骨的生物力学特性

(1)骨的组成和结构特征:

人体共有206块骨头，其功能是支撑、锻炼和保护人体。按其形状可分为长骨、短骨、扁平骨和不规则骨。从力学角度来看，骨是一种理想的等强度优化结构。其中，长骨结构最为典型。长骨又称管状骨，两端为松质骨，中间为密质骨。(骨密质孔隙率占5~30%，松质骨孔隙率占30~90%)。

2.骨骼的有机成分形成网络结构，无机物填充在有机物的网络结构中(像钢筋混凝土结构)。

(2)不同载荷下骨的力学特性(骨对外力的反应):

根据外力的不同，人体骨骼的应力形式可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷几种形式。

1.拉伸:骨头的两端被拉向相反的方向。(拉伸载荷是从骨表面沿骨长轴方向向外施加的大小相等、方向相反的载荷，在骨内部产生拉伸应力和应变)人体悬吊或搬运重物时，脊柱必须承受拉伸载荷。骨骼在较大的拉伸负荷下会伸长。人股骨和肽骨的抗拉强度差不多，约为125106N/m2。

2.压缩:骨头的两端受到相反方向的挤压。(压缩载荷是沿骨长轴方向施加于骨表面的向内和反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。)压缩载荷是骨骼最常承受的载荷形式，身体处于垂直位置是很常见的。一般一端是重力和外荷载，另一端是支撑反作用力。压缩负荷能刺激新骨生长，促进骨折愈合。人体承受压缩载荷的能力最强，股骨最大抗压强度为170106N/m2，比抗拉强度高出36%。

3.弯曲:当骨头的两端受到侧向或侧面的压力或张力时，骨头弯曲。(使骨骼沿其轴线弯曲的载荷称为弯曲载荷。)

当骨受到弯曲载荷时，骨内不会同时产生拉应力(凸侧)和压应力(凹侧)。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的地方会出现一个“中性轴”。所以长骨一般都是中等空(节省材料减轻重量不影响负重)

弯曲负荷通常发生在骨头作为杠杆作用的时候。比如负重弯腰(杠铃)时施加在前臂上的力。骨骼承受弯曲载荷的能力小是造成骨骼受伤和骨折的主要原因，所以足球比赛的规则禁止踩踏板。当你摔倒时，骨折的原因是支撑反作用力和胸大肌的拉力对肽类骨形成弯曲载荷。

4.剪切:载荷施加的方向平行或垂直于骨表面，在骨中产生剪切应力或应变。(标准剪切载荷是一对大小相等、方向相反、作用线接近的力的作用，可导致骨骼脱臼)

例如，当人的小腿在运动中制动时，股骨和脚踝在胫骨平台上的滑动产生剪切应力。骨承受剪切载荷的能力低于弯曲和拉伸，垂直于骨纤维方向的剪切强度明显高于沿纤维方向的剪切强度。(人骨很少承受剪切载荷)

5.扭转:骨的两端受到相反方向的扭矩。骨头会沿着它的轴扭曲。(外力偶作用下骨上的载荷在骨内部产生剪应力。)

扭转载荷在扭转动作中是常见的。比如掷铁饼时支撑腿的受力。骨骼承受扭转载荷的能力最小。比如掷标枪时，手肘太低，从肩外侧穿过。这种错误的动作往往会导致肽骨扭转骨折。此时，来自三角肌前方的力使肽骨上端产生逆时针方向的力矩，而标枪的阻力(惯性力)使肱骨下端产生顺时针方向的力矩。(动作正确时，相对肽骨的扭矩小)

6.复合载荷:骨骼同时承受两种或两种以上的载荷。

如图所示，显示了成人胫骨前内侧在行走和慢跑时的应力。正常行走时，脚着地时是压应力，支撑阶段是拉应力，脚离地时是压应力。在步态周期的后半部分，存在高剪切应力，这表明存在显著的扭转载荷，表明胫骨在支撑阶段和脚趾离地阶段向外旋转。

慢跑时，受力模式完全不同。脚尖着地时先变成压应力，离开地面后变成高拉应力，而整个支撑期剪应力始终很小，说明扭转载荷很小，如图所示。

(3)骨结构的生物力学特性:

1.弹性和硬度:

骨骼的弹性是由骨骼中的有机物形成的。坚固性，也称硬度或刚性，是由无机物形成的。有人认为骨中胶原蛋白承受拉应力，钙盐承受压应力。c骨是人体理想的结构材料，重量轻，强度大。

2.应力强度的各向异性和方向性:各向异性是指骨骼在不同方向上的力学性能不同。

应力的方向性是指由于骨的各向异性，骨对应力的反应在不同的方向是不同的。c为复合结构，其力学性能不仅与其材料组成有关，还与其结构有关。即其力学性能对成分和结构有很强的依赖性。(结构关系包括各部件的几何形状、纤维与基体的结合、纤维接触点的组合等。)

骨的各向异性和应力强度的方向性表现在骨的不同部位的差异和某一点各个方向的力学性能的差异。(比如不同部位的密度和强度不一样；不同于横向的压缩模量)

从微观结构分析，针状无机盐晶体和胶原纤维主要沿纵向排列。它们的一小部分布置在圆周方向上。其主要作用是连接和约束纵向纤维，使纵向纤维在压缩和弯曲载荷作用下不会失去稳定性。

3.壳状(管状)结构:管状结构的主要特点是材料只用于受力和传递的路径上，其他地方用空孔。(节省材料)

人体的长骨，如股骨、胫骨、肽骨等。，以其合理的截面和形状成为优良的承重结构。它的圆柱形可以承受来自任何方向的力；空芯梁与同结构实心梁强度相当，可节省1/4左右的材料，以最少的材料获得最大的强度，同时达到轻量化的效果。

人体的管状结构充分体现了其在弯曲载荷和扭转载荷下的结构优化。

当梁受到弯曲载荷时，会在梁的顶部产生压应力，在底部产生拉应力，应力会向中间减小。一般来说，任何形状的梁的中部受力都很小。在弯曲载荷下，最大的弯曲变形往往在骨骼的中部。而强度较高的密质骨，长骨中间最厚，两端较薄，正好满足受力的需要。

4.均匀强度分布

均匀的强度分布意味着在特定的载荷条件下，材料的每一部分都受到相同的最大应力。骨骼内部组织也说明骨骼是一个合理的承重结构。根据骨骼的综合受力分析，骨骼中所有应力高的区域正好与强度高的区域相匹配。例如，下肢骨小梁的排列与应力分布非常相似。可以看出，在高应力区可以用更高密度和强度的材料来排列骨骼，这说明虽然骨骼的形状很不规则，内部的材料分布很不均匀，但却是一种理想的等强度的最优结构。

2骨小梁密集分布在长骨两端，有两个好处:一是长骨受压时，在提供足够深圳生命网强度的情况下，骨小梁可以使用比骨密度更少的材料。第二，由于骨小梁相当柔软，在行走、奔跑、跳跃等涉及较大力量时，可以吸收更多能量。

5.抗冲击力和耐力差:骨骼对冲击力的抵抗力和耐力比其他材料差。耐疲劳性也差。