临床生物力学基础_3.pdf

第三讲:骨科生物力学专题(续)第三讲:骨科生物力学专题(续)1.关节软骨的生物力学2.肌腱和韧带的生物力学1.关节软骨的生物力学2.肌腱和韧带的生物力学关节软骨的主要功能关节软骨的主要功能?承受力学负荷；承受力学负荷；?分散负荷；分散负荷；?减小接触应力；减小接触应力；?润滑作用，减小关节面作相对运动时的摩擦力和磨损。润滑作用，减小关节面作相对运动时的摩擦力和磨损。关节软骨的结构与组成关节软骨的结构与组成1.软骨由软骨细胞、基质和 纤维组成，软骨细胞镶嵌 在基质中。2.软骨具有确定的纤维组织（胶原、弹性)排列。3.软骨分为透明软骨、纤维 软骨（含较多胶原纤维）和弹性软骨（含较多弹性 纤维）。1.软骨由软骨细胞、基质和 纤维组成，软骨细胞镶嵌 在基质中。2.软骨具有确定的纤维组织（胶原、弹性)排列。3.软骨分为透明软骨、纤维 软骨（含较多胶原纤维）和弹性软骨（含较多弹性 纤维）。软骨分类软骨分类弹性软骨弹性软骨:存在于耳垂、听觉管道和喉部。其构造 与透明软骨相似，只是间 质内含有存在于耳垂、听觉管道和喉部。其构造 与透明软骨相似，只是间 质内含有大量的弹性纤 维大量的弹性纤 维，互相交织成网，具有 很大的弹性。弹性软骨新 鲜时呈黄色，互相交织成网，具有 很大的弹性。弹性软骨新 鲜时呈黄色。纤维软骨纤维软骨:存在于耻骨联 合、关节的半月板、椎 间盘中。其特点是基质 很少，其中含有存在于耻骨联 合、关节的半月板、椎 间盘中。其特点是基质 很少，其中含有大量的 胶原纤维大量的 胶原纤维束，平行或交 叉排列。束，平行或交 叉排列。透明软骨透明软骨:存在骨的关节 表面、鼻、呼吸道壁。新鲜时呈半透明状，较 脆，易折断。透明软骨 间质中的纤维为胶原原 纤维，含量较少，存在骨的关节 表面、鼻、呼吸道壁。新鲜时呈半透明状，较 脆，易折断。透明软骨 间质中的纤维为胶原原 纤维，含量较少，基质 较丰富基质 较丰富。软骨细胞及其分区形态软骨细胞及其分区形态?关节软骨中软骨细胞约占组织容积的10%；关节软骨中软骨细胞约占组织容积的10%；?软骨细胞分泌细胞外基质的成分，包括型胶原纤维和蛋白多糖；软骨细胞分泌细胞外基质的成分，包括型胶原纤维和蛋白多糖；?在关节软骨浅表区内，软骨细胞呈长圆形，长轴与关节面平行；在关节软骨浅表区内，软骨细胞呈长圆形，长轴与关节面平行；?在关节软骨中间区内，软骨细胞呈圆形，分散杂乱；在关节软骨中间区内，软骨细胞呈圆形，分散杂乱；?在深区内，软骨细胞呈柱状排列。在深区内，软骨细胞呈柱状排列。软 骨 囊软 骨 囊软骨中的胶原纤维软骨中的胶原纤维?软骨中胶原含量占软骨组织净重的软骨中胶原含量占软骨组织净重的1030%；?原胶原纤维平均直径原胶原纤维平均直径2540nm；?软骨中型胶原比骨、韧带和肌腱内的I型胶原更细，使其能在软骨内分布最大化，且分布不均匀。软骨中型胶原比骨、韧带和肌腱内的I型胶原更细，使其能在软骨内分布最大化，且分布不均匀。软骨中胶原的分区排列软骨中胶原的分区排列?浅表层浅表层区占总厚度的区占总厚度的1020%，呈细而致密紧排的纤维不规则交织于与关节面平行的面上；，呈细而致密紧排的纤维不规则交织于与关节面平行的面上；?中间层中间层占总厚度的占总厚度的4060%，排列紊乱，纤维之间距离较大，分布不均；，排列紊乱，纤维之间距离较大，分布不均；?深区深区约占总厚度的约占总厚度的30%，纤维密集排列，形成辐射状纤维束，穿越关节软骨与其下的钙化软骨之间，形成一个交锁的，纤维密集排列，形成辐射状纤维束，穿越关节软骨与其下的钙化软骨之间，形成一个交锁的“根根”系统，使软骨能扎根在下面的骨结构内。系统，使软骨能扎根在下面的骨结构内。