关节软骨生物力学
膝关节解剖概要与生物力学特点生物力学
膝关节解剖概要与生物力学特点生物力学 2009-07-01 21:37:01 阅读256 评论0 字号：大中小一、膝关节的构成(一)骨性结构膝关节由股骨远端、胫骨近端和髌骨共同组成，其中髌骨与股骨滑车组成髌股关节，股骨内、外髁与胫骨内，外髁分别组成内、外侧胫股关节。
在关节分类上，膝关节是滑膜关节(synovial joint)。
髌骨是人体内最大的籽骨，它与股四头肌、髌腱共同组成伸肌装置(extensor apparatus)。
蘸骨厚度约2~3cm，其中关节软骨最厚处可达5mm。
髂骨后表面的上3/4为关节面，由纵向的中央嵴、内侧峭分为外侧关节面、内侧关节面和奇面或称第3面(theoddfacet．thirdfacet)；内、外侧关节面又被两条横嵴划分为上、中、下三部分，故共计有七个关节面。
髌骨后表面的下1/4位于关节外，是髌腱的附着点。
股骨远端的前部称为滑车(trochlea)，其正中有一前后方向的切迹将之分为内、外两部分，滑车切迹向后延伸为髁间切迹(intercondylar notch．ICN)，向前上延伸止于滑车上隐窝。
股骨远端的后部为股骨髁(femoral condylars)，由ICN分为股骨内髁和股骨外髁，分别与内、外滑车相延续，构成凸起的股骨关节面。
从侧面观，股骨外髁弧度大于内髁且较内髁更突前，而内髁比外髁更加向后延伸。
参与构成膝关节的胫骨平台并非绝对水平，而是在一定程度上呈由前向后逐渐下降的趋势，即所谓胫骨平台后倾角。
胫骨平台中央有一前一后两个髁间棘，其周围为半月板和交叉韧带的附着处。
外侧胫骨关节面的前l/3为一逐渐上升的凹面，而后2/3则呈逐渐下降的凹面。
内侧胫骨关节面则呈一种碗形的凹陷。
如此，凸起的股骨关节面和凹陷的胫骨关节面彼此吻合，使膝关节得以在矢状面上作伸屈活动；然而外侧胫骨关节面的特征性凹陷结构又使得外侧胫股关节面并非完全吻合，从而允许膝关节在水平面上有一定的旋转活动。
骨关节炎发病机制中生物力学因素的研究现状
- 效和时 - 效关系。切应力作用 于软骨细 胞, 可刺激 R as、
tured hum an chond rocytes: eviden ce for th e presence of stretch
缺乏功能刺激会发生退行性变 [ 7] 。
3 生物应力对 OA 的作用机制 3. 1 力学信号的传导 应力 对细胞 的直观 改变是形 态的
变化和细胞骨架 ( CSK )结构的重排。软骨细胞膜有 凸起伸 入 ECM 以感受软骨变形时 产生的 压力及 间质液 流的 剪应
力, 并将力学信号传递 到细胞 内。此过程 中一种 被称 为整
中图分类号: R684. 3
文献标识码: A 文章编号: 1009- 5276( 2006) 02- 0307- 02
骨性关 节炎 ( O steoarthr itis, OA )是 一种 常见 的退 行性 关节病, 1995年国际 OA 会议提出了 OA 的最新 定义, 认为 OA 的发病 是力 学 和生 物 学 因素 共 同作 用 下导 致 软 骨细 胞, 细胞外基质及软 骨下骨 三者降 解和合成 正常偶 联失衡 的结果。那么, 在 OA 发 病机 制中生 物力 学因素 是如 何影 响关节的退变, 改变 软骨代 谢等方 面的呢? 本 文就 对相关 内容作一综述。 1 关节软骨结构基础
物电信号。M alm onge等 [ 10] 认为组 织受压 时发生 的力 电转 导刺激了软骨细胞的生物 活性, 对组织 修复起 到基础 作用
发现脉冲电磁场能促进培养软骨细胞的增殖和分化并改变
细胞的代谢产物, 这一 作用通 过改变细 胞膜的 电生理 特性 而完成。在生物应力作用下, 力 学信号的 传递还 可改 变细
髋关节解剖及生物力学-hip
限制外展 外旋 限制过伸 内收
限制内旋
肌肉
髋 肌
（一）前群3块肌
阔筋膜张肌
腰大肌 腰小肌 髂肌
