关节软骨生物力学特征
运动器系的生物力学
关节的构造特点决定环节不能作单方向无限制的转动，而只能 作往复转动或以关节为中心的圆锥形运动。生物运动链中各环节绕 关节轴转动可使末端环节作圆弧运动或平动，平动是生物运动链中 几个球节绕相应关节轴转动合成的结果。
（3）生物运动链中环节的自由度。
自由度：物体在空间运动，描述物体运动状态的独立变量的个数
1．动作系统的分类及特点
（1）周期性动作系统 ① 动作的反复性和连贯性； ② 动作的节律性； ③ 动作的交互性； ④ 动作的惯性作用。 （2）非周期性动作结合动作系统 ①
动作具有相对的独立性； ② 动作具有复杂性和稳定性。
（3）混合性动作系统
①
两种动作成分相互制约； ② 两种动作的组合部分是动作系统中的关键部分， 混合性动作系统中两种动作的组合部分比较困难 并容易出现错误。 （4）不固定动作系统 ① 动作系统复杂多变； ② 固定和不固定相结合。
（一）生物运动链
1．生物运动偶： 2．生物运动链：
两个相邻环节之间的可动连接。 两个或两个以上生物运动偶的 串联式连接。
（1）生物运动链类别及其特点；
开放链：末端为自由环节的生物运动链。（每个环节都能发生
立运动）
封闭链：无自由环节的生物运动链。（环节的运动互相牵连）
（2）生物运动链运动特点；
3．关节的灵活性和稳固性。 （1）影响关节灵活性的因素： 关节软骨、关节腔、关节囊内的滑液、滑膜皱 襞、粘液囊等。 关节内滑液： 1/10s时，柔软的弹性体； 1/100s时，关节动作灵活； 1/1000s时，坚硬的“固体”。 （2）维持关节稳固性的因素： 骨骼、肌肉、韧带、关节囊、关节软骨和关节腔 内的负压等。 二、关节动力学
X X
关节软骨的三大特点
关节软骨的三大特点关节软骨是人体骨骼系统中重要的组成部分之一，它具有许多独特的特点。
在本文中，我们将详细介绍关节软骨的三大特点，包括其结构、功能和重要性。
1. 结构特点关节软骨是一种光滑、均匀的组织，覆盖在关节表面，起到减少摩擦、吸收冲击和保护骨骼的作用。
它由细胞和基质两部分组成。
1.1 细胞关节软骨中的主要细胞是软骨细胞，也称为软骨母细胞。
这些细胞负责合成和维持软骨基质，以及修复受损的组织。
软骨细胞通常位于软骨组织的囊泡中，通过细胞间隙与周围的基质相连。
1.2 基质关节软骨的基质是由胶原纤维和大量的胶原质组成的。
它具有高度的弹性和抗压性，能够承受关节运动中的压力和冲击。
基质中还包含一定量的水分，使得关节软骨具有良好的减摩特性。
2. 功能特点关节软骨在关节的正常运动和功能中起着重要的作用。
它具有以下功能特点：2.1 减少摩擦关节软骨的光滑表面减少了关节骨头之间的摩擦。
当关节运动时，软骨表面形成了一个光滑的滑动面，使骨头能够顺畅地相互滑动，减少了摩擦力的产生。
2.2 吸收冲击关节软骨能够吸收关节运动中产生的冲击力。
当关节受到外力冲击时，软骨能够通过其弹性和抗压性，将冲击力分散和吸收，保护关节骨头和其他组织。
2.3 保护骨骼关节软骨在关节运动中起到保护骨骼的作用。
它能够分散关节运动中的力量，减少对骨骼的直接压力和冲击，从而减少骨骼的损伤和磨损。
3. 重要性关节软骨对于维持关节的正常功能和健康至关重要。
它的三大特点使其在关节运动中发挥着重要的作用。
3.1 保护关节结构关节软骨能够保护关节结构不受损伤。
它通过减少摩擦和吸收冲击，降低了关节骨头和其他组织的受损风险，从而维护了关节的结构完整性。
3.2 促进关节运动关节软骨的光滑表面使关节能够顺畅地运动。
它减少了摩擦力的产生，使关节骨头能够轻松地相互滑动，从而促进了关节的正常运动。
3.3 维持关节健康关节软骨的正常功能对于关节的健康至关重要。