胶原纤维形态胶原纤维形态I型胶原型胶原II型胶原型胶原弹性纤维形态弹性纤维形态软骨中的蛋白多糖软骨中的蛋白多糖?软骨组织内软骨组织内蛋白多糖蛋白多糖为净重的为净重的310%，为大分子蛋白多肽单体或聚集体，比较集中于中间层；，为大分子蛋白多肽单体或聚集体，比较集中于中间层；?蛋白多糖中的多糖链为杂多糖，因其组成成分中均含氨基已糖，所以称为蛋白多糖中的多糖链为杂多糖，因其组成成分中均含氨基已糖，所以称为氨基多糖或糖胺聚糖氨基多糖或糖胺聚糖(GAG)。常见的氨基多糖。常见的氨基多糖包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素和肝素包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素和肝素等；等；?这种蛋白多糖聚集体可使蛋白多糖在胶原网内得到稳定并可增加细胞外基质的这种蛋白多糖聚集体可使蛋白多糖在胶原网内得到稳定并可增加细胞外基质的结构硬度结构硬度。关节软骨的抗压缩能力与软骨基质中蛋白多糖的数量成正比。关节软骨的抗压缩能力与软骨基质中蛋白多糖的数量成正比。氨基多糖基质组成氨基多糖基质组成基质基质软骨中的水软骨中的水?软骨组织内水、无机盐和少量其他基质蛋白、糖蛋白和脂肪占约软骨组织内水、无机盐和少量其他基质蛋白、糖蛋白和脂肪占约6087%。?水在关节内分布不均。近关节面最多（约水在关节内分布不均。近关节面最多（约80%），越近深区水越少，到深区为），越近深区水越少，到深区为65%；?约有约有30%的水与胶原原纤维密切相关并占据分子内间隙，当组织受负荷时水可自由流动；的水与胶原原纤维密切相关并占据分子内间隙，当组织受负荷时水可自由流动；?软骨组织受到负荷时约软骨组织受到负荷时约70%的水流动，这种流动对软骨力学行为的控制和关节的润滑有重要意义。的水流动，这种流动对软骨力学行为的控制和关节的润滑有重要意义。关节软骨的物理结构关节软骨的物理结构?关节软骨中胶原原纤维和蛋白多糖属于关节的关节软骨中胶原原纤维和蛋白多糖属于关节的结构成分结构成分，支持施加于关节软骨上内在的应力负荷。这些结构成分和水一起，决定了软骨的生物力学行为；，支持施加于关节软骨上内在的应力负荷。这些结构成分和水一起，决定了软骨的生物力学行为；?型胶原纤维、蛋白多糖单体、透明质酸纤维及其他成分之间相互作用形成型胶原纤维、蛋白多糖单体、透明质酸纤维及其他成分之间相互作用形成多孔的组合性纤维网多孔的组合性纤维网，使基质具有固体所具有的力学性质，能抵抗关节的应力与应变；，使基质具有固体所具有的力学性质，能抵抗关节的应力与应变；?关节软骨也是关节软骨也是各向异性的双相（液体相和固体相）复合材料各向异性的双相（液体相和固体相）复合材料。负荷方向不同，材料性能各异。这与胶原纤维排列方向、交联密度及胶原与蛋白多糖的相互作用方式有关；。负荷方向不同，材料性能各异。这与胶原纤维排列方向、交联密度及胶原与蛋白多糖的相互作用方式有关；?软骨的这种结构有利于液体在应力作用下产生流动，使无血管的软骨组织内气体、营养和废物产生扩散，使软骨细胞与周围营养丰富的滑液之间进行物资交换。软骨的这种结构有利于液体在应力作用下产生流动，使无血管的软骨组织内气体、营养和废物产生扩散，使软骨细胞与周围营养丰富的滑液之间进行物资交换。关节软骨的粘弹性关节软骨的粘弹性?关节软骨为多孔材料，组织间隙中充满着液体。在应力作用下，液体可在组织中流进流出：当软骨组织膨胀时液体关节软骨为多孔材料，组织间隙中充满着液体。在应力作用下，液体可在组织中流进流出：当软骨组织膨胀时液体流入流入组织，当软骨组织收缩时液体组织，当软骨组织收缩时液体流出流出组织。组织。?软骨中蛋白多糖和胶原对承受负荷起重要作用。