1．髂腰肌 腰大肌 髂肌 作用：使髋关节屈和旋外。 2．腰小肌 作用：紧张髂筋膜。 3．阔筋膜张肌 作用：使阔筋膜紧张并屈髋。
肌肉
（二）后群 臀肌，有7块
臀中肌 臀小肌 梨状肌 闭孔内肌 臀大肌 股方肌
（2）内收、外展：髋关节在额状面内绕矢状轴的运动。 范围：内收范围一般只有0°～45°，外展0°～45°。 测量方法：下肢向躯干正中线靠拢为内收，远离躯干正中 线为外展。
（3）内旋、外旋：髋关节在水平面内绕纵轴旋转。 范围：内旋、外旋范围分别为0°～45°，但旋外运动 大于旋内运动。 髋关节的内收和外旋运动有下列三种体位测量方法： A.髋膝伸直位：下肢伸直位，肢体（股骨）内旋或外旋 B.仰卧屈髋屈膝90°位：以股骨头为中心的股骨轴旋转 C.俯卧伸髋屈膝90°位：以股骨头为中心的轴向旋转
1．臀大肌 作用：使髋关节伸和旋外。 2．臀中肌 3．臀小肌 作用：使髋关节外展，前 部肌束能使髋关节旋内， 后部肌束则使髋关节旋外。 4．梨状肌 作用：使髋关节展和旋外。 5．闭孔内肌 6．股方肌 7．闭孔外肌 作用：使髋关节旋外。
肌肉
大腿肌
（一）前群 1．缝匠肌 作用：屈髋和屈膝关节，并使已 屈的膝关节旋内。 2．股四头肌 四个头：股直肌、股内侧肌、股 外侧肌和股中间肌。 作用：是膝关节强有力的伸肌， 股直肌还可屈髋关节。
坐骨神经走 形于髋关节 后侧
③ 内部负压增加：以上结构可使髋关节内部负压增 加。有实验表明即使去掉髋周肌、关节囊，将股 骨头拔开还需22kg的力。因此在大气压下髋关节 在功能位时结构相当紧密。
髋关节解剖结构以及生物力学
Subchondral bone
The interaction between water & framework gives cartilage mechanical properties of stiffness & resilience.交换水及矿物质
髋关节解剖结构以及生物力学
髋关节的关节囊和韧带
髋关节解剖结构以及生物力学
髋关节的关节囊和韧带
（1）髂股韧带 位于关节前面，是人体强有力的韧 带之一，起于髂前下棘，向下呈“人”字形，经关节 囊前方止于转子间线。 作用：加强关节囊 限制大腿过伸（使其只能伸15°左右） 限制大腿内收 限制过伸引起的脱位 整复髋关节脱位时，利用此韧带作为支点
髋关节解剖结构以及生物力学
髋关节解剖结构以及生物力学
髋关节解剖结构以及生物力学
② 髋臼：由髂骨、坐骨和耻骨三部分组成。中央为 髋臼窝，内衬半月形软骨，其下缘由髋臼横韧带 连接，使它与股骨头紧密贴合。周围有关节唇， 使髋臼变深，以防脱位。髋臼朝前下外方，内下 方软骨缺如，形成髋臼切迹，这种解剖结构与股 骨头脱位后所处位置有一定关系。
髋关节解剖结构以及生物力学
股骨头、颈处骨小梁的排列方向明显遵循沃尔夫定 律：当压应力或张应力施加在骨骼上时，骨骼的骨小梁会 根据需要自行排列生长，以适应承重的需要。经常运动会 使得骨骼受力增加，使骨量增加，骨质坚硬；而长期不运 动、骨骼不受力，则力学
运动生物力学讲稿第二章
3、各向异性和应力强度的方向性：各向异性是指骨在不同方向上的力学性质不同，（多孔结构所致）。
应力强度的方向性表现在骨密质与骨松质刚性的差别和各向异性使骨对应力的反应在不同方向上各不相同。
4、耐冲击力和耐持续力差：骨对冲击力的抵抗和持续受力能力较其它材料差。
抗疲劳性能也差。
5、应力对骨结构的影响：外加机械力改变骨结构中的应力。
而应力通常与骨组织之间存在着一（就象多次弯曲竹杆）、周期性载荷引起的骨折，开始于应力集中点，形成蚌壳式裂纹。
、重复载荷的骨疲劳，引起的骨折往往是低载荷的情况。
（四）影响骨疲劳的因素和疲劳曲线：骨骼上的应力，起到保护骨骼的作用。
（二）体育锻炼可促进骨的形态结构发生变化，提高骨抵抗载荷的能力。
第三节关节软骨、韧带、肌腱的生物力学特性和人体关节力学（课下自学）作业：自学P37--51第三节关节软骨、韧带、肌腱的生物力学特性和人体关节力学并回答问题。
1、简述关节软骨的力学性质，并分析关节软骨在关节活动中的作用。
