骨的生物力学特性及应用(原创PPT课件

老年人的骨其无机质的含量相对较多，其骨脆 性大，容易骨折，且骨折后不易愈合。
因此，在日常生活及体育运动中应充分注意其 年龄特征，以避免骨变形或骨折的发生。
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四、骨的代谢
是通过成骨细胞和破骨细胞参与的骨形成与 骨吸收来实现的， 其代谢活动是一个动态平衡 过程。
在人的生长期，骨形成大于骨吸收，骨量呈 线性增长，表现为骨皮质增厚，骨松质更密集， 这一过程称为骨构建或称骨塑形。
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1.骨细胞
在成年人骨骼中90%以上的骨组织细胞是骨细 胞，几乎所有骨基质表面都被骨细胞体和质突覆盖。
骨细胞的大面积覆盖和复杂的网状结构可以很 敏感地感觉作用于骨上的各种应力，具有控制离子 进出骨基质的作用。
此外，骨细胞和成骨细胞等所形成的细胞网络 关系可以很好地感觉和处理骨骼变形，调节骨吸收 和形成，调节矿物质离子在骨基质和细胞外液之间 的流动和交换。
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骨非胶原蛋白 包括骨钙素、骨结合素、骨涎蛋白、骨磷蛋白和少量
粘蛋白。 骨非胶原蛋白可影响基质结构、骨钙化和骨细胞的功
能。 其他：
骨基质中还含可能影响骨细胞功能的生长因子如 β-转化生长因子簇(FGFs-β)、胰岛素样生长因子Ⅰ和 Ⅱ(IGF-Ⅰ和 IGF-Ⅱ)、骨形成蛋白(BMP)、血小板源性生 长因子(PDGF)、白介素-1和6(IL-1和IL-6)和集落刺激因子 (CSF)等。
★每年在骨表面上出现的BRU数量称为BRU的激活率，激活 率越高，骨表面BRU数量则越多，更新的骨量也就越多，一 般将其称为高转换，反之则称之为低转换。
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★1年中全身骨的95％参与骨重建过程。 ★影响骨重建的因素： 即促进骨吸收和促进骨形成的因素。 ★影响骨吸收的因素：

实验研究具有直接性和可靠性，但可能受到样本大小、实验条件等因素的限制。
实验研究
有限元分析具有灵活性、无损性和可重复性等优点，但需要准确的模型和参数，以及高性能计算机资源。
有限元分析是一种计算方法，用于模拟和分析复杂的结构和系统的力学行为。
通过将骨骼划分为一系列小的单元（或“有限元”），可以预测其在不同载荷下的响应，如变形、应力分布和破坏模式等。
骨骼的生长与发育
02
CHAPTER
骨骼的生物力学特性
骨骼的弹性模量决定了骨骼的刚度和变形程度，不同部位的骨骼具有不同的弹性模量，以适应不同的生理需求。
骨骼的疲劳性能也很重要，它决定了骨骼在反复受力后的性能退化。
骨骼具有很高的抗压强度和抗拉强度，能够承受身体重量和肌肉收缩产生的力量。
骨骼的力学性能
骨质疏松症
通过科学的运动和饮食，可以预防骨质疏基因组学和蛋白质组学的发展，未来可以根据患者的基因和蛋白质表达情况，制定个性化的治疗方案。
骨骼疾病的个性化治疗
未来骨骼生物力学将与多个学科进行交叉融合，如生物学、医学、物理学等，为骨骼疾病的研究和治疗提供更广阔的思路和方法。
骨骼的生长与发育是一个复杂的过程，受到多种激素和生长因子的影响。
总结词
骨骼的生长与发育主要分为三个阶段：婴幼儿期、儿童期和青春期。在婴幼儿期，骨骼主要由软骨组成，随着年龄的增长，软骨逐渐被骨组织替代。在儿童期，骨骼继续生长并逐渐变得致密坚硬。在青春期，骨骼的生长速度达到峰值，最终完成骨骼的发育。
详细描述
手术治疗需要在专业医生的指导下进行，以确保手术安全有效。
手术治疗
06
CHAPTER
骨骼生物力学的前景与展望
人工智能
人工智能在骨骼生物力学领域的应用，可以帮助医生进行更精确的诊断和治疗方案制定，提高治疗效果。

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三、骨的应力与应变
骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。 （一）骨的应力 概念：当外力作用于骨时，
骨以形变产生内部的阻抗 以抗衡外力，即是骨产生的应力。 特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积 之比，单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。 计算公式：
由拉力、压力、旋转、弯曲和压力联合弯曲造成的骨折类 型。
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五、骨折的生物力学
骨的完整性或连续性中断时称骨折。 常见原因有： 直接暴力、 间接暴力、 肌拉力、 积累劳损及骨骼疾病。
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(一) 骨的受载形式与骨折类型的关系 常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关，
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种类：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相 应的应力，如压应力、拉压力等。
作用：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用， 应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。 因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。
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（二）应变
概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变 形。
如骨试件在压缩时，和刚度也越大。 破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。
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7.机械力对骨的影响 机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。 骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，
应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。
8.骨是人体理想的结构材料 骨具有强度大质量轻的特点。
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力负荷很快减低，低于应变水平。 松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。
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2.骨密质在受载时的生物力学特性 人类骨骼80%是皮质骨。 在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变