它能够减少关节损伤和磨损，保持关节组织的正常状态，从而延缓关节退化和疾病的发展。
关节软骨的结构与生物力学的关系及MR成像
关节软骨的结构与生物力学的关系及MR成像堕垦兰盟分册ForeignMedica1SciencesClinicalRadio1.gicalFascicle2006Mar;29(2):123126骨肌放射学关节软骨的结构与生物力学的关系及MR成像广州暨南大学第一附属医院影像中心(510560)马立恒综述刘斯润审枝摘要软骨的疾病,特别是由软骨退变所致的骨关节炎越来越引起人们的重视.软骨退变由其生物化学成分变化开始,引起组织形态履生物力学的变化.针对关节软骨的生物化学成分,组织学形态特点,生物力学机制和骨性关节炎的生物力学机制履其MRI的现状进行综述.关键词关节软骨;生物力学;骨性关节炎;磁共振成像关节软骨是维持关节运动不可缺少的组织结构,一旦损伤,变性脱落,暴露软骨下骨质,骨与骨之间直接接触并相互摩擦,引起炎症反应,最终导致关节强直,功能丧失.近年来,随着关节软骨病变治疗方法的研究与进展,使关节软骨疾病早期治愈成为可能.因此,对早期诊断关节软骨病变提出了更高的要求,如精确诊断关节软骨早期病变的程度,数目及病变的范围等[1].一,关节软骨的生化成分及组织学特点与力学的关系关节软骨表面光泽,呈浅蓝色半透明状,附着在骨性关节的表面.这一高度分化的结缔组织主要由细胞和细胞外基质组成.关节软骨主要有3种细胞外基质,即水,胶原和蛋白多糖聚合物.水约占关节软骨重量的80%,关节软骨表层含水量最丰富, 深层则逐渐减少.胶原和蛋白多糖聚合物两者含量之比约1:1,约占关节软骨总湿重的15%,干重的45%-50%.软骨细胞合成胶原蛋白和亲水的蛋白多糖,蛋白多糖与胶原纤维相互作用形成了亲水的大分子基质.透明软骨的胶原主要是Ⅱ型胶原纤维. 关节软骨在骨骼系统发育过程中,通过关节的间歇受力及运动作用,不断调整其组织学形态,最终形成了一种特征性的排列方式.组织学上根据胶原纤维排列方向的不同,将关节软骨从表面向下分为4 层,即切线带,移行带,放射带和钙化带.切线带由一薄层胶原纤维相互交织而形成并平行于关节表面.移行带是胶原纤维组成的薄板状拱形结构,拱形顶端指向关节表面.放射带是胶原纤维最厚的一层,其排列方向垂直于关节表面.钙化带是位于关节软骨与其下方骨质交界处的薄层钙化软骨.钙化带与放射带间形成了组织学的标记,即所谓的潮标.关节软骨的分层结构对于保证其优良的生物力学特性,减少关节面的摩擦,保证自身的营养供应和代谢废物的排出有重要意义.水作为组织间液,给关节软骨提供一定的坚硬度,在负重时部分水从软骨基质内挤入关节腔而具有润滑关节面的作用.胶原原纤维通过共价键连接成胶原纤维,一方面保持了其结构的稳定性,另一方面产生了较强的张力.关节软骨表层胶原纤维的平行排列方式有助于缓冲部分剪切力和压力,其深层垂直排列的胶原纤维有助于垂直方向应力的传递.蛋白多糖聚合物为亲水性的高分子聚合体,能产生较强的张力,使软骨保持弹性.该聚合体中的糖胺聚糖(GAG)侧链基团因带大量的负电荷而吸引Na及水进入软骨基质内,使关节软骨产生一定的坚硬度,同时在软骨基质内产生渗透压以维持其内的水含量.二,关节软骨的生物力学行为在活体,关节软骨的负重区暴露在强度为0～20MPa,频率为0.l—l0Hz的接触压力下,作用于关节的力通过在其接触面的对应区域产生压力而进行传导.在日常活动中(如行走,奔跑),关节的接触面在其表面的某些区域快速掠过,相互触碰部位的压强可以在数分钟内从0上升到一个很大的值,然后再回到0.由间歇负重而施加于关节的力,在软骨的组织间液中产生了一个非常高的静水压,实现了123国外医学临床放射学分册ForeignMedicalSciencesClinicalRadiologicalFascicle2006Mar;29(2)压力的传导.