关节软骨的生物力学特性PPT课件
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关节软骨的生物力学共31页文档
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
60、人民的幸福是至高无个的法。— —常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
关节软骨的生物力学
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
关节软骨的生物力学
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
关节解剖及生物力学ppt课件
▪ 闭孔动脉：起自髂内动脉前干，脐动脉稍下方，沿盆侧壁前行，经闭膜管处闭孔，发出前后两 支。前支营养闭孔外肌，耻骨肌和股薄肌等。后支在髋臼切迹处发出髋臼支，并发一股骨头韧 带动脉。闭孔动脉前后支吻合形成动脉环，并与旋股内侧动脉吻合。
▪ 臀上动脉：为髂内动脉后干的终支，经梨状肌上孔出现于臀部，分为浅深两支。浅支至臀大肌 深面，分支营养该支。深支位于臀中肌深面，分上下两支。上支沿臀小肌上缘前进，止于近侧 关节囊。下支在臀中小肌之间外行，滋养改两肌。
附着处 ❖ 外侧胫骨关节面的前1/3为逐渐上升的凹面，后2/3为逐渐下降的
股骨头-球形，直径4-5cm，除
股骨头凹外都附有厚薄不一的透明 软骨；股骨头凹附有股骨头韧带； 头关节面与髋臼软骨密切对合，与 髋臼窝软组织相贴
关节内压达到11.25Kg
股骨颈-和近端干骺端有15°-20°
的前倾角
大转子，小转子
髋关节解剖
髋关节解剖
髋关节解剖
股骨干-管状结构，内有骨髓充填，假体的选择取决于股骨近端髓腔的构型；股骨干中轴和股
单腿站立：同侧外展肌维
持骨盆的稳定.此时髋关节 所受合力约为体重的2.54.0倍
髋关节生物力学
外展肌和内收肌的解 决方式：
大转子外移 髋臼内陷 股骨颈长度 颈干角
偏心距的改变
膝关节解剖
膝关节解剖
❖由股骨、胫骨、髌骨组成 ❖包括三个关节：髌股关节、内侧胫股关节、外侧胫股关节 ❖属于滑膜关节 ❖提供行走、跑步时的负重
间窝中点的连线，可以作为 屈膝位股骨前后髁截骨的参 考轴线
髁上轴线（epi）：股骨外
上髁和内上髁的连线，此轴 线与AP轴线垂直
后髁轴线（pc）：内外两
侧股骨后髁的连线，此轴线 与髁上轴线有3°夹角
▪ 臀上动脉：为髂内动脉后干的终支，经梨状肌上孔出现于臀部，分为浅深两支。浅支至臀大肌 深面，分支营养该支。深支位于臀中肌深面，分上下两支。上支沿臀小肌上缘前进，止于近侧 关节囊。下支在臀中小肌之间外行，滋养改两肌。
附着处 ❖ 外侧胫骨关节面的前1/3为逐渐上升的凹面，后2/3为逐渐下降的
股骨头-球形，直径4-5cm，除
股骨头凹外都附有厚薄不一的透明 软骨；股骨头凹附有股骨头韧带； 头关节面与髋臼软骨密切对合，与 髋臼窝软组织相贴
关节内压达到11.25Kg
股骨颈-和近端干骺端有15°-20°
的前倾角
大转子，小转子
髋关节解剖
髋关节解剖
髋关节解剖
股骨干-管状结构，内有骨髓充填，假体的选择取决于股骨近端髓腔的构型；股骨干中轴和股
单腿站立：同侧外展肌维
持骨盆的稳定.此时髋关节 所受合力约为体重的2.54.0倍
髋关节生物力学
外展肌和内收肌的解 决方式：
大转子外移 髋臼内陷 股骨颈长度 颈干角
偏心距的改变
膝关节解剖
膝关节解剖
❖由股骨、胫骨、髌骨组成 ❖包括三个关节：髌股关节、内侧胫股关节、外侧胫股关节 ❖属于滑膜关节 ❖提供行走、跑步时的负重
间窝中点的连线，可以作为 屈膝位股骨前后髁截骨的参 考轴线
髁上轴线（epi）：股骨外
上髁和内上髁的连线，此轴 线与AP轴线垂直
后髁轴线（pc）：内外两
侧股骨后髁的连线，此轴线 与髁上轴线有3°夹角
关节软骨的生物力学特性PPT课件
节运动。
精品ppt
11
• 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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12
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
2021/3/8
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31
• 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。
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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13
关节软骨的组成成分
2021/3/8
关节软骨层结构的精品简pp要t 图解
14
关节软骨的组成成分
胶原纤维 蛋白多糖 软骨细胞 水分
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显微镜下的关节软骨
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胶原纤维
• 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。
骨生物力学教学ppt课件
劳寿命是无限的，该应力水平称疲劳极限。 疲劳极限是一个安全控制数据，只要应力
低于它，不管周期数目多少是不会短裂的。
43
骨单位密度较高的骨，抗疲劳性能较好， 有助于防止骨折-因骨的胶接线及中央管制 止裂隙扩展。
44
ห้องสมุดไป่ตู้
3.骨折治疗生物力学
接骨原则：1.血供。2.维持骨生理和力学环 境。
弹性固定好，活动度难掌握。牢固固定， 缺点骨愈合不牢固。