软骨对压力的反应取决于基质内液体的流动，软骨中蛋白多糖和胶原对承受负荷起重要作用。软骨对压力的反应取决于基质内液体的流动，蛋白多糖蛋白多糖维持和调节水的流动，因而决定了软骨的压缩特性。软骨中维持和调节水的流动，因而决定了软骨的压缩特性。软骨中胶原和蛋白多糖胶原和蛋白多糖嗜水性强，其变形特征与吸水量和承受外力的速度密切相关。挤压越快，水分越难流出，反之越易流出。嗜水性强，其变形特征与吸水量和承受外力的速度密切相关。挤压越快，水分越难流出，反之越易流出。?软骨处于恒定负荷或者恒定变形时，其反应具有时间依赖性，因此软骨具有粘弹性特征，即具有对恒定载荷下的软骨处于恒定负荷或者恒定变形时，其反应具有时间依赖性，因此软骨具有粘弹性特征，即具有对恒定载荷下的蠕变行为蠕变行为和对恒定应变的和对恒定应变的应力松弛效应应力松弛效应。关节软骨蠕变特征关节软骨蠕变特征施加恒定应力在软骨面上，在初期阶 段，由于基质内液体渗出较快，早期 应变增加快，当流动减慢直到停止 时，应变改变降低直到恒定。施加恒定应力在软骨面上，在初期阶 段，由于基质内液体渗出较快，早期 应变增加快，当流动减慢直到停止 时，应变改变降低直到恒定。蠕变平衡时所需时间与组织厚度的平方呈 正比。人和牛关节软骨较厚：蠕变平衡时所需时间与组织厚度的平方呈 正比。人和牛关节软骨较厚：24mm，需，需416小时达到平衡；家兔关节软骨厚 度小于小时达到平衡；家兔关节软骨厚 度小于1.0mm，约需，约需1小时达到平衡。小时达到平衡。大量渗出液大量渗出液无渗出液无渗出液平衡应变平衡应变关节软骨应力松弛关节软骨应力松弛保持恒定应变，应 力随时间下降直至 平衡应力。保持恒定应变，应 力随时间下降直至 平衡应力。软骨从软骨从A挤压至挤压至B点后保持恒定应变，液体渗出并 在点后保持恒定应变，液体渗出并 在B点达到应力最大值，点达到应力最大值，B点后发生应力松弛，直 至平衡应力。点后发生应力松弛，直 至平衡应力。关节软骨的渗透性关节软骨的渗透性?关节软骨是多孔性泡沫材料，因孔间互相连通，因此具有渗透性。关节软骨是多孔性泡沫材料，因孔间互相连通，因此具有渗透性。渗透性渗透性表征液体流经泡沫材料的通过性能，它与液体流经材料时所受到的流动阻力成反比。关节表征液体流经泡沫材料的通过性能，它与液体流经材料时所受到的流动阻力成反比。关节软骨的渗透性很低软骨的渗透性很低，所以当液体流过软骨基质时，它受到高的，所以当液体流过软骨基质时，它受到高的流动阻力流动阻力。?液体通过关节软骨有两种主要的力学方式。一方面是应用压力梯度，即当软骨组织外面的压力大于里面，可使液体液体通过关节软骨有两种主要的力学方式。一方面是应用压力梯度，即当软骨组织外面的压力大于里面，可使液体进入进入软骨基质。另一方面，如果对软骨施压，也会发生液体的流动，这种局部压力增加是引起液体从软骨组织内软骨基质。另一方面，如果对软骨施压，也会发生液体的流动，这种局部压力增加是引起液体从软骨组织内渗出渗出的动力。对于正常的关节软骨上上述两种机制同时存在。的动力。对于正常的关节软骨上上述两种机制同时存在。软骨的张力特性软骨的张力特性?软骨承受张力负荷与关节软骨面平行时，其硬度和强度取决于平行于张力方向的软骨承受张力负荷与关节软骨面平行时，其硬度和强度取决于平行于张力方向的胶原纤维的排列胶原纤维的排列。?张力强度随关节面下的深度增加而减少。浅表区胶原纤维的排列方向同最大张应变方向，由摩擦和压力产生。因摩擦产生的张应变相当小（关节面摩擦较低），因而平行于关节面的张力，主要张力强度随关节面下的深度增加而减少。浅表区胶原纤维的排列方向同最大张应变方向，由摩擦和压力产生。因摩擦产生的张应变相当小（关节面摩擦较低），因而平行于关节面的张力，主要继发于压力（非均匀受压）继发于压力（非均匀受压）。?