关节软骨的生物力学
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随着科学技术的进步和社会发展，骨骼和关节健康已成为现代生活中不可或缺的一部分。
在运动医学和生物力学方面的研究更加重视了软骨的作用。
人股骨头软骨具有重要的生物力学性能，对临床诊断及病因有重要的指导意义。
因此，人股骨头软骨的生物力学性能及其实验研究被认为是一个重要的研究，具有重要的理论及工程意义。
人股骨头软骨的组成特性是主要的影响其生物力学性能的决定因素，其中蛋白质组分对其弹性和耐久性起着重要作用。
基于此，研究发现，头软骨细胞周围区域蛋白质组分的比例和精细化程度可以直接影响组织的抗压强度、变形性能和耐久性。
此外，头软骨组织中存在大量水分，除了保持组织弹性外，还能在细胞结构层面对力学和机械性能起着保护作用。
要客观评价人股骨头软骨的生物力学性能，实验研究是不可或缺的。
目前，实验室采用多种技术研究人股骨头软骨的性能，其目的是了解软骨受力和变形的机制，以分析和模拟软骨头部受力侧负荷及内部结构的改变。
通过实验，可以研究软骨头部在不同负荷下的抗压性能，分析软骨的抗压、变形和恢复性能，分析软骨在不同应变量下的变形性能，并估计软骨的抗拉和抗剪强度。
另外，还可以通过力学实验研究人股骨头的特性参数，以提高软骨的力学结构模型的精度和实用性，为临床医学提供更好的指导。
此外，实验研究还可以用来探讨软骨材料特性，研究其因温度、湿度、化学物质等因素的变化而发生的变化，分析软骨耐久性的影响因素，并估计软骨的耐久性。
深入研究人股骨头软骨的弹性性能，可以为临床治疗提供有效的技术支持。
总之，人股骨头软骨生物力学性能实验研究是一个复杂的工程，研究者必须考虑组织结构和组分细胞结构层面的影响因素，以便全面揭示软骨机械性能的影响因素。
同时，必须考虑头软骨在负载中产生的变形过程，并考虑其施力负荷和变形的相互作用。
综上所述，人股骨头软骨的生物力学性能实验研究具有重要的理论及工程意义，可以为临床医学提供有效的技术支持。
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
第二十九页，共120页。
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。
第三十页，共120页。
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。
第五十一页，共120页。
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
第五十二页，共120页。
第二十页，共120页。
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。
第二十一页，共120页。
1.2 关节的运动幅度和测量方法
第五页，共120页。
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。
第六页，共120页。
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。
关节软骨生物力学特征
关节软骨生物力学特征
关节软骨是一种具有复杂生物力学性能的特殊组织。
它对于连接骨骼的骨头提供了极为重要的支持和缓冲作用。
以下是关节软骨的生物力学特征：
1. 压缩：关节软骨通常承受高压缩载荷。
在运动中，关节表面的骨头对软骨的压力很高，使得软骨需要具有较高的强度和弹性。
2. 弹性：关节软骨具有弹性，能够适应骨骼的运动和变化。
在弯曲和扭转时，软骨能够发生形变，但会恢复原状。
3. 摩擦力：关节软骨的表面非常光滑，能够减少骨头之间的摩擦力。
这种表面摩擦力也使得关节可以平稳地移动。
4. 吸震：关节软骨在接受冲击时具有吸震的作用。
在运动时，骨头之间的碰撞会产生冲击波。
软骨能够吸收这种冲击力，减少骨骼和关节的损伤。
5. 滑动：关节软骨的表面结构能够使骨头在运动时滑动，而不是摩擦。
这种滑动使得关节运动更加平稳，并且可以减少关节的磨损。
总之，关节软骨的生物力学特征极为重要，能够对骨骼的运动和保护发挥极大的作用。
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
关节的生物力学
软骨性连接
纤维性连接
• 动关节有：
• 滑膜连接（Synovial joints） • 动关节的两块骨之间会有腔隙。关节面会有关节软骨。整 个关节在外形上是一个关节囊.它由 • 外面的纤维膜 Membrana fibrosa （致密结缔组织） • 内面的滑膜 Membrana synovialis (一类似表皮组织的 结缔组织） • 关节韧带启动加固关节的作用。关节韧带分为囊外韧带和 囊内韧带两种。后者会部分过渡成为滑膜。 • 关节囊内有腔隙关节腔。内有粘性液体填充，称为滑液， 它是滑液膜的分泌物。
• • • • • •
自由度2 Flexion（弯曲） 120–140 Extension （伸展）0 Medial rotation （内旋）30 Lateral rotation （外旋）40 当身体有大的冲击时，如起跳，爬行，膝关节承 受的压力是身体的数倍。但是膝盖周边复杂的骨 和韧带加上肌肉都能很好的动态调节，时刻维持 着其稳定性。
• • • • • • • •
自由度 3 Flexion（弯曲） 90–120 Extension（伸展） 10–20 Abduction（外展） 30–45 Medial rotation（旋内） 30–40 Lateral rotation（旋外） 60 Circumduction Complete 在单脚站立的时候，髋关节承受3倍体重（BW） 的力量。大步行走或者跑步时，可能会增加到体 重的6倍左右
球窝关节
枢纽关节
车轴关节
椭球关节
鞍形关节
关节动力学
• 简单的说就是关节受到的力及其运动情况。但实 际运动过程中各个组织的受力，运动，变化又是 很复杂的。
数据分析
• 数据收集
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。
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软骨变性的生物力学
• 关节软骨的修复和再生能力有限，如果承 受应力太大，可能很快发生完全破坏。
– 高接触压力会减少液膜润滑的可能性。 – 固体表面凹凸不平点的接触，可引起显微应力 点的集中，使这些关节面材料发生磨损。
• 关节总载荷频率和数量的增加，可以解释 为什么某些职业的人员关节变性的发生率 高。
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软骨各成分间结构上的相互作用