松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）
13
1.骨皮质
骨皮质 其材料特性取决于骨组织负荷或变形率。 骨皮质快速受力较缓慢受力吸收的能量大。 骨组织应力-应变特征：骨皮质纵向骨小梁
排列比横向强度大，硬度也较强。（长骨 长轴比横轴更对抗应力）
14
应变率
表示骨受力过程中变形迅速的程度
骨骼系统的特点 几何学复杂：管状骨、不规则骨、扁骨等 力的类型复杂 应力和应变复杂
7
屈服(失控) ： 应力达到某一点时，提示骨 小梁断裂开始（屈服用Y点），且持续时间 较长，骨小梁断裂逐渐增多（极限用U点）。
材料的硬度：弹性模量（应力比应变） 拉力和压力作用于棒产生45°剪应力。
负荷，90%可瞬间恢复。 软骨的渗透性很低，通过压力梯度和挤压
渗透。机械反刍调节机制
22
4.2 软骨的张力特性
软骨主要抗张力成分----胶原纤维 （软骨张力硬度取决于胶原纤维含量多少
和排列次序） 张力继发于压力 软骨表面胶原纤维的主要排列方向与压力
垂直关节产生的最大表面张力相一致， 张力强度随关节面下的深度增加而减少。
骨结构(弯曲)本身：减低弯应力
骨空心结构：比实心结构承受弯曲及旋转
低于它，不管周期数目多少是不会短裂的。
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骨单位密度较高的骨，抗疲劳性能较好， 有助于防止骨折-因骨的胶接线及中央管制 止裂隙扩展。
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ห้องสมุดไป่ตู้
3.骨折治疗生物力学
接骨原则：1.血供。2.维持骨生理和力学环 境。
弹性固定好，活动度难掌握。牢固固定， 缺点骨愈合不牢固。
松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）
13
1.骨皮质
骨皮质 其材料特性取决于骨组织负荷或变形率。 骨皮质快速受力较缓慢受力吸收的能量大。 骨组织应力-应变特征：骨皮质纵向骨小梁
排列比横向强度大，硬度也较强。（长骨 长轴比横轴更对抗应力）
14
应变率
表示骨受力过程中变形迅速的程度
骨骼系统的特点 几何学复杂：管状骨、不规则骨、扁骨等 力的类型复杂 应力和应变复杂
7
屈服(失控) ： 应力达到某一点时，提示骨 小梁断裂开始（屈服用Y点），且持续时间 较长，骨小梁断裂逐渐增多（极限用U点）。
材料的硬度：弹性模量（应力比应变） 拉力和压力作用于棒产生45°剪应力。
负荷，90%可瞬间恢复。 软骨的渗透性很低，通过压力梯度和挤压
渗透。机械反刍调节机制
22
4.2 软骨的张力特性
软骨主要抗张力成分----胶原纤维 （软骨张力硬度取决于胶原纤维含量多少
和排列次序） 张力继发于压力 软骨表面胶原纤维的主要排列方向与压力
垂直关节产生的最大表面张力相一致， 张力强度随关节面下的深度增加而减少。
骨结构(弯曲)本身：减低弯应力
骨空心结构：比实心结构承受弯曲及旋转
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
关节的力学特性 ppt课件
关节的力学特性
ppt课件
1
关节是骨骼的连接处，骨骼运动的枢纽。肌 肉是运动的动力。
ppt课件
2
分类
按运动类型分类： 1)不动关节（颅骨） 2)微动关节（椎间盘，耻骨联合） 3)活动关节（滑膜关节）
ppt课件
3
第一节 总论
定义
骨与骨之间借纤维组织、软骨或骨相连，称 为骨连结。
总 论
为构成关节各相关骨的关节一般由关节头和关节窝组成表总论二关节的辅助结构1韧带连于相邻两骨之间的致密结缔组织束囊外韧带纤维层外如腓侧副韧带囊韧带纤维层局部增厚如轮匝带囊内韧带囊内韧带滑膜层与纤维层之间滑膜层与纤维层之间如交如交总论叉韧带2关节内软骨关节腔内的纤维软骨1关节盘圆盘状半月形附于关节囊分隔关节腔
ppt课件
18
关节挛缩
关节挛缩是骨关节与肌肉伤病后关节内外或周围的纤 维组织紧缩和缩短所引起的该关节的活动范围受限。 常见于骨骼、关节和肌肉系统损伤及疾病后、各种类 型的神经瘫痪以及长期卧床、长期坐轮椅的患者，均 可造成明显的肢体功能障碍。 关节挛缩多为先天性且多发性是因肌肉、关节囊及韧 带纤维化，是以关节僵直为特征的。关节周围软组织 缩短所致的关节活动范围受限，其临床疗效不十分理 想。无论何种原因所致的关节挛缩，其基本病因大多 为关节长期制动。
二、软骨连结
(一) 透明软骨结合 如：蝶枕结合、肋软骨 (二) 纤维软骨结合 如椎间盘、耻骨联合
三、骨性结合
如：骶椎间、髋臼处
ppt课件 8
总 论
四、关节或滑膜关节
骨的间接连结又称关节或滑膜 关节，是骨连结的最高分化形 式。 特点：有滑液腔隙，充以 滑液，活动较大。
(一) 关节的基本构造
ppt课件
1
关节是骨骼的连接处，骨骼运动的枢纽。肌 肉是运动的动力。
ppt课件
2
分类
按运动类型分类： 1)不动关节（颅骨） 2)微动关节（椎间盘，耻骨联合） 3)活动关节（滑膜关节）
ppt课件
3
第一节 总论
定义
骨与骨之间借纤维组织、软骨或骨相连，称 为骨连结。
总 论
为构成关节各相关骨的关节一般由关节头和关节窝组成表总论二关节的辅助结构1韧带连于相邻两骨之间的致密结缔组织束囊外韧带纤维层外如腓侧副韧带囊韧带纤维层局部增厚如轮匝带囊内韧带囊内韧带滑膜层与纤维层之间滑膜层与纤维层之间如交如交总论叉韧带2关节内软骨关节腔内的纤维软骨1关节盘圆盘状半月形附于关节囊分隔关节腔
ppt课件
18
关节挛缩
关节挛缩是骨关节与肌肉伤病后关节内外或周围的纤 维组织紧缩和缩短所引起的该关节的活动范围受限。 常见于骨骼、关节和肌肉系统损伤及疾病后、各种类 型的神经瘫痪以及长期卧床、长期坐轮椅的患者，均 可造成明显的肢体功能障碍。 关节挛缩多为先天性且多发性是因肌肉、关节囊及韧 带纤维化，是以关节僵直为特征的。关节周围软组织 缩短所致的关节活动范围受限，其临床疗效不十分理 想。无论何种原因所致的关节挛缩，其基本病因大多 为关节长期制动。