负重期间,施加于关节软骨接触面的力,在开始的瞬间使软骨内的流体压迅速升高,使水分被挤出于固态基质中.而事实上,仅有小部分的压力梯度使液体成分从软骨中渗出,而且,液体流动在开始仅限于关节软骨接触面相邻区域的表层,然后才从2个相互接触的关节表面向外渗出.正常活动时,液体的流动仅限于发生液体渗出的表面带和放射带内.当液体渗出时,表层的固态基质变得很坚固,在关节表面形成了一个有效的密封层,限制了放射带内剩余水分的流出.除压力外,关节的旋转性运动还施加了1个与接触面区域外软骨表面相切的张力.必须认识到,软骨中产生的剪切力几乎都与某一方向的张力有关.纤维l生细胞外基质抵抗了可能在软骨中产生的张力作用,因此,可以说软骨内的液体成分抵抗了压缩力,而胶原网络结构抵抗了张力和剪切力.运动时,随着关节负重的反复进行,软骨基质不断地固缩,表面层的整个厚度也在减少.随着生理活动的减少,关节负重的减轻,软骨内产生流体静水压的张力,这种张力导致水被吸收回组织内,软骨厚度得以恢复正常.由液体渗出和组织固缩导致的整个软骨变薄的范围是相对较少的.MRI已被用于评估由不同生理运动产生的软骨容量及厚度的变化[2I习.Eckstein 等[41发现,髌骨股骨面的软骨层在经历了30次膝关节弯曲运动后,厚度减少约2.8%;在经历了20s约90.的下蹲运动后,其厚度约减少4.9%.总之,关节软骨的生物力学作用减少了其接触面的摩擦力和压力,使作用于关节的力以一种高效能的方式均匀传导到软骨下的骨组织,抵抗了可能在软骨中产生的张力和剪切力,防止了关节软骨的过渡磨损和破坏.三,关节软骨结构的生物力学机制关节软骨的发育与维持以及力学特征与软骨细胞及细胞外基质的生物力学负重有直接关系,因为软骨的组织形态学的空间模式取决于其力学参数.当关节软骨在功能性负重的影响下成熟时,其组织形态学,生物化学及力学特征也随之建立.软骨的层状改变是由其生长发育史和局部力学环境决定的.软骨细胞具有检测一系列生理参数并通过调整不同系列的基因而做出反应的能力,因为软骨细胞可能含有力学敏感性记忆基因家族.在关节表124面的软骨细胞表现为扁平的细胞形:态,而其余关节软骨的基质中疏散分布着圆形的软骨细胞.软骨放射带中间及深层的软骨细胞主要承受静水压而很少承受张力和流体压,主要合成和维持高数量的蛋白多糖和Ⅱ型胶原[51.相比之下,除了承受静水压还承受流体压的表层细胞合成相对较多的胶原.增加关节的功能性负重可引起关节软骨的厚度,蛋白多糖成分和组织的机械硬度的增加,但超过一定水平则抑制蛋白多糖的合成,并且可引起高尔基体和细胞骨架的非生理性变化[61.四,骨性关节炎的生物力学机制原发性或特发性骨关节炎是一种进行性发展的疾病,以关节软骨的破坏及骨质增生为特征,是关节炎中最常见的类型,能引起关节疼痛,僵硬和活动受限.病因尚不明了,其中生物力学因素与运动关节的发育有关,并随着年龄的增长最终导致软骨变性和骨l生关节炎.骨l生关节炎被认为是在个体发生学中软骨内化骨过程的最后阶段同.(一)骨质增生硬化的生物力学机制成熟关节的关节软骨的厚度取决于软骨下稳定的骨化带至关节表面的距离.生物力学因素在调节软骨厚度的分布和维持成熟期软骨层的稳定性起重要作用,承受相对高的接触压力的关节软骨相对较厚.尽管关节软骨的厚度在成熟骨骼中是相对稳定的,但软骨层内骨化带并未完全停止活动,潮标在一生中均保持其活动性,是关节的形态随着年龄增长而变化的主要原因.软骨的潮标随年龄增长不断地向关节表面接近,尤其在非持重区更为突出.在人类股骨头和肱骨头,潮标于60岁后显着增厚,显示了软骨内化骨随年龄老化而再度活跃的特性嘲.