生物材料骨的结构特点及修复用材料 1
生物材料在骨缺损修复中的应用
生物材料在骨缺损修复中的应用在医学领域中，骨缺损是一种常见且具有挑战性的问题。
无论是由于创伤、疾病还是先天性畸形导致的骨缺损，都可能对患者的生活质量产生严重影响。
幸运的是，随着生物材料科学的不断发展，为骨缺损的修复提供了新的希望和解决方案。
骨缺损修复所面临的挑战是多方面的。
首先，骨组织具有复杂的结构和生理特性，要实现完美的修复需要材料能够模拟天然骨的成分、结构和力学性能。
其次，修复过程需要材料能够与周围的组织良好整合，避免免疫排斥反应和炎症等并发症。
此外，还需要材料具备一定的生物活性，能够促进新骨的生长和重塑。
生物材料在骨缺损修复中的应用类型多种多样。
金属材料是其中的一类重要选择。
钛及其合金因其良好的生物相容性、机械强度和耐腐蚀性，在骨科领域得到了广泛应用。
例如，钛合金制成的人工关节和骨折固定器械能够为骨组织提供稳定的支撑，促进愈合。
然而，金属材料也存在一些局限性，如金属离子释放可能引起的潜在毒性以及与骨组织之间的弹性模量差异导致的应力遮挡效应。
陶瓷材料在骨缺损修复中也扮演着重要角色。
羟基磷灰石是一种与天然骨矿物质成分相似的陶瓷材料，具有良好的生物相容性和骨传导性。
它能够为新骨的生长提供适宜的环境，并逐渐与骨组织整合。
生物活性玻璃也是一种常用的陶瓷材料，其在与体液接触时能够释放出有助于骨修复的离子，促进骨再生。
高分子材料在骨缺损修复中的应用也日益广泛。
聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）及其共聚物（PLGA）等可降解高分子材料具有良好的可塑性和生物可降解性。
它们可以被制成各种形状和结构的支架，为细胞的生长和分化提供支持。
随着时间的推移，这些材料会逐渐降解，被新生的骨组织所替代。
复合材料则结合了不同材料的优点，以满足骨缺损修复的复杂需求。
例如，将金属、陶瓷和高分子材料组合在一起，可以获得兼具良好机械性能、生物活性和生物相容性的复合材料。
通过合理的设计和制备工艺，可以调控复合材料的性能，使其更适应特定的骨缺损情况。
骨折修复的生物材料应用
生新型生物材料的研发：随着科技的发展，越来越多的新型生 物材料被研发出来，它们在骨折修复中具有更好的性能和更大 的潜力。 2.生物材料与基因、药物等技术的结合：将生物材料与基因、 药物等技术相结合，可以进一步提高骨折修复的效果，为未来 的骨折治疗提供更多的选择和方法。
生物材料的表面改性
1.对生物材料进行表面改性可以改善其生物相容性和力学性能。 2.表面改性技术包括物理方法、化学方法和生物方法。 3.通过表面改性可以引入生物活性物质，促进骨组织的生长和修复。
生物材料与细胞的相互作用
▪ 3D打印技术在骨折修复中的应用
1.3D打印技术可以根据患者的具体需求定制个性化的生物材料支架。 2.3D打印技术可以精确控制生物材料的形状、结构和内部孔隙率，提高骨折修复的效果。 3.3D打印技术可以与细胞培养技术结合，实现骨组织的体外再生和修复。
1.生物材料降解过程中可能会引发机体的免疫反应，包括炎症反应和细胞毒性反应 等。 2.免疫反应的程度与生物材料的降解速率、降解产物的种类和性质等因素有关。 3.通过优化生物材料的设计和降解性能，可以降低免疫反应的发生，提高生物材料 在临床应用中的安全性和耐受性。
▪ 生物材料降解与临床应用
1.生物材料在骨折修复等临床应用中的疗效与其降解性能密切相关。 2.通过合理调控生物材料的降解速率和降解产物，可以促进骨折愈合和组织再生。 3.在临床应用中，需要根据具体需求和患者情况选择合适的生物材料，以确保其安 全性和有效性。
骨折修复的生物材料应用
生物材料的选择与设计
生物材料的选择与设计
▪ 生物相容性
1.生物材料应具有低毒性、无免疫排斥反应、能够促进细胞生长和增殖等特性。 2.通过表面改性技术可以提高生物材料的生物相容性。 3.选择具有良好生物相容性的材料，如钛合金、生物活性玻璃等，有利于提高骨折 修复的效果。
