第一节
骨的生物力学

骨骼的主要作用是保护内脏器官、提供肌肉附着点、作为运动系统的杠杆参与运动。骨所具有的一系列独特结构和力学性能是实现这些作用的基础。骨是人体内除了牙齿外最硬的结构；同时，它又是人体内最具动力和代谢活力的组织之一，具有丰富的血供和良好的自我修复能力，并在整个生命过程中保持着活跃性。骨的性能和结构随着力学环境的改变而发生改变。譬如长期废用通常会伴随骨密度的降低，以及骨折愈合过程中和骨手术后骨的形状会发生显著变化，以适应力学环境的改变。

本章主要介绍骨的组成和结构、力学性能及骨在不同载荷方式下的特征性改变，另外还将讨论体内外影响骨力学特征的不同因素。

一、骨的组成和结构

（一）分子水平

骨组织是一种专门的结缔组织，其中的固体成分使骨扮演了支撑和保护的角色。骨最明显的特征是它含有大量的无机成分，这些成分以矿物盐的形式存在，与有机基质紧密结合。骨的无机成分提供骨组织的硬度和刚性，而有机成分提供骨的弹性和柔韧性，两者的成分比例受骨所在的不同部位、年龄、饮食及疾病等多方面因素影响，其中有机成分约占35%，无机成分约占65%。无机成分主要有羟基磷灰石、阳离子（钙、镁、钠、钾和锶）和阴离子（氢氧化合物、磷和氯化物）；有机基质由胶原蛋白和糖蛋白构成。

1. 无机成分 在正常人骨中，骨的无机成分（矿物质）主要为钙和磷，类似于合成羟基磷灰石结晶，这些矿物质是骨组织强固的基础。骨是体内重要的矿物质特别是钙的储备库。

2. 水 活骨中水含量相当丰富，约占全部骨重的25%，其中近85%的水分存在于有机基质、胶原纤维和基质周围及包绕骨晶体的水化膜中。另外15%的水位于骨细胞窝和向骨组织输送养分的通道中。

3. 有机成分 骨无机质内嵌于交织排列的蛋白胶原纤维中，这些蛋白胶原即胞外基质的纤维部分。胶原纤维具有一定的柔韧性，因此可以抵抗拉伸，并且具有部分可延展性。胶原约占细胞外基质的90%，占骨干重的25%～30%。作为体内常见的组成成分，胶原也是其他结构的主要纤维成分。

（二）细胞水平

骨骼中有三种类型的细胞：产生有机成分的成骨细胞、产生无机成分的骨细胞及作用于骨吸收的破骨细胞。所有的骨都被一致密纤维膜包绕，即骨外膜，骨外膜的外层含有血管和神经纤维，与哈弗斯管相互连通并深入松质骨，而成骨细胞就来自骨外膜内层的生骨层，它们在骨生长和修复过程中负责生成新骨。在长骨腔内有一层较薄的膜称为骨内膜，覆盖长骨的髓腔，骨内膜含有成骨细胞和巨大多核骨细胞，即破骨细胞，骨细胞则由成骨细胞矿化而来。

（三）组织水平

在显微镜下，构成骨的基本结构单位称为骨单位，即哈弗斯系统。每一个骨单位的中心有一个小管，称为哈弗斯管，内含血管和神经纤维。

1. 骨组织的形式 骨的组成形式分为两种：密致骨（或称皮质骨）和松质骨（或称小梁骨）。在成熟骨骼中，密致骨结构按照哈弗斯系统排列，形成外层（皮质），包绕着内层含有骨髓的疏松小梁状松质骨，密致骨构成骨质的80%，包含99%的人体总钙和90%的磷酸盐。松质骨内含有产生血细胞的造血细胞、脂肪和血管。小梁骨储存造血细胞和许多血细胞，其转换速率约为皮质骨的8倍。附肢骨主要由皮质骨构成。皮质骨在长骨的骨干比干骺端和骨骺处厚；而干骺端的血液供应丰富，含有血流缓慢的大血窦。