Thank you
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
骨的生兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。

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。
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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。
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ห้องสมุดไป่ตู้
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。
松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）
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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）
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应变率
表示骨受力过程中变形迅速的程度
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
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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。
负荷，90%可瞬间恢复。 软骨的渗透性很低，通过压力梯度和挤压
渗透。机械反刍调节机制
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4.2 软骨的张力特性
软骨主要抗张力成分----胶原纤维 （软骨张力硬度取决于胶原纤维含量多少
和排列次序） 张力继发于压力 软骨表面胶原纤维的主要排列方向与压力
垂直关节产生的最大表面张力相一致， 张力强度随关节面下的深度增加而减少。
骨结构(弯曲)本身：减低弯应力
骨空心结构：比实心结构承受弯曲及旋转

关节的生物力学特性包括关 节的稳定性、灵活性和耐久 性等。这些特性对于假体设 计、固定技术和材料的选择 具有重要的指导意义。
假体的设计需要充分考虑关 节的生理功能和生物力学特 性，以达到最佳的置换效果 。同时，假体的固定技术和 材料也需要满足相应的生物 力学要求，以保证假体的长 期稳定性和耐久性。
术后康复也是人工关节置换 的重要组成部分。适当的康 复计划可以促进患者的康复 进程，提高置换关节的功能 和耐久性。
详细描述
骨折治疗的生物力学研究主要涉及骨折愈合过程中的生物力学变化、骨折固定技术和材料的选择、以及骨折治疗 后的康复训练等方面的研究。通过对骨折部位的生物力学分析，可以确定最佳的治疗方案，如手术或非手术治疗， 以及选择合适的固定材料和康复训练方法，以促进骨折的愈合和患者的康复。
案例二：人工关节置换的生物力学研究
总结词
人工关节置换的生物力学研究是骨科生 物力学的重要应用之一，通过对人工关 节的生物力学分析，可以更好地了解人 工关节的磨损和失效机制，提高人工关 节置换的成功率和使用寿命。
VS
详细描述
人工关节置换的生物力学研究主要涉及人 工关节的材料选择、设计优化、植入技术 和术后康复等方面的研究。通过对人工关 节的生物力学分析，可以优化人工关节的 设计和材料选择，提高人工关节的耐磨性 和稳定性，同时也可以指导术后康复训练 ，减少人工关节的磨损和失效的风险。
通过机器人辅助手术，可以更好 地控制手术中的力、角度、位置 等信息，实现更加精准的手术操
作。
机器人辅助手术还可以减轻医生 的疲劳程度，提高手术的安全性
和可靠性。
个性化医疗在骨科生物力学中的应用
随着个性化医疗的发展，骨科生物力 学在个体化治疗中的应用越来越广泛。

生物力学课程—— 骨骼力学
骨是坚硬而有生命的器官,是人体 中能再生和能自我修复的组织。骨骼系 统的功能主要有两种：
一.提供对动物体的支持、运动作用并 保护内脏器官、颅腔及骨髓的造血系统。
二.参与机体钙和磷的代谢。
骨具有丰富的血供和良好的自我修复 能力。它的结构和性能随着力学环境的改 变而改变。例如：废用或过度使用通常会 伴随骨密度的改变。
破骨细胞：吞噬和分解非受力骨组织和坏死骨组织。
合成并分泌溶胶原酶，对失去应力的胶原进行溶解； 合成分泌多种水解酶,对羟基磷Fra bibliotek石进行水解破坏；
其形状、数量和合成功能受应力环境影响，在低应力 区，破骨骨细胞数量增加，体积变大，骨组织以破坏、吸 收为主，骨质疏松，强度、刚度降低。
正常骨骼处于一个吸收与生长重建 的连续过程，成骨细胞与破骨细胞的生 理活性保持着动态平衡，机械力学刺激 是必不可少的条件之一。
• 松质骨：
疏松度为30—90% 强度低 应变能力好，变形可达 7%左右
松 质 骨 骨 小 梁
松质骨:
1. 松质骨具有多孔结构，因而有较高的能量 储存能力。
2. 松质骨内胶原纤维的排列看似是纷乱的， 但它并非无序，它是根据主要的受力状态 沿着主应力的方向排列，形成最优的受力 结构，即用最少的材料承受最大的外部 载荷。
• 成骨细胞的功能是合成分泌胶原、钙化基质。 • 其数量、形状、合成分泌功能受应力环境影响，如
应力的性质、大小、频率等，它还受年龄、遗传、
疾病、内分泌的影响。
在良好的力学环境下。成骨细胞数量增加，胞体 增大，合成分泌功能明显增强，因此可以加速骨折愈 合，使骨密度增加，刚度明显增加。
在有害应力或低应力环境下，骨折愈合迟缓，甚 至不愈合，骨质疏松，强度下降。