生物材料有哪些
生物材料有哪些
生物材料是指来源于生物体的材料，具有生物相容性和生物活性的特点。
常见
的生物材料包括生物陶瓷、生物玻璃、生物金属、生物高分子材料等。
这些生物材料在医学领域、生物工程领域以及环境保护领域都有着重要的应用价值。
首先，生物陶瓷是一种具有优良生物相容性的材料，常用于人工关节、牙科修
复以及骨科修复等领域。
生物陶瓷具有高强度、耐磨损、抗腐蚀等特点，能够有效模拟人体组织的结构和功能，因此在医学领域有着广泛的应用。
其次，生物玻璃是一种具有生物活性的材料，能够与组织快速结合并促进愈合。
生物玻璃常用于骨科修复、牙科修复以及软组织修复等领域。
生物玻璃具有良好的生物相容性和生物降解性，能够有效减少植入物的排异反应和感染风险。
另外，生物金属是一种具有良好机械性能和生物相容性的材料，常用于人工关节、心脏支架以及牙科种植等领域。
生物金属具有良好的耐腐蚀性和耐磨损性，能够有效减少植入物的损耗和排异反应。
最后，生物高分子材料是一种具有生物活性和生物可降解性的材料，常用于组
织工程、药物传递以及生物传感等领域。
生物高分子材料具有良好的生物相容性和生物可降解性，能够有效模拟人体组织的结构和功能，因此在生物医学领域有着广泛的应用前景。
综上所述，生物材料在医学领域、生物工程领域以及环境保护领域都有着重要
的应用价值。
随着科学技术的不断发展，生物材料的研究和应用将会更加广泛，为人类健康和生活质量的提升提供重要支持。
用于人工骨的材料
用于人工骨的材料目前用于骨修复的生物材料分为以下几种:医用生物陶瓷、医用高分子材料、医用复合材料、纳米人工骨一．医用生物陶瓷材料生物活性陶瓷, 主要指磷灰石(AP) ,包括羟基磷灰石(HAP)和磷酸三钙( TCP)等。
目前应用最多的是HAP。
人骨无机质的主要成分是HAP,它赋予骨抗压强度,是骨组织的主要承力者,人工合成的HAP是十分重要的骨修复材料,这是由于它的组成性质与生物硬组织的HAP极为相似,并具有良好的生物相容性,可与自然骨形成强的骨键合,一旦细胞附着、伸展,即可产生骨基质胶原,以后进一步矿化,形成骨组织。
α2磷酸三钙(α2TCP)骨水泥具有水合硬化特性,可作为一种任意塑型的新型人工骨用于骨缺损填充。
它在动物体内形成蜂窝状结构,动物组织可逐渐长入此蜂窝状结构中,形成牢固的骨性键合[ 3 ]。
β2TCP[ 4 ]属可吸收生物陶瓷,在体内要被逐渐降解和吸收,但其强度较低,主要用于骨修复或矫正小的骨缺损或骨缺陷, 如骨缺损腔填充。
尽管β2TCP植入体内可被降解和吸收,新骨将逐渐替换植入体,但由于其降解和吸收速度与骨形成速度难达到一致,所以不宜作为人体承力部件。
目前磷酸钙陶瓷要用于作小的承力部件、涂层、低负载的植入体。
二．医用生物高分子材料高分子聚合物已被广泛用作骨修复材料,可降解聚乳酸( PLA)用于口腔外科,聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA)骨水泥用于骨填充,聚乙醇酸( PGA)作为可吸收螺钉用于骨固定。
生物降解材料制作的接骨材料,其弹性模量较金属更接近骨组织的弹性模量,有利于骨折愈合,且随着骨折的愈合,材料逐渐在体内降解,不需二次手术取出。
PLA[ 5 ]是一类有应用价值的生物材料,它的降解速度取决于它的分子量、分子取向、结晶度、物理及化学结构,但其降解的机制主要是因为酯键的水解。
目前PLA主要用于骨外科部件,例如骨针、骨板。
Minori et al[ 7 ]用不同分子量的PLA 和聚乙二醇( PEG)制成PLA2PEG 共聚物作为骨形成蛋白(BMP ) 的载体, 其中PLA 6 5002PEG3 000共聚物具有一定的弹性,是较好的BMP载体。
生物材料在骨修复中的应用研究
生物材料在骨修复中的应用研究随着人口老龄化和运动损伤的增加，骨骼相关疾病成为一个全球性的问题。
骨折、关节炎和植入物相关感染等疾病对患者的生活质量和健康状况产生了巨大影响。
为了改善骨修复的效果，科学家们开始探索生物材料在骨修复中的应用。