2. 骨组织的组成 显微镜下观察，骨由编织骨和板层骨组成。编织骨被认为是不成熟的骨，这种骨一般见于胚胎新生儿骨痂和生长骨干垢端，还见于肿瘤、成骨不全症等患者。人出生后1个月开始有板层骨形成，并很快代替编织骨，因此，板层骨是更成熟的骨。

二、骨的生物力学性能

从生物力学角度来讲，骨组织是一种双相复合材料，一相为无机物，另一相为胶原和无定形基质。在这类材料中，当坚固脆性材料嵌入另一种硬度较弱但柔韧性强的材料中后，复合材料的性能比其中任何一种单纯材料更加坚韧。

从功能上来说，骨最重要的力学性能是它的强度和刚度。研究骨载荷即外加力量影响下的力学特征改变，有助于我们更好地了解骨的强度和刚度，以及其他的力学性能。骨抵抗破坏的能力称为骨的强度，抵抗变形的能力称为骨的刚度。载荷能造成组织结构体形变或尺寸改变，当一个已知方向的力作用于结构体，我们可以测出结构体的形变并绘制出载荷-形变曲线图。通过曲线图可以得到关于结构体的强度、刚度及其他力学性能的信息。

图1-1显示了韧性纤维结构组织（如长骨）的载荷-形变曲线假想图。曲线起始直线部分为弹性区，反映了结构体的弹性，即结构体在载荷取消后恢复到初始状态的能力。当负载时，结构体会发生形变但是这种形变不是永久性的，为弹性形变。载荷取消时，结构体就会恢复到初始状态；载荷持续增加时，结构体最外层某些部位就会发生屈服，屈服点的出现意味着结构体达到了弹性极限；当载荷超过这个极限，结构体就表现出塑形性形变，该特征处于曲线的第二部分，即弯曲部分，称为塑性区，在塑性阶段，载荷取消后结构体不能恢复到初始状态，部分残余形变是永久性的。如果载荷持续增加，组织结构将会发生某个部位失效（即骨折），这个现象反映在曲线上就是极限失效点。骨的强度是由曲线下的面积表示，而骨的刚度是由曲线的斜率表示。

载荷-形变曲线图可用于计算整个结构体（完整的韧带、肌腱、金属植入物等）的力学性能，这有助于研究骨折特征和修复、结构体对物理应力的反应及不同治疗方案的效果。当材料标本标准化以后，即可使用更加准确的计量单位，即标本单位面积内承受的载荷及标本大小改变的百分率表示形变量，这样所形成的曲线就是应力-应变曲线。研究骨组织的应力-应变曲线是描述骨的强度最好的方法。应力就是结构受到外力载荷时其表面单位面积所受到的力。应变是结构体受到外来载荷时形变的，包括两个基本类型：线性应变和剪切应变。线性应变可导致标本长度改变；剪切应变可导致结构组织体角关系的改变。

不同类型骨力学性能不同，皮质骨的刚度比松质骨要大，在材料失效前能够承受较大应力而发生较小应变。体外实验中皮质骨达到屈服点发生骨折的应变量只为1.5%～2%，而松质骨在达到屈服点之前可以产生50%的应变量。

三、骨的生物力学特征

骨在力和力矩作用下的特征即为骨的力学特征，它主要受力的加载方式、加载频率、加载速率、加载方向、自身的力学性能及几何结构特点等因素影响。

（一）不同载荷方式下的骨特征

力和力矩能够从不同方向作用于物体，使之产生拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、复合载荷等（图1-2）。体内骨可受到所有这些加载方式的作用。

1. 拉伸 大小相等但是方向相反的载荷作用于物体，切面向外作用，在物体内部产生拉应力和应变，拉应力可以看作微小的背离物体切面的力，最大的拉应力发生在与加载方向垂直的平面上（图1-3），在拉伸载荷的作用下，物体有延长和缩窄的趋势。在临床上，拉伸张力性骨折常见于有肌肉或肌腱附着的松质骨比例较高的骨，牵拉时易造成骨受到拉力突然增高而导致撕脱性骨折。

