骨的生物力学特征

（一）骨的力学结构

1．骨的载荷-变形曲线 表示某一韧性材料的假想载荷-变形曲线，当加载在曲线的弹性范围内，然后再卸去载荷，结构可回复原有形状，即不发生永久性变形。如继续加载，材料最外层的纤维在某一点开始屈服，载荷继续增加超过屈服点而进入曲线的非弹性（塑性）范围，将造成永久性变形。如非弹性范围继续加载，则将达到该结构极限的断裂点。

载荷-变形曲线显示出确定结构强度的3个参数：①结构在破坏前所能承受的载荷；②结构在破坏前所能承受的变形；③结构在破坏前所能储存的能量。曲线图上，由载荷与变形所表达的强度，用极限断裂点来表示；由能量储存所表达的强度，则以整个曲线下方的面积大小来表示，此外，结构的刚度，则用弹性范围曲线的斜率来表示。

载荷-变形曲线对确定各种材料组成的、不同大小和形状的完整结构的强度和刚度甚为有用。检查组成某一结构的材料的力学性能，以及比较不同材料的力学性能时，必须使试件的试验条件标准化。当测试标准大小和形状的试样时，可确定单位面积上的载荷以及用长度来表示的变形量，所绘制的曲线称为应力-应变曲线。

结构内某一平面单位面积的载荷称为应力。测定骨试样的应力时最常用的3种单位为牛顿/平方厘米（N/cm2）；牛顿/平方米或帕斯卡（N/m2，Pa）；兆牛顿/平方米或兆帕斯卡（MN/m2，MPa）。

结构内某一点于受载时所发生的变形称为应变。应变有两种基本形式：法向应变为长度的改变，剪应变为角度的改变。法向应变为变形量（伸长或缩短）除以结构的原长度，它是一个无量纲参数，用百分比来表示。剪应变为发生于结构内的角变形量，即结构原始角度的改变量，用弧度表示（1弧度=180 /π）。

将一个骨组织的标准试件置于夹具中加载至破坏，即可获得骨的应力和应变值，所形成的变形可在应力-应变曲线中表示出来。应力-应变曲线的范围划分与载荷-变形曲线相似，在弹性范围内的载荷不会造成永久性变形。然而，一旦超过屈服点，则将发生永久性变形。材料的刚度以曲线在弹性范围内的斜率来表示。

金属、玻璃和骨骼的应力-应变曲线显示了三者之间力学性质的不同。在弹性范围内曲线斜率的差异反映出刚度的不同，金属的倾斜度最陡，是刚性最大的材料。刚度值为曲线弹性部分内任一点的应力除以该点上的应变，称为弹性模量（杨氏模量），刚度较大的材料具有较高的模量。

金属的应力-应变曲线的弹性部分为一直线，说明金属具有线弹性特征，精确的试验表明骨骼应力-应变曲线的弹性部分不是直线，但曲度很小，表明骨骼无线弹性特征。当骨骼在弹性区受载时，可发生一些屈服变形。拉伸试验时，骨骼的屈服是由于骨单位的联合分离和微细骨析。

2．骨的疏松度与损伤的关系　骨质由骨密质和骨松质组成，这两类骨质可看作疏松度变化幅度很大的同一材料（Carter和Hayes，1977）。疏松度为骨骼内非矿化（非骨性）组织所占的比例，可用百分比表示。Carter研究出人胫骨骨质的骨密质疏松度为5%～30%，骨松质疏松度为30%～90%。

骨密质的刚度大于骨松质，可耐受较大的应力，但在断裂前应变较小，体外试验骨密质的应变超过原始长度2%时断裂，而骨松质的应变超过7%时才断裂。这是因为骨松质具有多孔结构而有较高的能量储存能力。

3．不同载荷对骨的作用 人体骨骼受到肌肉内力和各种外力的作用，由于力施加于骨的方向不同，产生了拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷。

（1）拉伸载荷：拉伸载荷为自结构表面向外施加相等而相反的载荷，在结构内部产生拉应力和应变。拉应力可看作许多自结构表面向外的内力。最大拉应力出现在垂直于施加载荷的平面上。结构在拉伸载荷作用下伸长同时变窄，骨组织在拉伸载荷下断裂的机制主要为骨单位的脱离。

拉伸载荷所致的骨折通常见于骨松质，如跟腱附着点附近的跟骨骨折，小腿三头肌的强烈收缩对跟骨产生异常高的拉伸载荷。

（2）压缩载荷：压缩载荷为加于结构表面的相等而方向相反的作用载荷。在结构内部产生压缩应力和应变。压缩应力可看作许多自表面朝向结构内的内力。最大压缩应力出现在与载荷相垂直的平面上。在压缩载荷作用下，结构因此而缩短和变宽，骨组织在压缩载荷下破坏的机制主要是骨单位的斜行破裂。压缩载荷所致的骨折常见于椎体。关节周围肌肉异常强烈收缩可造成关节的压缩骨折。