生物材料是指一类能够与生物体相互作用的材料，其具备良好的生物相容性、力学性能和生物能力。
在骨修复中的应用，主要集中在三个方面：支架材料、生物活性因子释放和生物打印。
支架材料是用于辅助骨细胞生长和修复的材料。
常用的材料有金属、陶瓷和聚合物等。
金属支架在骨修复中具有良好的机械强度和稳定性，但其生物相容性较差，容易引起炎症反应。
为了解决这一问题，科学家们开始研究使用生物可降解材料作为支架，如聚乳酸和聚己内酯。
这些材料具备良好的生物相容性和可降解性，可以逐渐被生物体代谢，促进新骨的生长。
另一方面，生物活性因子的释放在骨修复中起到重要作用。
生物活性因子包括生长因子、细胞因子和骨基质蛋白等。
通过将这些因子嵌入到材料中，可以控制其释放速率和时间，为骨细胞的增殖和分化提供支持。
例如，纳米级载体可以控制骨生长因子的缓慢释放，增加骨细胞的黏附和迁移，从而促进骨修复过程。
近年来，生物打印技术的发展为骨修复提供了新的可能性。
生物打印是一种将细胞和生物材料一起打印成三维结构的技术。
通过将细胞与生物材料组合成立体结构，可以模拟生物体内的骨骼结构，并提供生长和修复所需的微环境。
此外，生物打印还可以精确控制材料组织的形状和结构，实现个体化治疗。
虽然生物材料在骨修复中的应用取得了一定的进展，但仍面临一些挑战。
首先，支架材料的生物相容性和降解性需要得到更加深入的研究。
此外，生物活性因子的稳定性和持久性也是一个难题。
最后，生物打印技术的研究仍处于起步阶段，有待进一步完善。
综上所述，生物材料在骨修复中的应用研究具有重要的意义。
通过合理选择支架材料、调控生物活性因子的释放和发展生物打印技术，可以提高骨修复的效果，促进患者的康复。
接骨生物材料的应用及效果分析
接骨生物材料的应用及效果分析近年来，随着人们健康意识的提高和医疗技术的不断进步，接骨材料已经成为骨科治疗中不可或缺的重要部分。
接骨生物材料是指一类可以被人体生物组织吸收、代替和修复人体骨组织的物质，其应用范围广泛，效果显著，并且已经被广泛应用于骨科手术中。
一、接骨材料的种类及特点目前，接骨材料主要分为天然材料和人工材料两类。
天然材料意味着一种生物组织或物质，例如臍帶和人工骨膜等。
由于其具有较好的生物相容性和生物功能，天然材料已经广泛应用于接骨手术中。
人工材料则是指化学制剂或生理材料，其中包括羟基磷灰石、氧化锆等。
其次，不同种类的接骨材料具有不同的特点。
比如，羟基磷灰石是目前较为常用的一种人工材料之一，它可以模拟骨组织的结构，并且有较强的生物活性和稳定性。
而在临床应用中，磷酸钙和碳酸钙等天然材料更常用于骨折的治疗中，而人工骨膜等在很多骨科手术中都有应用。
总的来说，接骨材料具有以下几个优点：一是能够促进骨组织生长和修复，二是不会引起排斥反应，具有较好的生物相容性，三是透明度高，不会对手术过程造成阻碍。
二、接骨材料的应用接骨生物材料的应用十分广泛，主要包括骨折修复、股骨头坏死、脊椎融合等方面。
下面我们就来具体介绍一下其应用场景。
1、骨折修复：骨折修复是接骨生物材料最常见的应用场景之一。
在骨折复位的同时，可以加入一些合适的接骨材料，从而加速骨组织修复和再生。
这种方法在临床上已被证明非常有效，可以大大缩短骨折愈合时间，并减少术后并发症的发生率。
2、股骨头坏死：股骨头坏死是一种严重的骨科问题，往往会导致股骨头坏死、关节疼痛等严重后果，同时也会影响患者的生活质量。
接骨生物材料的应用可以使股骨头得到有效的修复和再生，从而使患者的症状得到缓解，并且对于股骨头坏死的早期治疗尤为有效。
3、脊椎融合：脊椎融合是一种常见的神经外科手术，目的是通过融合脊椎来消除脊柱疾病的患病原因。
在手术中，接骨生物材料可用于增加融合部分的力学刚性、促进黏合形成、减少输血、缩短康复期等方面。
生物医学材料在骨骼修复方面的应用
②钛合金：具有优于前两种材料的机械性