二、软骨连结
(一) 透明软骨结合 如：蝶枕结合、肋软骨 (二) 纤维软骨结合 如椎间盘、耻骨联合
三、骨性结合
如：骶椎间、髋臼处
ppt课件 8
总 论
四、关节或滑膜关节
骨的间接连结又称关节或滑膜 关节，是骨连结的最高分化形 式。 特点：有滑液腔隙，充以 滑液，活动较大。
(一) 关节的基本构造
关节软骨的生物力学特性培训课件
透明软骨、纤维软骨和弹性软骨。
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
2
(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
3
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
10
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。
17
1/11/2021
软骨细胞和水分
1/11/2021
软骨细胞
关节软骨的生物力学特性
18
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
1/11/2关02节1 软骨的生物力学特性
2
(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
3
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
10
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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1/11/2021
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
膝关节生物力学 ppt课件
PPT课件 22
关节的形合度
在正常膝关节的0-120度屈曲中： 内侧半月板的飘移可达5 mm， 外侧半月板的飘移则达11 mm。
PPT课件
23
关节的形合度
PPT课件
24
TKA的关节形合度
在TKA后，股骨髁与胫骨垫的形合度远高 于生理性膝，因此关节接触面大，接触应力 小、磨损也可能小。 但这一高形合度降低了关节的自由活动， 从而可能减小关节的活动范围，增加聚乙烯 内和假体-股骨界面上的应力集中。 形合度增加与活动度减小之间的矛盾被称 为是“运动学冲突”
PPT课件 6
膝内翻与膝外翻 膝内/外翻
PPT课件
7
股骨解剖轴
解剖轴：是股骨、胫骨髓腔线与 胫股关节线相交形成的角度。
股骨解剖轴呈5-9度外翻，在个子 较小的患者，这一角度将会较大。
PPT课件
8
股骨髁与下肢力线的关系 股骨解剖轴与机械轴
PPT课件
9
胫骨解剖轴
胫骨的解剖轴在胫骨干的中央，它 与胫骨关节面垂线之间有3度的内翻角 。从侧面观，胫骨关节表面有一5-7度 的后倾。
PPT课件
3
下肢力线 机械轴与解剖轴
解剖轴 机械轴
PPT课件 4
机械轴
机械轴：股骨头中心——胫 骨平台中心——踝关节中心 正常的机械轴能使60%的负 荷通过内侧间室、40%的负荷 通过外侧间室。
发育、关节炎、创伤等能改 变机械轴，从而改变负荷在两 侧间室的分布比例，引起进行 性退变。
PPT课件
因无法照顾到这一复杂的活动，是加速 高限制性全膝关节假体失败的主要原因。 特别是在高限制性的早期“铰链膝”，后 者仅有伸屈一个方向上的活动
PPT课件 27
膝关节的运动 膝关节活动
关节的形合度
在正常膝关节的0-120度屈曲中： 内侧半月板的飘移可达5 mm， 外侧半月板的飘移则达11 mm。
PPT课件
23
关节的形合度
PPT课件
24
TKA的关节形合度
在TKA后，股骨髁与胫骨垫的形合度远高 于生理性膝，因此关节接触面大，接触应力 小、磨损也可能小。 但这一高形合度降低了关节的自由活动， 从而可能减小关节的活动范围，增加聚乙烯 内和假体-股骨界面上的应力集中。 形合度增加与活动度减小之间的矛盾被称 为是“运动学冲突”
PPT课件 6
膝内翻与膝外翻 膝内/外翻
PPT课件
7
股骨解剖轴
解剖轴：是股骨、胫骨髓腔线与 胫股关节线相交形成的角度。
股骨解剖轴呈5-9度外翻，在个子 较小的患者，这一角度将会较大。
PPT课件
8
股骨髁与下肢力线的关系 股骨解剖轴与机械轴
PPT课件
9
胫骨解剖轴
胫骨的解剖轴在胫骨干的中央，它 与胫骨关节面垂线之间有3度的内翻角 。从侧面观，胫骨关节表面有一5-7度 的后倾。
PPT课件
3
下肢力线 机械轴与解剖轴
解剖轴 机械轴
PPT课件 4
机械轴
机械轴：股骨头中心——胫 骨平台中心——踝关节中心 正常的机械轴能使60%的负 荷通过内侧间室、40%的负荷 通过外侧间室。
发育、关节炎、创伤等能改 变机械轴，从而改变负荷在两 侧间室的分布比例，引起进行 性退变。
PPT课件
因无法照顾到这一复杂的活动，是加速 高限制性全膝关节假体失败的主要原因。 特别是在高限制性的早期“铰链膝”，后 者仅有伸屈一个方向上的活动
PPT课件 27
膝关节的运动 膝关节活动
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显微镜下的关节软骨
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15
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。
2021/3/16
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16
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。