2. 压缩 大小相等但是方向相反的载荷作用于物体，切面向内作用，在物体内部产生压应力和应变。压应力可以看作是很多微小的、指向物体切面的力。最大压应力同样发生在与载荷方向垂直的平面上（图1-4）。在压缩载荷作用下，物体有缩短和增宽的趋势。在临床上，压缩骨折常见于易受到高强度压缩力的骨，在骨质疏松的老年人中最为常见，关节周围肌肉异常强烈的收缩也能够导致压缩骨折。

3. 剪切 方向与物体切面平行的载荷作用于物体，在物体内部产生剪切应力和应变。剪切应力相当于很多微小的力作用于与载荷方向平行的物体切面上（图1-5）。受剪切作用的物体内部发生角变形，处于物体内部平面上的形状会发生角度改变（图1-6）。物体受到拉伸或者压缩时也会产生剪切应力。图1-7描述了这些加载方式作用下的角应变。临床上剪切骨折多见于松质骨。

4. 弯曲 使物体沿某个轴弯转的载荷作用于物体时，物体受到弯曲载荷。当骨受到弯曲载荷时，它同时受到压缩和拉伸两种应力，拉伸应力和应变作用于中轴的一侧，而压缩应力和应变作用于中轴的另一侧（图1-8），中轴处则无应力和应变，应力强度与所在部位距中轴距离呈正相关，即离中轴越远，应力越大，反之相反。人体骨骼的几何形状大多不是绝对对称的，故应力分布并不均匀。

弯曲可分为三点弯曲或四点弯曲（图1-9）。两种受力导致的弯曲形变都可见于临床，尤其是长骨骨折。三点弯曲发生于三个力作用于统一结构体并产生两个相同力矩，每一个力矩等于作用于结构体一端的力乘以该力至旋转轴中间力作用点的垂直距离。如果负荷持续增加至屈服点，则结构体可发生断裂。

四点弯曲发生于两个力偶共同作用于物体产生两个力矩时，当两个大小一致、方向相反且平行的力作用于结构体时，即可形成一个力偶。如果在两个力偶之间，物体受到两个弯曲力，此时物体就会在其薄弱点发生断裂。

5. 扭转 作用于物体造成结构体沿着轴线发生扭曲的载荷可在物体内部产生扭矩。当物体受到扭转载荷时，整个物体分布剪切应力，这些应力的强度与它们距中轴的距离成比例关系（图1-10），应力离中性轴越远，强度越大。

在扭转力作用下，骨首先受到剪切力而发生骨折，最初发生的骨折裂纹与骨的中性轴平行，接着发生的骨折通常沿着最大拉应力面分布。

6. 复合载荷 每种载荷方式虽然分别独立存在，但是日常生活中骨受力情况往往比较复杂，很少只受一种作用力。这主要有两个原因：第一，骨持续受到多种不确定性的载荷；第二，骨的几何结构是不规则的。

通过测量正常成人在行走和慢跑时胫骨前内侧面受力改变可以很好地说明这一点：正常行走过程中足跟首次触地，主要是发生压应力，支撑相是拉应力，然后足蹬地面时又转变为压应力，在整个步态周期的后阶段剪切应力相对要高一些，说明此时存在明显的扭转复合负荷，这种扭转负荷主要与足蹬离地面过程中胫骨旋转有关。慢跑过程中，应力方式有很大的不同。首先，脚趾着地时压应力占优势，然后蹬地起步时转换成很高的拉应力。整个过程中剪切力比较小，这主要是由于在步态交替过程中胫骨的旋转程度较轻，产生的扭转载荷也较低。对于不同的载荷方式，成人骨表现出不同的极限应力，皮质骨承受压力的应力（约190MPa）要大于承受拉伸的应力（约130MPa），承受拉伸的应力要大于承受剪切的应力（约70MPa）。

（二）反复加载下的骨特征

任何材料的载荷与反复加载的相互作用都可画疲劳曲线（图1-11）。对有些材料（如金属材料）而言，疲劳曲线是一条渐近线，这意味着如果载荷保持在某个水平以下，理论上不管载荷反复多少次，材料都会保持其完整性；但对体外实验的骨而言，疲劳曲线不是一条渐近线，骨受到低强度载荷反复作用时会发生骨折，并且当载荷或者形变接近骨的屈服强度时，骨会很快发生骨折，也就是说，高强度载荷造成骨折所需要的次数比低强度大大减少。