能，质轻，组织相容性良好，生物界面结合牢固， 在机体内有极高的惰性和抗腐蚀性，是理想的植 入材料，缺点是耐磨损性差和难以加工。钛合金 微型钢是颌骨骨折复位内固定的首选内固定物[3]， 目前对膝、髋等大的人工关节多使用钛合金。
生物材料
在骨骼修复方面的应用
生物技术091 生物技术 唐艳姣
生物材料是指“以医疗为目的， 生物材料是指“以医疗为目的， 用于和活组织接触以形成功能 的无生命材料” 的无生命材料”，包括具有生 物相容性的材料。 物相容性的材料。 生物材料在骨科的应用十分广 泛，目前用于骨组织修复与替 代的材料主要有医用金属材料、 代的材料主要有医用金属材料、 医用高分子材料、 医用高分子材料、医用无机非 金属材料以及骨与软骨的衍生
有足够的力学强度和抗疲劳性能 1 有极好的耐腐蚀性能， 有极好的耐腐蚀性能，无磁性 3 材料必须无毒、 材料必须无毒、无致癌性与过敏反应
应具有良好的光洁度
现在常用于临床的医用生物金属材料主要 包括医用不锈钢、钴基合金、 包括医用不锈钢、钴基合金、医用形状记忆合 金等。 金等。 这些金属材料虽都用于临床， 这些金属材料虽都用于临床，但它们有各 自的优缺点和机械性能。 自的优缺点和机械性能。因此其主要应用的地 地方也有所不同。 地方也有所不同。
骨折是指由于外伤或病理等原因致使 骨质部 分或完全断裂的一种疾病
医用金属材料： 医用金属材料：
骨科 属 够 ， 疗骨 、 换骨组织， 复 骨 功 种 ， 具 较高 强 韧 ， 属 骨科 应 ， 骨 科 各类 疗。
海绵骨针原理
海绵骨针原理
海绵骨针是一种新型的骨修复材料，其原理主要是基于海绵质结构的特殊性质以及骨
组织的生物学特性。
下面将详细介绍海绵骨针的原理。
一、海绵质结构
海绵骨针的关键之一是其材料的海绵质结构。
海绵质结构是一种多孔材料结构，由于
其内部多孔且具有均匀大小的孔洞，可以提供很大的比表面积。
这种巨大的比表面积能够
促进细胞附着、生长和分化，有利于组织工程的建立。
二、海绵骨针的材料
目前，海绵骨针的主要材料是生物活性玻璃陶瓷（bioactive glass ceramic）。
这种陶瓷是由生物活性棒状颗粒通过烧结制备而成的，在生物体内能够与组织交互作用，有效
促进骨组织的再生。
三、生物学特性
生物活性玻璃陶瓷以其特殊的生物学特性而在骨修复方面得到了广泛的研究和应用。
这种材料直接与周围的骨组织相互作用，能够释放出离子，这些离子能够吸附到组织表面，促进组织的生长。
此外，生物活性玻璃陶瓷还具有优异的塑性和可塑性，能够与骨组织良
好结合，促进骨组织的再生和修复。
海绵骨针主要应用在骨再生领域，如脊柱骨折、骨骼肿瘤、关节置换等方面。
海绵骨
针通过其特殊的材料和结构优势，能够有效促进骨组织的再生和修复，加速伤口愈合，降
低患者的疼痛和并发症的发生率。
综上所述，海绵骨针的原理主要是基于其材料的海绵质结构和生物学特性。
通过这些
特殊的优势，海绵骨针能够有效促进骨组织的再生和修复，提高治疗效果。
相信在不远的
将来，海绵骨针将在骨再生领域发挥越来越重要的作用。
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• 新鲜骨密质的生物力学性能：弯曲强度160Mpa， 剪切强度54Mpa，拉伸强度120～150Mpa，杨氏 模量18Gpa。新鲜骨抗压性能比砖块大30倍，比 花岗岩大2.5倍。在建筑材料中只有钢筋水泥在弹 性与坚固性相结合方面能与骨相比。
弹性模量（加载方向平行于骨的轴向） 10.4-19.6×109N/m2
• 骨的无机质也称为骨盐, 以钙、磷的化合物为主， 还含有镁、钠、钾和锶等阳离子，碳酸根、氟和 氯等阴离子。
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骨的组成
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• 骨盐的钙、磷的化合物主要是羟基磷灰石和磷酸 钙，其分子结构与自然界存在的羟基磷灰石相似， 基本分子式为 Ca10(PO4)6(OH)2或 3Ca3(PO4)2Ca(OH)2。