机械负重是软骨内化骨的有效的外在调节器,受机械刺激的软骨内化骨的调节最终导致软骨的逐渐变性,破坏和被骨组织取代,这一过程在60岁后尤为突出.研究表明,压力性静水压能降低成骨指数而具有维护软骨的作用,而剪切张力和张力性静水压能增加成骨指数而具有诱发软骨变性,破坏和促进骨化的作用fa].(二)软骨变性,破坏的生物力学机制正常的滑膜关节中,关节软骨需要承受在很大范围内变动的静力负荷和动力负荷,其峰值甚至可达到10～2OMPa.在这样的力学环境中,物理的刺激信号,新合成的基质蛋白的分子结构以及最后形成的组织力学特征形成了一个复杂的由细胞介导的反馈环,国外医学临床放射学分册ForeignMedicalSciencesClinicalRadiologicalFascicle2006Mar;29f21而力学信号转导在调节反馈环路中起重要作用.关节的习惯用法的改变将导致关节软骨的伴随改变.例如,试验表明嗍,增加青年狗的生理活动将增加关节软骨的厚度和蛋白多糖的含量;制动所致的生理活动减少将导致家兔的软骨变薄.随年龄增长而导致的13常生理活动的变化导致关节负重的改变和减少,这些变化反过来能引起潮标的生物力学的改变,继而激活软骨内化骨,导致软骨变薄和关节退变.软骨细胞对力学信号的应答发生在转录,翻译以及翻译后修饰的不同水平,软骨细胞的行为改变不仅可以改变基质的形成速率,而且可以改变新合成的蛋白多糖,胶原和其他分子的功能.有研究者[9] 认为关节软骨的生物力学性质的改变是组织退行性变的首要影响因素.研究显示,高流体静压可以降低葡萄糖转运蛋白的活性,静压负荷可以改变细胞内pH值和离子强度,使蛋白多糖的硫酸化过程受阻,从而对软骨细胞合成基质的能力造成影响.制动和其他因素使关节免于负重的方法也导致关节软骨未钙化的部分变薄,变软以及软骨下血管出芽的增多和蛋白多糖成分的减少.五,关节软骨的力学结构及成分的MR成像(一)软骨的力学结构,成分的MR成像因素关节软骨的结构是非常复杂而异质性的,这些复杂的成分构成了对水的含量极其敏感的MR信号及与纤维排列方向有关的参数,例如,弛豫时间,与水分子的微观随机运动有关的扩散效应,魔角效应及磁化传递对比效应等.亲水的蛋白多糖分子的含量与分布以及胶原的带状组织结构不仅影响了水的含量,而且影响了水的状态.高度有序的胶原成分趋向于限制水分子的运动,因此促进了自旋一自旋作用和T2值的衰减.因为有方向的胶原与极短的横向弛豫有关,通过特别设计的短TE序列可以观察排列成行的胶原结构区.T2值衰减的变化能从不同的软骨层显示,如正常人的从软骨下骨到关节表面方向上,T2值在软骨下骨附近略微降低之后呈逐渐升高趋势f1Ol.蛋白多糖的丢失导致关节软骨的水肿,因为纤维间的空间结构被水取代,从而导致其信号强度在短TE成像序列上降低而在长TE成像序列上升高.胶原的丢失(例如发生于骨关节炎或损伤后)趋于增加了长TE上的相对信号强度,因为丢失了胶原的短1r2效应,同时,因为这种丢失促进了蛋白多糖的水合作用而延长了效应.(二)MR成像进展MRI作为一种无创性的,多参数及多平面成像技术在显示关节软骨的功能状态方面的研究已取得了一定进展,它在科学试验及临床应用方面有很大的潜力.例如,Wayne等…】用2.35T的MR设备对猪髌软骨的研究发现,T:值是鉴别蛋白多糖丢失和胶原丢失最有用的参数,T2WI 信号在2种成分丢失时均增高,但在蛋白多糖丢失时T2值增加更显着.T2值与关节软骨的生物力学系数和蛋白多糖的生化成分有明显相关性,而蛋白多糖与软骨的坚硬度有关.同时,研究中还发现在T增强扫描序列上蛋白多糖丢失导致T缩短的程度明显大于胶原的丢失.T.的缩短可能因为,当组织中的蛋白多糖降解时对钆的静电排斥作用减少,从而使钆在局部浓聚.