浅谈骨折生物力学

2.骨的材料特性。
1.应力和应变
▪ 应力：骨骼某点内力的强度，单位面积所
▪
受的力
▪ 应变：骨骼受力时，其内部任何一点发生
▪
变形，称为该点的应变。
两种应力：
▪ 正常应力：垂直于所给平面的单位面积的 力（使立方体前面变薄变长）
▪ 剪式应力：平行于所给平面的单位面积的 力（使立方体变为平行六面体）
2.拉力和压力
▪ 骨空心结构：比实心结构承受弯曲及旋转
▪
应力强
▪ 棒的压力和张力和横断面面积成正比.
骨折原因
▪ 创伤 ▪ 骨病 ▪ 积累劳损
▪ 扭转应力 ▪ 导致螺旋骨折 ▪ 受力机制为剪应力 ▪ 旋转轴45度时应力最大。
▪ 轴向压力 ▪ 易在长管状骨纵轴 ▪ 方向形成最大的剪力 ▪ 进而造成骨干斜行骨折
▪ 通常长管状骨的轴向压力 ▪ 不是单一的。
▪ 骨病 骨肿瘤、骨缺损
▪ 造成：骨的几何学改变
▪
骨的强度改变
▪
骨缺损部位产生应力集中
▪
（骨折机制）
2.疲劳断裂
▪ 疲劳断裂
▪ 骨每天承受负荷，或长时间锻炼，积累损 伤，导致疲劳骨折
▪ 常见于长途行军，从事长距离行走及长跑 者
▪ 最常见于双足第二趾骨远端
▪ 疲劳：
▪ 材料在周期性和间歇负荷下发生的进行性 损伤(显微镜下损伤)，在周期性负荷条件下， 材料负荷水平低于能引起的材料损伤的单 次负荷时，就会发生损伤。
▪ 如固定不牢靠，骨折端在外力下出现活动， 如形变在10%，则形成软骨，软骨连接。
▪ 如不固定或仅简单外固定，骨折端在外力 下出现活动，如形变在100%，则形成纤维， 不愈合。
▪ 骨折或损伤后局部会聚集许多干细胞以修 复损伤。
▪ 干细胞能否形成骨细胞取决于骨折位置的 力学环境。
▪ 肉芽组织和纤维组织比骨和软骨更能耐受 变形。
▪ 材料的疲劳极限（Fatigue limit）
▪ 任何材料具有一应力水平，低于该水平疲 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。
▪ 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。
▪
弯曲负荷—侧张应力
▪
侧压应力
▪ 压力+弯曲=联合负荷（常见）
5.扭转
▪ 长管状骨
▪ 不规则骨 扭转 剪性应变
▪
横向及纵向剪性应变
▪
联合剪性应力
▪ 骨折方向：斜形或螺旋形
第二节：骨的生物力学
▪ 骨组织材料特性 硬组织 应力--应变关系 ▪ 骨折—取决于其材料特性 ▪ 骨成分：基质 胶原—骨小梁 ▪ 结构 ：皮质骨（骨干）（骨孔5%-30%），
▪ 屈服 ： 提示骨小梁断裂开始，且持续时间 较 长。骨小梁断裂逐渐增多。
▪ 骨皮质和骨松质标本负荷应变水平在0.036 和0.5时有能量吸收现象，骨松质能量吸收 超过骨皮质。
第二节 骨折与固定生物力学
▪ 骨折与固定的生物力学
1.骨折力学原理
▪ 骨某一区域应力超过极限强度，发生骨折。
▪ 骨结构(弯曲)本身：减低弯应力
3.弯曲 （长管状骨）
▪ 1.纯弯曲：凹侧- 压应变（力），凸侧- 张 应变（力），中位轴-应变（力）为0.
▪
压力点(横切面)不会产生剪式应力
▪ 2.三点弯曲：骨骼受力较常见.两端支撑， 对侧受力。（受力点：弯矩）
▪
应力点(横切面)会产生剪式应力
4.弯曲联合轴向负荷
▪ 长管状骨 受两方向外力压力负荷
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。
▪ 长骨骨折，因长力臂易移位。骨痂形成使 骨折稳定。
▪ 骨折愈合有利：一定活动量和允许小的剪 力。不利：剪力或弯曲力过度。
▪ 所有的活体细胞都有自己的特性，有自己 的应变。
压力
成人股骨骨皮质极限程度
▪ 负荷类型
▪ 纵向 ▪ 拉力 ▪ 压力 ▪ 剪力（纵向扭转）
▪ 横向 ▪ 拉力 ▪ 压力
极限程度（MPa）
133 193 68
51 133
3.骨松质
▪ 骨松质：多孔 硬度较皮质骨差
▪ 屈服：当应力超过弹性极限后，变形增加 较快，此时除了产生弹性变形外，还产生 部分塑性变形。当应力达到一定程度，塑 性应变急剧增加，这种现象称为屈服。
骨生物力学
天津武清区中医院 骨伤科
第一节：生物力学概念
▪ 人体活动对骨骼的三种力 ▪ 1 作用于骨的外力 ▪ 2 肌肉收缩和韧带的张力对骨骼的内力 ▪ 3 骨的内反应力（负荷）
▪ 力—负荷 ▪ 作用于骨骼可使骨发生形变 ▪ 微观—显微骨折—青枝骨折—骨折 ▪ 骨折因素：1.力的大小方向面积和几何学。
▪ 如 正常骨 低于0.01/S
▪ 骨折瞬间 超过10.0/S
2.拉力、压力和剪力
▪ 骨皮质的拉力、压力和剪力 ▪ 与工程材料相似，骨皮质有一定范围的弹
性变形能力 ▪ 骨组织材料极限强度取决于负荷类型和承
受负荷的方向。 ▪ 负荷作用下 ▪ 拉力及压力超过弹性变形范围 发生骨折
不同载荷造成的骨折类型 拉力 压力 旋转 弯曲
松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）
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）
▪ 应变率
▪ 表示骨受力过程中变形迅速的程度
▪
（单位/S）
▪ 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
▪ 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。
▪ 超过2%的形变后骨组织不能形成，超过 10%软骨不可形成，但肉芽组织和纤维组 织还能形成。
▪ 不同的组织在断裂前可以承受不同的最大 张力应变，肉芽组织可以承受100%的应变，
纤维组织和软骨组织承受的应变明显降低， 软骨组织约为10%，致密的骨组织只能承 受2%的应变。
▪ 经过加压固定的骨折获得坚强固定，在生 理活动情况下所有应力由钢承受，骨折
端间不受应力，无活动，骨折端间隙内的 细胞（干细胞）无形变（＜2%），所以细 胞成骨，骨愈合。