适应症
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骨的损伤与治疗
锁骨骨折切开复位内固定术
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骨的损伤与治疗
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1.血肿形成：骨折处大量出血---形成血肿---血肿凝固---粘 合骨折断端。
2.肉牙组织形成：肉芽组织取代血肿---机化为肉芽组织
3. 纤维性骨痂：形成纤维性骨痂—连接断端—以软骨样组 织代替纤维血管性间质。
多余的骨则被吸收，以适应局部的负荷。
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第四讲
骨的结构特点及修复 用材料
一、骨的组成
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物质水平（化学组成）
• 骨骼含水约20%～30 %，其余大部分为固体成分。 其中65%以上为无机盐（骨盐），35%为有机质。
• 无机质决定骨的硬度，有机质决定骨的弹性和韧 性。
• 骨的有机质由胶原、脂类及粘蛋白等构成。其中 90%～95%为胶原。
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骨的损伤与治疗
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4.骨性骨痂形成：以膜内骨化方式和软骨内骨化方式成骨， 大量松质骨形成。
5.皮质骨初建：排列杂乱的骨小梁逐渐趋向规律，皮质骨 的哈佛系统重新建立。
6.塑形与改建：骨根据力学原则及人体的需要不断进行改
建,凹侧缺损的部分可通过膜内骨化而得到补充，凸侧
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骨的组成
组织水平
骨的基本结构包括： 骨膜、骨质和骨髓。
• 骨膜是一层坚韧的结缔 组织膜，覆盖在骨的表 面；内含有血管、神经 和成骨细胞。
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骨的组成
• 骨质有骨密质和骨松质两种： ➢ 密质骨（或称皮质骨）
• 骨骼是钙质的储存库，血液中钙质浓度高时，钙 就会送进骨内储存起来，叫做造骨作用；当血钙 浓度降低时，就会从骨中溶解钙以补充血钙不足， 叫溶骨作用。
• 骨也称为人体的钙、磷库。
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骨的组成
细胞水平 • 骨骼中有三种类型的细胞：
➢ 成骨细胞：产生有机成分 ➢ 骨细胞：产生无机成分 ➢ 破骨细胞：作用于骨吸收
➢ 松质骨（或称小梁骨）
• 骨髓填充在骨髓腔和骨 松质的空隙内。人在幼 年时，骨髓呈红色，有 造血功能，随着年龄的 增长，骨髓腔中的红色 骨髓逐渐变成黄色骨髓， 失去造血功能。
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哈弗管 骨单位
哈弗骨板
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骨的组成
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二、骨的损伤与治疗
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• 骨的损伤主要是骨折，骨病。
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骨的损伤与治疗（一）骨折
• 外固定
A . 小夹板固定 B . 石膏绷带 C . 外展架固定
