软骨就像一块吸满水的多孔海绵物质，所以它的生物力学性能是固体基质和其渗透性的性能。
（一）渗透性液体通过关节软骨的多孔介质有两个重要的机械性现象：①施加压力阶段时，即软骨顶部的压力大于低部的压力，液体可被压进多孔的固体基质。
②另一方面，如果把坚实的多孔块放在液体饱和标本之上再加压，液体也会流动，这种流动是由挤压形变所引起的，这类形变将减少蛋白多糖大分子溶剂范围，反过来增加局部压力。
这样就使液体自组织内渗出。
在正常关节内，此两种功能同时发生于关节软骨。
（二）蠕动反应粘弹性物质在承受压力时，可出现蠕动反应(creep response)。
恒定负荷即时加于软骨上，并保持整个实验时间，则挤压形变将持续增加，软骨发生“蠕动”，直至渗出停止，固体基质完全承担负荷，也即是挤压应变与应力达到平衡，这就是固体基质的内在模量。
关节软骨对液流的抗力是很大的，即它的渗透性较低。
所以，液体的流动取决于负荷的速度和保持的时间，负荷迅速，移除也快，没有时间将液体挤出；软骨表现为弹性物质，负荷时发生变形，当负荷解除后，形态立即恢复。
如果负荷逐步增加而衡定，例如持久站立，软骨的变形将逐步增加，液体也被挤出；当负荷解除时，只要有足够的时间和足够的液体，软骨可恢复原来的形态。
前者称为弹性物性，或不依赖时间的因素；后者称为黏弹性物性，或依赖时间的因素。
至于抗张强度，离关节面越远，抗张强度越小，这表明表层有丰富和稠密的胶原。
好似一组富有韧性和抗磨损的组织，保护整个关节软骨，不被蠕动所损伤。
人体脊柱生物力学脊柱是一复杂的结构，其主要功能是保护脊髓并将载荷从头、躯干传递到骨盆。
２４块椎体互相形成关节，可在三个平面上运动。
脊柱的稳定由内源性和外源性提供，韧带和椎间盘提供内源性稳定，而叽肉则赋予外源性支持。
脊柱的功能单位指最小活动节段，包括两个椎体及其间的软组织。
椎体主要承受压缩载荷，椎间盘在力学和功能上都具有极其重要的作用。