• 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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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
2021/3/16
• 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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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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动关节的润滑作用机制
• 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。
2021/3/16
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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。
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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。
关节软骨的生物力学特性
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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
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➢特性：软骨组织是一种固态结缔组织，略 有弹性，内无血管、淋巴管和神经。
➢功能：支持、保护。 ➢分类：根据所含纤维的不同，软骨可分为
透明软骨、纤维软骨和弹性软骨。
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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。
• 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
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洗瓶刷模型
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软骨细胞和水分
软骨细胞
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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。
• 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。
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• 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
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胶
纤
原
维பைடு நூலகம்
纤
软
维
骨
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（三）弹性软骨(elastic cartilage) ➢分布
耳廓、外耳道、咽鼓管、会厌等。 ➢结构
▪ 软骨基质内弹性纤维丰富。 ▪ 肉眼观察此类软骨呈黄色。
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弹
弹性纤维
性
软
骨
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二、关节软骨
• 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。
• 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。
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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。
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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。
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透
胶原原纤维
明
软
骨
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（二）、纤维软骨(fibrous cartilage) ➢分布
– 椎间盘、关节盘、耻骨联合面等。 ➢结构
▪ 软骨基质内胶原纤维丰富。 ▪ 肉眼观察此类软骨呈乳白色。
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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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• 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。