：指肌肉工作时并联弹性成分的张力。
：被动张力与主动张力之和。
Ft = Fc + Fp（四）肌肉的平衡长度：无任何负荷时肌肉的长度— 。
在人体内的肌肉长度总是稍许大于平衡长度，所以放松的肌肉也保（也称最适长度）：指肌肉收缩成分产生最大收时，收缩成分的张力最大。
时，肌肉能恢复原长。
i=2.5 时，肌肉收缩力三、肌肉长度与肌肉收缩力量的关系—指肌肉收缩前的初长度对肌肉收缩（三）肌肉长度—总张力的关系（Ft— i曲线，P55图2-32）Ft = Fc + Fp分析：1、 i≤ 时，若肌肉收缩，Ft = Fc（此时Fp = 0）2、 i= o时，Fc = Fc max，则Ft =Fc max + Fp3、 i＞ o时，Fc减小，Ft一般减小。
Δ = 时为缓冲和超越器械（二）肌肉离心收缩力—速度的关系：（P60图2-37）随着肌肉被拉长速度的增加，肌力也增加，F∝V“切断”粗细肌丝连合所需的力要比保持等长收缩的力更大。
2.4膝关节生物力学运动学
（2）关节软骨
髌股关节软骨是人体中最厚的软骨。最大厚度可达7㎜。 髌股关节软骨厚度并非均匀一致，软骨最厚的部分位 于骨嵴处。60%位于髌骨的外侧关节面，分布于内侧者 约20%。关节面软骨厚度变化特点有助于增加髌股关节 面的适合性。
（3）维持髌股对合的平衡机制
髌股关节稳定性的影响因素很多，包括伸膝装置、支 持带、肌力、股胫角和股胫间的Screw-home机制、Q角、 髌骨位置、髁间槽发育程度、外力等，因此，良好的 髌股周围结构及其力学平衡，对维持髌股的正常排列 和稳定具有重要的作用。
横韧带对半月板运动有限制作用。 内外侧半月板与胫骨及关节囊的附着 以及与半月板横韧带之间形成的环状 结构又限制了半月板有过度外移。
5．膝关节的韧带
（1）有关节囊外韧带和关节囊内韧带。即：髌韧带 （patellar ligament） 、腓侧副韧带（fibular collateral ligment）、胫侧副韧带（tibial collateral ligament）、腘 斜韧带(oblique popliteal ligament)、膝交叉韧带 （cruciate ligaments of knee）。 （2）众多韧带附着，以保证膝关节运动的稳定性。 （3）侧副韧带在膝关节完全伸直时被拉紧，关节只有 处于这种状态时才易损伤。当膝关节被猛烈外展时， 可导致胫侧副韧带部分或全部被撕裂，而过大的内收 力量则可以导致腓侧副韧带损伤。 （4）在严重的内收或外展损伤时，交叉韧带可以与侧 副韧带一起被撕断。前交叉韧带可以在膝关节猛烈过 伸或胫骨向前脱位时被撕断。后交叉韧带则在后脱位 时被撕断。假如两条交叉韧带都被撕断，膝关节就会 出现不正常的前后移动；如果仅仅是向前移动的范围 增大，表示前交叉韧带断裂或松弛，如向后移动的范 围增大，则表示后交叉韧带断裂或松弛。
生物力学测量系统测量软骨损伤后滑膜关节的摩擦性能
中国组织工程研究第７７卷笫２６ ２０１３—０６—２５出版 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＴｉｓｓｕｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｊｕｎｅ ２５，２０１３ Ｖｏ１．７ Ｎｏ．２６ ＷＷＷ．ＣＲＴＥＲ．ｏｒｇ
ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—４３４４．２０１３．２６．０１２ ［ｈｔｔｐ：ｌｌｗｗｗ．ｃｒｔｅｒ．ｏｒｇ］ 牟怡平 Ｏｔｔｏ Ｍｕｌｌｅｒ．Ｎｉｃｏｌａｓ Ｗｕｆｌｋｅ￣生物力学灏量系统溅量软骨损伤后滑摸关节的摩擦性能 中国组织Ｉ程研究．２０１３。１７（２６）：４８３３—４８４０
生物力学测量系统测量软骨损伤后滑膜关节的摩擦性能☆ｏ
牟怡平’，Ｏｔｔｏ Ｍｕｌｌｅｒ２￣，Ｎｉｃｏｌａｓ Ｗｕｌｌｋｅｒ２￣ １沈阳医学院奉天医院，辽宁省沈阳市 １１００２４ ２图宾根大学，巴登一符腾堡州图宾根市７２０７６，德国