对体内骨反复施加载荷时，骨疲劳的过程不仅受到载荷强度和反复次数的影响，还受到载荷频率的影响。体内骨具有自我修复能力，但在骨重建不足以弥补骨疲劳损伤时则会发生疲劳骨折，即负荷过于频繁，妨碍了骨为防止骨折所进行的重建活动。

疲劳骨折往往发生在持续过度活动的部位，这种持续过度活动容易使肌肉疲劳、收缩乏力，导致它们抵消应力的能力大大减弱，从而引起骨应力分布变化，使骨受的应力异常增高，疲劳损伤逐渐积累，最终导致骨折。骨折可发生在拉力侧，也可以发生在压力侧，或者两侧均发生骨折。张力侧骨折多为横断骨折，往往很快发生完全性骨折；压力侧疲劳骨折则发生较慢，往往不容易妨碍骨的重建活动，不太会发生完全骨折。

（三）不同加载速率下的骨特征

骨是一种黏弹性材料，所以它的生物力学特征可随着它受到的作用力加载和移除时速率的变化而发生变化，这就是应变率。加载于骨的载荷速率越高，骨在骨折前表现出的刚度就越高；如果加载速率处于骨可承受的载荷的生理极限内，加载速率越高，骨积累的能量也就越多。

通常来说，活动越剧烈，应变率越高。在临床上，了解加载速率是非常重要的，它能够影响骨折方式和骨软组织损伤数量。当骨折发生时，它所积累的能量会瞬间释放，加载速率较低的时候，积累能量较少，通过形成单一骨折线即可释放，骨和软组织保持相对完整，此时骨折端往往没有或发生微小的位移；当加载速率较高时，积累能量较多，不能通过单一骨折线很快释放，往往会发生粉碎性骨折和广泛性的软组织损伤。

临床上根据骨折时能量的释放将骨折分为三种类型：低能量、高能量和超高能量。如滑雪者单一扭转骨折属于低能量骨折；高能量骨折可因高处坠落、车祸等原因导致；超高能量骨折较少见，一般都是由高速的枪弹伤造成。

（四）肌肉的活动对骨力学特征的影响

骨在体内受到负荷时，附着于骨的肌肉往往会伴有收缩，这种收缩会改变应力在骨内的分布，收缩产生的压应力能够部分或完全抵消张应力效应，从而降低或者消除作用于骨上的张应力。

通过分析图1-12中胫骨的受力即可描述肌肉收缩的效果：滑雪者向前摔倒时胫骨受到弯曲的载荷，在胫骨后侧产生很高的拉应力，胫骨前侧则产生很强的压应力；当小腿三头肌收缩后在胫骨的后侧产生很强的压应力时，胫骨后侧强大的拉应力即可抵消，从而避免了胫骨在拉应力作用下发生骨折。这种肌肉收缩也能够导致胫骨前侧产生更大的压应力，成熟的骨一般能够承受这种压力，这样就保护胫骨免遭骨折；但未成熟骨的强度比较低，在压应力作用下往往会发生骨折。

髋关节周围的肌肉收缩也产生了同样的效应（图1-13）。髋关节运动过程中弯曲载荷作用于股骨颈，在股骨颈上部产生拉应力，臀中肌的收缩产生压应力，这种压应力对拉应力有一定的抵消作用，最终的结果是股骨颈皮质骨既没有受到压应力也没有受到拉应力，或受到很小的应力。因此，肌肉收缩使骨能够承受更高的载荷。

（五）骨的几何结构对骨力学特征的影响

骨的几何结构对骨的力学特征有很大影响。在拉伸和压缩载荷下，引起骨折的载荷和骨刚度与骨的横截面积呈正相关。横截面积越大则骨的强度和刚度越大，引起骨折所需载荷则更大。在弯曲载荷下，骨的横截面积和中轴周围骨组织的分布对骨的力学特征有较大影响，力学以面积惯性矩描述截面抵抗弯曲的性质。面积惯性矩与上述两个因素有关。面积惯性矩越大，骨强度和刚度就越大。另外，骨长度在骨受到弯曲载荷时也影响骨的强度和刚度，骨越长，载荷作用与骨的弯矩强度越大，故受到的拉应力和压应力也高。骨在管形形状时骨骼能够从不同方向抵抗弯矩。由于在远离中性轴的区域分布的骨组织比较多，因此这些骨具有较大的面积惯性矩。扭转载荷下影响骨强度和刚度的因素与弯曲载荷状态下是一致的，主要取决于横截面面积和中性轴周围骨组织的分布。在扭转载荷下，两者都要考虑的量是极惯性矩，极惯性矩越大，骨的强度与刚度越大。