正常软骨张力强度主要取决于胶原纤维的多少和纤维的排列。正常软骨张力强度主要取决于胶原纤维的多少和纤维的排列。曲线低坡部分示拉力方向与胶原 蛋白结构排列一致；上部代表胶 原蛋白本身拉伸刚度。任何病理 或实验所致软骨组织成分或结构 异常，拉伸曲线有异常反应。曲线低坡部分示拉力方向与胶原 蛋白结构排列一致；上部代表胶 原蛋白本身拉伸刚度。任何病理 或实验所致软骨组织成分或结构 异常，拉伸曲线有异常反应。软骨拉张性能影响因素软骨拉张性能影响因素?外加张力的方向与胶原的取向密切相关。无张力时，纤维定向不规则；有张力时，纤维按张力方向排列；外加张力的方向与胶原的取向密切相关。无张力时，纤维定向不规则；有张力时，纤维按张力方向排列；?胶原的拉张性能与胶原分子的结构、胶原纤维的构造及交联相关，张力性能与软骨胶原数量成正比；胶原的拉张性能与胶原分子的结构、胶原纤维的构造及交联相关，张力性能与软骨胶原数量成正比；?关节软骨的关节软骨的进行性降解进行性降解，导致原纤维形成轻度骨关节炎，表现为软骨基质在拉张性能方面的进行性衰竭，导致原纤维形成轻度骨关节炎，表现为软骨基质在拉张性能方面的进行性衰竭.关节内应力的分布关节内应力的分布?关节软骨具有衰减应力和吸收振动的作用，使骨免受应力损伤。如果无软骨，就会引起骨损伤的应力，增加骨的接触应力，引起松质骨骨小梁疲劳性损伤。关节软骨具有衰减应力和吸收振动的作用，使骨免受应力损伤。如果无软骨，就会引起骨损伤的应力，增加骨的接触应力，引起松质骨骨小梁疲劳性损伤。?在软骨浅表区，纤维排列方向与表面平行，张应力强度和刚度大。在软骨浅表区，纤维排列方向与表面平行，张应力强度和刚度大。?软骨最深层的胶原纤维具有垂直排列的倾向，有将基质固定于软骨下骨的功能。软骨最深层的胶原纤维具有垂直排列的倾向，有将基质固定于软骨下骨的功能。?软骨在比较厚的松质骨上，因松质骨能发生足够的变形，从而产生最大限度的负重接触面，减小软骨承受的应力，使关节充分适应负荷。软骨在比较厚的松质骨上，因松质骨能发生足够的变形，从而产生最大限度的负重接触面，减小软骨承受的应力，使关节充分适应负荷。?松质骨的变形使小梁骨发生微骨折。但只要微骨折发生频率低于愈合率，松质骨的可变形性就不会改变。软骨下骨若失去变形性，关节应力增加，导致关节软骨的局部应力集中。松质骨的变形使小梁骨发生微骨折。但只要微骨折发生频率低于愈合率，松质骨的可变形性就不会改变。软骨下骨若失去变形性，关节应力增加，导致关节软骨的局部应力集中。关节软骨的润滑作用关节软骨的润滑作用?正常软骨对不同负荷时磨损很小，表明关节内有独特的润滑作用。摩擦系数比油对金属的润滑低正常软骨对不同负荷时磨损很小，表明关节内有独特的润滑作用。摩擦系数比油对金属的润滑低2个数量级，比最好的人工材料低许多倍。个数量级，比最好的人工材料低许多倍。?关节的润滑来自关节软骨面之间形成的润滑液膜，在运动和负重时，在软骨面上形成一个有吸收性能的边界润滑物。关节的润滑来自关节软骨面之间形成的润滑液膜，在运动和负重时，在软骨面上形成一个有吸收性能的边界润滑物。软骨退化的生物力学原因软骨退化的生物力学原因?关节软骨只有有限的修复与再生能力，对异常大的应力引起快速总体衰竭。影响因素包括：应力幅度、频率、胶原-蛋白多糖分子结构及基质内在力学性能的变化。关节软骨只有有限的修复与再生能力，对异常大的应力引起快速总体衰竭。影响因素包括：应力幅度、频率、胶原-蛋白多糖分子结构及基质内在力学性能的变化。?衰竭最重要的初期因素是胶原网的松动，蛋白多糖膨胀。引起软骨硬度的衰减和软骨渗透性增加。衰竭最重要的初期因素是胶原网的松动，蛋白多糖膨胀。引起软骨硬度的衰减和软骨渗透性增加。?关节软骨承受的应力幅度取决于负荷的大小和分散关节软骨的接触面积。