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软骨各成分间结构上的相互作用
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关节软骨的生物学性质
• 渗透性
• 蠕变反应 • 润滑
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关节软骨的生物学性质
• 渗透性
– 表示液体流过多孔物质的固体基质时的摩擦阻 力。 – 渗透性越低，承载时液体流动阻力越大。与普 通海绵的渗透性相比，健康软骨的渗透性是很 小的。随着压力和变形的增加，健康关节软骨 的渗透性大大降低。因此，关节软骨具有一个 机械反馈调节机制，阻止组织间液完全流出。
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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。 • 当软骨面受力时，可发生瞬间变形，这主要 是糖蛋白区的形状改变所致，这种外加的应 力使软骨基质中的内压超过了膨胀压，引起 液体从组织中外流。
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• 如足球运动员的膝关节， 芭蕾舞演员的踝关节等。 • 骨关节病也可以继发于胶 原蛋白 - 糖蛋白基质的分 子或微观结构损伤，如类 风湿性关节炎等。
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Have a rest!
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• 软骨的蠕变反应
一个恒定的载荷瞬间 施加于关节上，在载 荷的作用下，软骨的 压缩变形连续增加， 直至获得一个平稳状 态或近似值，这就是 “蠕变”。
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蠕变
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界面润滑
• 润滑：界面润滑和液膜润滑
– 界面润滑是依靠单层润滑剂分子化学吸附到接触的固 体面上。作相对运动时，承载面受到互相滑动的润滑 剂分子保护，防止因表面粗糙发生的粘合和磨损。
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蛋白多糖
• 蛋白多糖是一种蛋白多糖大分子,由核心蛋白附着 了一个或多个粘多糖（硫酸角质素与硫酸软骨素） 组成。 • 糖蛋白有一特殊部分与胶原密切相连，并把胶原 纤维结合到一起。
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一个蛋白多糖大分子的简图
洗瓶刷模型
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软骨细胞和水分
软骨细胞
关节软骨的生物力学
• 人体的关节分为纤维状关节、软骨质关节 和滑膜关节三种类型。 • 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 2015-4-28 2 节运动。
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挤压液膜
• 发生于承载表面彼此垂直运动 ，流体的粘性抵抗力起到阻止 流体从间隙中溢出，且形成液 膜，生成支撑力。 • 在短时间内，挤压液膜机制足 以承受高负载，但是，液膜最 终会变得很薄，使得两个承受 面的凸起部分（定点）接触
• 软骨的近似无摩擦属性与人造材料不同。 用于解释刚性非渗透性材料（如钢铁）的 润滑作用的经典理论不能完全解释动关节 的润滑作用机制。 • 例如，当承受材料是非刚性的，而是相对 柔软的，如关节表面所覆盖的关节软骨， 会产生液膜润滑的动态流体滑膜模型与挤 压润滑模型的不同。
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液膜润滑
• 是一薄层的液膜将表面与表面分开，加载 时液膜内产生压力支持载荷。 • 液膜润滑的两种典型模型：工程学上定义 为动态流体与挤压液膜润滑。这些模型应 用于刚性承载面由相对不变形材料组成， 如不锈钢。
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动态流体
• 动态流体润滑常发生 于液膜润滑的不平行 的刚性承重表面，彼 此相对切线运动（即 彼此滑动），间隙内 液体形成楔状。 • 由于承载运动吸引液 体进入表面间的楔状 间隙，流体粘性产生 一个支撑力。
• 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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动关节的关节软骨的功能
• 其主要功能是： • ① 分散压力。关节软 骨受压时提供较大的 接触面以降低其上的 压力 • ② 关节面做动作时减 少摩擦力，降低磨损。
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• 相对柔软的表面承受滑动（动态流体）或 挤压液膜作用，且液膜内的压力使得表面 明显变形，这时的锐化称为弹性动态流体 润滑。 • 这样的润滑增大了表面面积和一致性，改 善了膜的几何性质。承载接触面积的增大 减少润滑剂从承载面之间流走，形成持续 较长时间的润滑剂膜，从而关节的应力降 低而更持久。
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关节软骨的组成成分
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关节软骨层结构的简要图解
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关节软骨的组成成分
胶原纤维
蛋白多糖 软骨细胞 水分
显微镜下的关节软骨
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胶原纤维
• 是体内含量最丰富的 蛋白。 • 高度结构性的组织， 可形成最佳的力学性 能。 • 胶原为关节软骨提供 一种纤维状超微结构， 这种胶原网和多水的 糖蛋白一起，共同抵 抗关节的应力和应变。
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