该试验显示了关节软骨的生物力学和生物化学机能状态与MR成像参数的关系, 提出了一种无创性的,反应可动关节软骨的力学功能变化的检测方法,并能用于量化软骨退变的范围,为获得早13治疗,延缓甚至逆转疾病发展提供更多的信息.可以推测MRI将成为关节软骨的生物力学和生物化学测量的代用品…I.1.扩散加权成像(DWI):MR扩散加权成像是测量水分子的自由扩散的程度,从而在分子水平评估其组织结构改变的方法.DWI的信号强度主要受水分子扩散速度的影响,正常关节软骨中的大分子基质对水分子的自由扩散有限制作用.骨性关节炎的早期阶段,由于基质的降解对水分子自由扩散的限制作用减弱,从而使水分子的自由扩散速度加快,表现为病变区在DWI上信号减低.2.直接或间接关节造影MRI检查:蛋白多糖的丢失在软骨退变中能最早被检测到I,因此,运用离子型对比剂行MR增强扫描在骨关节炎早期阶段检测软骨基质的异常有很大潜力[】1,能评价关节软骨的生化改变.其理论基础是,正常关节软骨内蛋白多糖带负电荷,对带负电的螯合物具有排斥作用.软骨退变早期,蛋白多糖含量减少,对螯合物的排斥作用减低,使螯合物在病变区浓聚,其信号明显高于正常软骨区.Trattnig等㈣观察到,钆溶液扩散后TI值缩短的区域正好对应于组织学上蛋白多糖丢失的区域.3.Na成像(∞Na—MRI):∞Na—MRI已成为计算软骨中FCD(固定电荷浓度)及蛋白多糖含量的一种有效方法[15,161.骨关节炎早期阶段,蛋白多糖的丢失125国外医学临床放射学分册ForeignMedicalSciencesClinicalRadiologicalFascicle2006Mar;29(2)导致软骨中FCD的减少,用∞Na—MRI和Donnan平衡方程可以量化FCD.方程表示如下:r1,T一+12FCD=一【Na+]【aIt其q~LNaq是溶液中的Na的浓度,[Naq为∞Na-MRI所测量的组织中的Na的浓度.用该方程在Na图谱的基础上能计算出相应的FCD图.因此,∞Na—MRI可用于早期检测骨关节炎的蛋白多糖改变.4.T2Mapping成像:关节软骨的T值直接与水的含量有关,研究显示,活体外T:值与软骨中水分的含量呈正相关,而与蛋白多糖的浓度成反比.因此,T2值的空间变化能反应软骨退变早期水的活动性和大分子成分的变化[18].关节软骨退变早期,蛋白多糖和黏多糖成分减少,增加了基质中水的含量和在软骨中的活动度,导致T值延长,而使T值曲线及T2Mapping成像中的信号发生改变.近年来,高场强MR设备开始应用于临床,提高了细微结构的显示率91.高场强MR设备作为一种病理生理性的,无创性的,三维的显微镜式的方法将最终免去需要将组织干燥的冰冻切片和传统的组织学染色技术.MRI尚能提供仿真三维或真三维显示,从标准的MR成像获得的数据可以很快用于仿真关节镜技术.这些关节软骨的影像学成像进展无疑为关节软骨疾病的防治提供了广阔的前景.参考文献1DislerDG,ReehtMP,McCauleyTR.SkeletalRadiol,2000,29(7): 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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
new生物力学7
四、关节软骨的磨损
界面磨损----若相对表面引起接合力>表面承受力，发生粘连 性磨损。
疲劳性磨损----即使表面润滑作用良好，但因反复变形，发 生疲劳性磨损。
五、防止假体松动
屈膝过程中，转动轴心在改变。 髌骨的作用之一：增大股四头肌力臂。 受力分析：
Fm d1 d2
N=W
Fm d1 W d 2
Fm=3.3W