接触区内任何应力集中成为软骨退化的主要原因。关节软骨承受的应力幅度取决于负荷的大小和分散关节软骨的接触面积。接触区内任何应力集中成为软骨退化的主要原因。?关节软骨上的过大应力集中，是由于关节面不平整，导致接触区变小而使软骨衰竭。关节软骨上的过大应力集中，是由于关节面不平整，导致接触区变小而使软骨衰竭。临床上关节软骨退化病临床上关节软骨退化病?职业性关节退化：足球运动员膝关节、芭蕾舞演员的踝关节。高负荷高频率应力刺激所致。职业性关节退化：足球运动员膝关节、芭蕾舞演员的踝关节。高负荷高频率应力刺激所致。?类风湿性关节炎、血友病的关节间隙出血、各种胶原代谢紊乱和蛋白溶酶的降解，导致胶原类风湿性关节炎、血友病的关节间隙出血、各种胶原代谢紊乱和蛋白溶酶的降解，导致胶原-蛋白多糖基质内在分子和结构破坏。蛋白多糖基质内在分子和结构破坏。骨关节炎病因学骨关节炎病因学任何能引起软骨细胞微小环境改变的因素均能导致继发性骨关节炎的产生:任何能引起软骨细胞微小环境改变的因素均能导致继发性骨关节炎的产生:?先天性关节畸形；先天性关节畸形；?遗传学缺陷；遗传学缺陷；?感染性,代谢性,内分泌性和神经病性疾病；感染性,代谢性,内分泌性和神经病性疾病；?改变关节软骨正常结构与功能的各种疾病(如痛风,软骨钙质沉着)；改变关节软骨正常结构与功能的各种疾病(如痛风,软骨钙质沉着)；?对透明软骨及周围组织的创伤(包括骨折；一个或一组关节长期过劳,例如某些铸造,采煤,驾驶汽车等职业)。对透明软骨及周围组织的创伤(包括骨折；一个或一组关节长期过劳,例如某些铸造,采煤,驾驶汽车等职业)。骨关节炎生物力学因素骨关节炎生物力学因素?疲劳性磨损：疲劳性磨损：反复受力作用，不仅产生胶原纤维断裂，而且也损耗了软骨表面的蛋白多糖。骨畸形可增大软骨所承受的这种反复作用的应力。反复受力作用，不仅产生胶原纤维断裂，而且也损耗了软骨表面的蛋白多糖。骨畸形可增大软骨所承受的这种反复作用的应力。?应力集中：应力集中：由于关节骨折、脱位、髋臼发育异常、骨骺滑脱和疾病引起结构异常，因支持负荷的面积减少而导致接触压力增大。骨坏死造成骨质塌陷，导致出现致病性高负荷应力。由于关节骨折、脱位、髋臼发育异常、骨骺滑脱和疾病引起结构异常，因支持负荷的面积减少而导致接触压力增大。骨坏死造成骨质塌陷，导致出现致病性高负荷应力。?张应力破坏：张应力破坏：关节畸形（例如膝外翻或膝内翻），使关节增加的负荷不平衡，一侧分布大，最后软骨破坏。关节畸形（例如膝外翻或膝内翻），使关节增加的负荷不平衡，一侧分布大，最后软骨破坏。?异常作用力：异常作用力：可引起关节的内部紊乱。可引起关节的内部紊乱。?关节面的关节面的相对挤压:相对挤压:造成关节软骨营养障碍，导致软骨细胞坏死。继之发生基质蛋白多糖的损耗，经关节往返运动的压力和剪力，引起软骨退行性改变。造成关节软骨营养障碍，导致软骨细胞坏死。继之发生基质蛋白多糖的损耗，经关节往返运动的压力和剪力，引起软骨退行性改变。骨关节炎软骨生物力学改变骨关节炎软骨生物力学改变?关节软骨的压缩性能与软骨基质中蛋白多糖的数量成正比，而张力性能与软骨胶原数量成正比。骨性关节炎关节软骨的蠕变特性、弹性模量的测量结果与蛋白多糖含量接近一致，略与胶原含量一致。关节软骨的压缩性能与软骨基质中蛋白多糖的数量成正比，而张力性能与软骨胶原数量成正比。骨性关节炎关节软骨的蠕变特性、弹性模量的测量结果与蛋白多糖含量接近一致，略与胶原含量一致。?已经出现退变但看上去正常的软骨不随病情加重而变硬（较软）。虽然骨性关节炎改变可出现局灶性分布，但退变延伸到另一部位时的硬化征兆一般不明显。已经出现退变但看上去正常的软骨不随病情加重而变硬（较软）。虽然骨性关节炎改变可出现局灶性分布，但退变延伸到另一部位时的硬化征兆一般不明显。?