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骨的损伤与治疗
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• 不恰当的固定，如采用不合理的固定器 材和方法，固定范围不够，固定时间过 短等，且不能维持骨折端良好的接触， 而且不能消除不利于骨折愈合的应力— 肌肉收缩力、肢体重力，肢体活动时产 生的剪力及旋转应力，使骨折端产生活 动，会影响骨折修复过程而造成骨不连。
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骨的功能
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• 动物体内的骨是一种活器官，坚硬而有 弹性，有丰富的血管、淋巴管和神经。
• 具有新陈代谢和生长发育的特点
• 有改建和再生的能力
• 骨基质内含大量的钙盐和磷酸盐，是动 物体内的钙磷库。
• 造血功能（红骨髓）
• 支持与保护功能，如颅腔、胸腔等保护 脑及心肺
• 骨含有的钙是全身钙总量的99％，骨含有的磷为 全身磷总量的90％。钙磷之比值为1.67（克分子） 或2.15（重量）。
• 人体的钙约占人体体重的1.5%-2%，99%储存在 骨与牙中，剩余的1%则在血液中，称之为血钙。
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骨的组成
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• 当饮食中含钙量不足时，为了保持血钙浓度的相 对稳定， “骨”中的骨钙就会进入血液，以调节 血钙平衡。
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器械外固定
• 肘关节架标准型
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• 腿部支架标准型
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骨的损伤与治疗
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• 内固定是在骨折复位后，用金属内固 定物维持骨折复位的方法。临床有两 种置入方法：一种是切开复位后置入 内固定物，另一种是在x线透视下，手 法复位或针拨复位后，闭合将钢针插 入内固定。
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骨
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全身共有206块骨，可按不同方式进行分类
根据部位分3类 • 颅 骨：脑颅骨、面颅骨、中轴骨 • 躯干骨：椎骨、胸骨、肋 • 四肢骨：上肢骨、下肢骨
根据形状不同分为4类 • 长骨long bone • 短骨short bone • 扁骨flat bone • 不规则骨irregular bone
泊松比（胫骨）
0.119-0.622
剪切模量（胫骨）
2.41-4.91
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骨的组成
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时期 幼儿 成年人 老年人
有机质
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无机质
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特点 不易骨折，易变形
弹性和硬度都好 脆性较大，易骨折
• 因此，幼儿有机物多，骨折又有青枝骨折之称； 老年人无机物多，骨折常为粉碎骨折。