T=4.3W
T
五、踝关节
结构
运动 ： 屈伸：40~800 背屈时外展、内收
旋转运动
环转运动 受力分析 ：
5cm 7.5cm
Fm
N=W
Fm J
N
Fm 1.5W
0 0
0
Fm 1800N
T Fm N W 1950N（向下）
三、髋关节
结构 运动 屈：1400 ，伸：150 环转运动 外展300、内收250
旋转运动：平举时，内旋700 ， 外旋900
受力分析
Fm
10.8cm 3.2cm
Fm
720
7cm
J N Wl
0
N=W
Wa= 6 W
1
Fm 1.56W N 10.8 WL 3.2 Fm 7 sin 72 2 2 Tx Fm cos720 T Tx Ty 1.76W T 0 1 y 0 Ty WL Fm sin 72 W tg 74.23
使髋臼松动
形状
润滑性
二、髋臼的粘固剂与软骨下骨的应力分布
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
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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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
运动生物力学—第三章 骨、关节、肌肉的生物力学讲解
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。
纯扭转载荷引起的骨折比较少见，它多半是和其它的载荷形式组合在一起而引起的。
（1）渗透性。
实验表明，在恒定的外力下，软骨变形，关节液和水分子溶质从软骨的小孔流出，由形变引起的压力梯度就是引起关节液渗出的驱动力。随着液体的流出，小孔的孔径越压越小。因此，关节液的流出量在受力初期大于受力末期，形变也是初期大于末期。关节软骨依靠这样一种力学反馈机制来调节关节液的进出。正常的关节软骨的渗透性较小（与海绵相比）。在病理条件下关节软骨的渗透性增大，会出现关节积水、疼痛等与关节软骨力学性能变化有关的症状。
（2）粘弹性
关节软骨和关节液具有粘弹性（非线性）的特点，其力学性质与温度、压力等外部环境的关系极为密切。粘弹性体相对于弹性体来说具有如下三个特征：
①应力松弛。当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力会随时间的增加而下降。这种现象称为应力松弛。
②蠕变。当物体突然产生应力时，若应力保持一定，则相应的应变会随时间的增加而增大。这种现象称为蠕变。
1．关节的摩擦系数
关节的摩擦系数采用重力摆法进行测定。与工程上的人工润滑结构相比，其摩擦系数是非常小的。这是人体关节抗摩耐用的重要原因之一。
2．关节软骨的力学性能
关节软骨的主要功能是：减小关节活动时的阻力（润滑关节），减小关节面负载时的压强（适应关节面），减轻震动（缓冲）。关节软骨是一种多孔的粘弹性材料，其组织间隙中充满着关节液。在受拉伸应力下间隙扩大，液体流入，压缩时液体被挤出。软骨中没有血管，它正是靠这种应力下液体的流动来保证营养的供应。由于软骨的应力影响着软骨内液体的含量，而液体的含量又影响着软骨的力学性能，这使得分析十分复杂。
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。
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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。