蠕变特性的改变先于软骨纤维化之前。由于蠕变特性与蛋白多糖浓度一致，所以蠕变特性改变是在蛋白多糖的损耗之后出现的病理改变。蠕变特性的改变先于软骨纤维化之前。由于蠕变特性与蛋白多糖浓度一致，所以蠕变特性改变是在蛋白多糖的损耗之后出现的病理改变。?肌腱和韧带的组成和结构；肌腱和韧带的组成和结构；?肌腱和韧带的生物力学性能；肌腱和韧带的生物力学性能；?肌腱和韧带的生物力学性能的影响因素。肌腱和韧带的生物力学性能的影响因素。肌腱和韧带的生物力学肌腱和韧带的生物力学肌腱和韧带的组成和结构肌腱和韧带的组成和结构?肌腱和韧带是致密的结缔组织，主要由平行排列的胶原纤维组成。肌腱和韧带是致密的结缔组织，主要由平行排列的胶原纤维组成。?纤维母细胞占纤维母细胞占20%，细胞外基质占，细胞外基质占80%（其中水占（其中水占70%，固体物质占，固体物质占30%）。）。?固体物质中含胶原、基质和弹性蛋白。其中胶原占固体物质中含胶原、基质和弹性蛋白。其中胶原占75%。肌腱比韧带中胶原更多，肢体肌腱胶原占。肌腱比韧带中胶原更多，肢体肌腱胶原占99%。胶原胶原?肌腱和韧带中胶原分子由纤维母细胞合成。在细胞内的为较大的前胶原，分泌到细胞外间隙，合成I型胶原。肌腱和韧带中胶原分子由纤维母细胞合成。在细胞内的为较大的前胶原，分泌到细胞外间隙，合成I型胶原。?大多数胶原分子含甘氨酸（33%）、脯氨酸（15%）和羟脯氨酸（15%）。大多数胶原分子含甘氨酸（33%）、脯氨酸（15%）和羟脯氨酸（15%）。?肌腱和韧带中胶原纤维排列：肌腱的纤维为有序的平行排列，使其能承受高度的单向拉张负荷；韧带的纤维不完全平行，相互交织紧密结合，主要方向承受拉张负荷，其它方向也可承受负荷。肌腱和韧带中胶原纤维排列：肌腱的纤维为有序的平行排列，使其能承受高度的单向拉张负荷；韧带的纤维不完全平行，相互交织紧密结合，主要方向承受拉张负荷，其它方向也可承受负荷。?肌腱和韧带中胶原的代谢可用羟脯氨酸或甘氨酸来测定。肌腱和韧带中胶原的代谢可用羟脯氨酸或甘氨酸来测定。弹性蛋白弹性蛋白?肌腱和韧带内含有不同比例的肌腱和韧带内含有不同比例的弹性蛋白弹性蛋白。?肌腱和肢体的韧带内弹性蛋白很少，但在有肌腱和肢体的韧带内弹性蛋白很少，但在有弹性的韧带弹性的韧带内，其比例占多数。弹性纤维与胶原纤维的比例为内，其比例占多数。弹性纤维与胶原纤维的比例为2：1。结构基质结构基质?肌腱和韧带内含有的基质主要有肌腱和韧带内含有的基质主要有蛋白多糖蛋白多糖大分子（占固体物质的大分子（占固体物质的20%）、）、结构蛋白结构蛋白、血浆蛋白血浆蛋白和和小分子小分子。?蛋白多糖含有不同的硫化多糖链和核心蛋白结合，与长的透明质酸连接，形成一个大的蛋白多糖含有不同的硫化多糖链和核心蛋白结合，与长的透明质酸连接，形成一个大的多糖结合体多糖结合体，类似软骨中的基质。，类似软骨中的基质。肌腱与韧带的骨附着肌腱与韧带的骨附着?韧带和肌腱连接于骨上的结构（止点）是相似的。韧带和肌腱连接于骨上的结构（止点）是相似的。?对肌腱而言，止点有四个区：肌腱端区、胶原纤维与纤维软骨交织区、纤维软骨到矿化纤维的过渡区、皮质骨区。对肌腱而言，止点有四个区：肌腱端区、胶原纤维与纤维软骨交织区、纤维软骨到矿化纤维的过渡区、皮质骨区。?从肌腱至骨的结构变化导致组织从肌腱至骨的结构变化导致组织生物力学特性的逐渐改变生物力学特性的逐渐改变，硬度逐渐增加，使肌腱附着于较硬的骨结构上，减少应力集中。，硬度逐渐增加，使肌腱附着于较硬的骨结构上，减少应力集中。肌腱与韧带的生物力学肌腱与韧带的生物力学?足趾区（足趾区（12）：拉长的是松驰胶原的卷曲变化，随负荷增加而变直。趾区末端的应变为）：拉长的是松驰胶原的卷曲变化，随负荷增加而变直。