文章亮点： １腕关节是一个平面关节，能进行大约１５。左右的旋转及１０。以内的屈曲活动，而且非常稳定，符合实 验测定要求。
２相对于前交叉韧带损伤模型，软骨缺损模型没有关节不稳，对软骨的破坏也不完全依赖于运动，所以 软骨缺损模型产生的骨性关节炎更加稳定。
３实验应用由液压平台、力学测试软件系统和计算机控制系统构成的生物力学测量系统测量正常及软骨 缺损时羊腕关节的摩擦性能，探讨软骨缺损与关节摩擦性能的关系。
４结果发现，当关节压力增大时，关节摩擦力和关节摩擦因数均增大；软骨缺损会导致关节摩擦因数增 大。
关键词： 骨关节植入物；骨与关节生物力学；关节摩擦学；摩擦因数；骨性关节炎；软骨缺损；生物力学测量系 统；关节压力：扭矩；关节软骨退变性疾病：滑膜
摘要 背景：骨性关节炎会导致关节摩擦因数及性能的改变， 关节的摩擦性能。
牟怡平☆，男，１９７９年生， 辽宁省普兰店市人，汉族， ２０１１年德国图宾根大学 毕业，博士，主治医师， 主要从事骨关节与显微外 科研究。 ｙｉｐｉｎｇ．ｍｕ＠１ ６３．ｃｏｍ
新型生物复合材料聚乙烯醇纳米羟基磷灰石聚己二酰己二胺修复关节软骨及软骨下骨缺损的生物力学研究☆
中国组织工程研究与临床康复第12卷第6期 2008–02–05出版Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research February 5, 2008 Vol.12, No.6 ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH1051 1Department of Orthopedics, Fourth People’s Hospital of Guiyang, Guiyang 550002, Guizhou Province, China；2Department of Orthopedics, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China; 3Center of Analysis and Deter-mination of Nano-meter, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, ChinaGuo Tao☆, Doctor, Associate chief physician, Depart-ment of Orthopedics, Fourth People’s Hospital, Guiyang 550002, Guizhou Province, China ****************** Received: 2007-11-09 Accepted: 2007-12-251贵阳市第四人民医院骨科，贵州省贵阳市550002；2四川大学华西医院骨科，四川省成都市610041；3四川大学纳米分析测试中心，四川省成都市 610041郭涛☆，男，1971年生，湖北省老河口市人，汉族，2007年四川大学华西临床医学院毕业，博士，副主任医师，主要从事骨损伤修复及组织工程的研究。
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关节软骨生物力学
关节是人体中骨与骨可动连接的环节，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。
3．张力特性：软骨承受的张力负荷与关节软骨面相平行时，其硬
度和强度与胶原纤维平行于张力方向排列的范围有密切关系，因为胶
原纤维是抗张力的主要成分。随着关节表面距离的增加，正常成人关
节软骨的拉伸强度均降低，这使胶原蛋白密集的软骨表浅层对软骨组
织起到一种坚韧耐磨、保护皮肤的作用。
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荷和应力集中。