临床上，当骨折后骨开始愈合时，骨膜来源的血管和结缔组织就会向骨折区域迁移，形成致密纤维组织囊或者骨痂围绕在骨折处周围，使骨折部位保持稳定。骨痂增加了骨折部位的面积和极惯性矩，因此在骨折未愈合期间增加了骨在弯曲和扭转载荷下的强度和刚度；骨折愈合后，骨强度逐渐恢复，骨痂则被逐渐吸收，骨就会尽可能恢复至正常大小和形状。

临床手术造成的骨缺损会极大地降低骨强度，尤其是降低骨抵抗扭转的性能。手术过程中去除小片状骨或者螺钉拧入骨内，会产生应力集中源，在负载过程中产生的应力不能够均衡地分布到整个骨，反而集中在缺损部位，从而导致骨强度下降。另外，在手术过程中，去除长度大于骨直径的骨片（如在骨组织活检中切割一个骨槽），造成开放节段性骨缺损，则骨的连续性遭到破坏，使骨截面的最外层不再具有连续性，也可影响骨抵抗载荷的能力，尤其是在扭转载荷状态下。

（六）骨的重建

骨具有一定的重建能力，其通过改变大小、形状及结构等适应外界的力学要求。这种骨能够随着应力的作用水平变化而获得或丢失骨的现象，称为Wolff定律。应力刺激能够影响和调节骨的重建活动，骨会根据其受到的力学需求而发生重建，有力学刺激时就会发生骨沉积，无力学刺激时骨就会被吸收。

骨骼肌的活动及重力都能对骨骼进行加载，从而影响骨量，骨量和身体的重量成正比关系，身体越重，骨量就越多。相反，长期处于不负重状态可导致承重骨发生快速骨量丢失。如太空旅行，宇航员就会经历快速的钙丢失及由此引发的骨量减少；同样，长期卧床的患者，由于承重骨不负重，也容易引起类似情况。

骨折后用于固定骨折部位的植入物也会降低骨的承重。用螺钉将钢板与骨固定以后，钢板与骨会按照它们各自的特性分担它们受到的载荷，接骨板越大，能承受的载荷就越大，骨相对承受的载荷就减少，故可引起骨量减少。

另外，内置物还会造成其附着部位发生肥大，以适应内置物所在部位需要增加的负荷；正常生理活动范围内，反复的机械应力也会导致骨肥大；过度的运动训练中可以观察到正常成熟骨发生肥大，骨密度也随之增加。

（七）年龄相关性骨退化性改变

人成年以后，年龄增加会引起松质骨骨量显著下降、皮质骨厚度减小，这些变化降低了骨的强度和刚度。

成年后，随着年龄的增加，骨会发生一系列改变，骨密度会发生进行性下降。主要表现为纵向骨小梁变得更加细小，同时横向骨小梁被吸收，随之的结果是松质骨数量显著下降并且皮质骨变薄。骨量下降和骨尺寸轻度减小降低了骨强度和刚度。

年龄相关的骨量丢失取决于很多因素，包括性别、年龄、绝经、内分泌异常、活动减少、废用和钙不足等。人体在几十年中，松质骨和皮质骨将分别减少至初始骨量的50%和25%。到40岁时，女性每年会丢失1.5%～2%的骨量，而男性每年骨丢失仅为女性的一半。规律的体力活动和体育锻炼、钙和雌激素的摄入会降低年龄增长过程中骨矿物的丢失量。 QosW6jp0w4mPzMliUpipwd3UVEhOEAOHDYfcr/9X8lLGTqqRH4QAnOKYhKy3f7Ih