趾区末端的应变为1.54.0%。?线性区（线性区（23）：胶原纤维变得更平行，卷曲消失）：胶原纤维变得更平行，卷曲消失,标本的硬度迅速加大，组织形变与负荷成线性关系。标本的硬度迅速加大，组织形变与负荷成线性关系。?塑性区（塑性区（34）：组织达到屈服点，部分胶原纤维已经开始发生衰竭，组织发生不可逆的结构性改变。）：组织达到屈服点，部分胶原纤维已经开始发生衰竭，组织发生不可逆的结构性改变。?断裂区（断裂区（4 5）：到达最大负荷值，标本达到最大抗拉强度后，很快出现完全衰竭，失去抗张力。）：到达最大负荷值，标本达到最大抗拉强度后，很快出现完全衰竭，失去抗张力。屈服强度断裂强度断裂点屈服强度断裂强度断裂点肌腱断裂的组织学肌腱断裂的组织学屈 服区屈 服区断 裂区断 裂区肌腱的生物力学性能参数肌腱的生物力学性能参数?抗拉强度抗拉强度m；?断裂应变；断裂应变；?断裂能量断裂能量A；?弹性模量弹性模量E。%100=LL)max(=m=E?在足趾区，弹性模量逐渐增大，表明材料的硬度逐渐增加。在足趾区，弹性模量逐渐增大，表明材料的硬度逐渐增加。?在线性区，弹性模量比较稳定在线性区，弹性模量比较稳定,且达到最大。且达到最大。黄韧带的生物力学特性黄韧带的生物力学特性?黄韧带在拉长到硬度明显增加前，伸长率可达到50%以上。黄韧带在拉长到硬度明显增加前，伸长率可达到50%以上。?进一步伸长时，随着负荷增加，硬度迅速增加，但形变很小；进一步伸长时，随着负荷增加，硬度迅速增加，但形变很小；?然后突然衰竭，不再有形变。然后突然衰竭，不再有形变。肌腱与韧带的生理负荷肌腱与韧带的生理负荷?抗拉强度的意义：了解正常组织的力学特性。抗拉强度的意义：了解正常组织的力学特性。?在正常生理条件下，肌腱和韧带承受的应力为最大应力的1/31/4。在正常生理条件下，肌腱和韧带承受的应力为最大应力的1/31/4。?肌腱和韧带的最高生理应变为25%。肌腱和韧带的最高生理应变为25%。肌腱与韧带的损伤机能肌腱与韧带的损伤机能?在活体内，若韧带承受的负荷超过生理负荷,虽然未达到屈服点，也会发生在活体内，若韧带承受的负荷超过生理负荷,虽然未达到屈服点，也会发生微损伤微损伤。若超过屈服点韧带出现明显损伤，并伴有关节移位和周围组织结构的损害（关节囊、邻近韧带及营养血管）。若超过屈服点韧带出现明显损伤，并伴有关节移位和周围组织结构的损害（关节囊、邻近韧带及营养血管）。?在最大负荷下，肌腱和韧带纤维即使有明显的微观损伤和断裂，发生广泛的延伸，仍能保持其在最大负荷下，肌腱和韧带纤维即使有明显的微观损伤和断裂，发生广泛的延伸，仍能保持其连续性连续性。韧带损伤分类韧带损伤分类?轻微损伤轻微损伤：轻微疼痛，无关节不稳。但胶原纤维有微损伤。：轻微疼痛，无关节不稳。但胶原纤维有微损伤。?局部破坏性损伤局部破坏性损伤：剧烈疼痛，伴可测出的关节不稳定。胶原的进行性衰竭导致韧带的部分破裂，强度和硬度减少50%以上。：剧烈疼痛，伴可测出的关节不稳定。胶原的进行性衰竭导致韧带的部分破裂，强度和硬度减少50%以上。?严重损伤严重损伤：短时严重疼痛，以后减轻，伴关节完全不稳。多数胶原纤维已断裂，仅部分保持完整，外观表现为连续性，但关节已不能负重。：短时严重疼痛，以后减轻，伴关节完全不稳。多数胶原纤维已断裂，仅部分保持完整，外观表现为连续性，但关节已不能负重。肌腱损伤肌腱损伤?肌肉收缩力会传到肌腱。当肌肉收缩力最大时，肌腱的张应力升到最大。临床中，若肌肉发生迅速的收缩，如踝关节的快速背屈，而腓肠肌与比目鱼肌不能有反射性松弛，跟腱上的张应力迅速增加，当其超过屈服应力时发生肌肉收缩力会传到肌腱。当肌肉收缩力最大时，肌腱的张应力升到最大。临床中，若肌肉发生迅速的收缩，如踝关节的快速背屈，而腓肠肌与比目鱼肌不能有反射性松弛，跟腱上的张应力迅速增加，当其超过屈服应力时发生跟腱断裂跟腱断裂。?肌肉的强度与其生理性横截面积有关。肌肉收缩时其上的张应力传到肌腱上。一般肌腱的抗张强度比肌肉大两倍，因此高应力下肌肉的强度与其生理性横截面积有关。肌肉收缩时其上的张应力传到肌腱上。一般肌腱的抗张强度比肌肉大两倍，因此高应力下肌肉破裂多于肌腱断裂肌肉破裂多于肌腱断裂。肌腱与韧带的粘弹性肌腱与韧带的粘弹性?在负荷作用下，韧带和肌腱具有粘弹性特征。应变率增大时，应力-应变曲线的线性部分更陡,组织的硬度增大。在负荷作用下，韧带和肌腱具有粘弹性特征。应变率增大时，应力-应变曲线的线性部分更陡,组织的硬度增大。?在较高的应变率下，韧带和肌腱可贮存更多的能量，这就需要更大的力才能使之破坏，产生更大的延伸。在较高的应变率下，韧带和肌腱可贮存更多的能量，这就需要更大的力才能使之破坏，产生更大的延伸。?反复加载和御载，应力-应变曲线存在滞后环。反复加载和御载，应力-应变曲线存在滞后环。?具有蠕变和应力松驰特性。具有蠕变和应力松驰特性。应力松弛与蠕变特征应力松弛与蠕变特征?应力松弛实验：应力松弛实验：应变保持恒定时应力随时间而下降的实验。开始时应力下降快，以后放慢。应变保持恒定时应力随时间而下降的实验。开始时应力下降快，以后放慢。?蠕变实验：蠕变实验：应力保持恒定时应变随时间增大的实验。开始时应变增加快，然后逐渐放慢。应力保持恒定时应变随时间增大的实验。开始时应变增加快，然后逐渐放慢。F Ltt应力松弛蠕变应力松弛蠕变肌腱与韧带力学性能的影响因素肌腱与韧带力学性能的影响因素?成熟与老年：质量、交联、纤维直径；成熟与老年：质量、交联、纤维直径；?运动与止动：重塑（质量）、交联、纤维直径；运动与止动：重塑（质量）、交联、纤维直径；?抗炎药物：增加胶原含量及胶原分子的交联。抗炎药物：增加胶原含量及胶原分子的交联。小结小结?动关节的关节软骨功能是增加负荷分散的面积，提供一个平滑而抗磨损的负重面。动关节的关节软骨功能是增加负荷分散的面积，提供一个平滑而抗磨损的负重面。?关节软骨是双向性材料：胶原关节软骨是双向性材料：胶原-蛋白多糖基质（约蛋白多糖基质（约1/4）被间质液（约）被间质液（约3/4）所包围。）所包围。?关节软骨的生物力学性能是固体基质的内在材料性能和对间质流动的粘滞阻力。关节软骨的生物力学性能是固体基质的内在材料性能和对间质流动的粘滞阻力。?关节软骨能提供动关节自身润滑的能力。关节软骨的破坏会损害正常负荷能力，从而破坏正常的润滑程序。润滑机能不全是骨关节炎致病的基本因素。关节软骨能提供动关节自身润滑的能力。关节软骨的破坏会损害正常负荷能力，从而破坏正常的润滑程序。润滑机能不全是骨关节炎致病的基本因素。?肌腱和韧带的力学特性取决于其结构特性：组分、排列。肌腱和韧带的力学特性取决于其结构特性：组分、排列。?肌腱和韧带具有粘弹性特征肌腱和韧带具有粘弹性特征,并与应变率有关。并与应变率有关。?肌腱和韧带的力学特性的改变取决于其结构的变化。肌腱和韧带的力学特性的改变取决于其结构的变化。骨的压缩骨的压缩人体正常活动状态时大多数骨都处于受压状态。一般承 压能力高于承拉能力。随年龄增长，骨的硬度降低，抗 压强度减小。主要参数为：人体正常活动状态时大多数骨都处于受压状态。一般承 压能力高于承拉能力。随年龄增长，骨的硬度降低，抗 压强度减小。主要参数为：压缩弹性模量E；抗压强度 压缩弹性模量E；抗压强度 m m；压缩极限；压缩极限m。m。应变速度影响压缩实验的应力应变速度影响压缩实验的应力-应 变关系。应变速度增加，应 变关系。应变速度增加，压缩弹性模量和 压缩强度增加，最大应变下降。压缩弹性模量和 压缩强度增加，最大应变下降。=1500s-130010.01