（3）剪切载荷：剪切载荷为施加于结构表面的方向与结构横断面平行的载荷。在结构内部产生剪应力和应变。剪应力可看作许多小的内力作用于与载荷平行的平面上。结构承受剪切载荷时其内部发生角变形，直角变为钝角或锐角。结构承受拉伸或压缩载荷时的角变形。

剪切骨折通常见于骨松质，如股骨髁和胫骨平台骨折。成年人骨密质的极限应力在压缩、拉伸和剪切载荷时是不同的。骨密质所能承受的压应力大于拉应力，所能承受的拉应力又大于剪应力。

（4）弯曲载荷：弯曲载荷为使结构沿其轴线发生弯曲的载荷。结构在弯曲时受到拉伸和压缩。骨骼承受弯曲载荷时，拉应力和应变作用于中性轴的一侧，压应力和应变作用于另一侧，而在中性轴上没有应力和应变。应力的大小与至骨骼中性轴的距离成正比，距中性轴越远，应力越大，由于骨骼是不对称的，所以，拉应力与压应力可不相等。

在成年人骨骼破裂开始于拉伸侧，因成年人骨骼抗拉能力弱于抗压能力。未成熟骨则首先自压缩侧破裂，而在压缩侧形成皱曲骨析。

（5）扭转载荷：扭转载荷为施加于结构上使其沿轴线产生扭曲的载荷。结构受到扭转时，剪应力分布于整个结构。剪应力的大小与距中性轴的距离成正比，离中性轴越远，剪应力也就越大。因此，扭转产生的骨折开始于骨质的表面。

（6）复合载荷：在活体上，很少有一种形式的载荷作用于骨上，而是几种载荷同时作用，比较复杂。

近年来，有人在活体上测定行走和小跑时成年人胫骨前内侧面的应变，证明在日常生理活动中载荷的复杂性，Carter（1978）按上述应变测量结果计算了应力值。正常行走时，跟着地时为压应力，站立相时为拉应力，趾离地时为压应力，表示有显著的扭转载荷，这一扭转载荷提示在站立相和趾离地时胫骨外旋。

（二）运动对骨的影响

1．肌肉收缩对骨应力分布的影响 骨骼在体内受载时，附着于骨骼的肌肉收缩可改变骨骼的应力分布，肌肉收缩所产生的压应力，与部分或全部拉应力相抵，从而降低或消除加于骨骼上的拉应力。髋关节活动时，弯矩作用于股骨颈，而在股骨颈的上部骨质处产生拉应力，臀中肌的收缩产生压缩应力以抵消这种拉应力，最终使股骨颈上部骨质既无压应力也无拉应力产生，因而，肌肉收缩比其他任何方式使股骨颈有可能承受很高的载荷。

2．在体育活动中人体骨骼的受力形式

（1）压缩载荷：常见于身体处于垂直姿势中，作用力从骨的两端作用于骨，一端是人体的重力和外加载荷的力，另一端是支撑反作用力，骨骼承受压缩载荷的能力最强。

（2）弯曲载荷：通常是在骨骼起杠杆作用时出现的。常见于肌肉力以及关节的压力作用于骨上，使骨产生弯曲载荷，通常这种载荷骨骼都能承受，但突然非正常载荷或外来较大的冲力作用下骨骼易损伤。所以，足球比赛中，规则上禁止踏蹬踢法。因为这种动作使对方运动员的胫骨受到弯曲载荷，容易产生弯曲性骨折，摔倒时用直臂撑地易造成骨折，其原因也在于此。

（3）拉伸载荷：常见于身体悬垂姿势中，骨的两端受到反向的拉力。

（4）扭转载荷：常见于人体或局部肢体或旋转动作时骨骼承受绕纵轴的两个反向力矩的作用。骨骼的扭转强度最小，因而过大的扭转载荷容易产生扭转性骨折。如投掷标枪时，投掷臂的肘关节部位过低，远离肩的外侧经过。因此，三角肌前部的肌力与标枪的惯性力对肱骨纵轴产生扭转力矩，此力矩如果过大，则容易造成肱骨的螺旋形骨析。

载荷分静力载荷与动力载荷。当身体处于静止状态时，骨骼承受静态载荷，其载荷量值不变化，只要不超过骨的安全强度骨不会受伤。在运动过程中骨骼承受动态载荷。如从高处下落着地时的载荷往往是很大的，有时会超过骨的安全强度，使运动器官受伤。

3．适宜运动对骨的影响 长期进行适宜的体育锻炼，可使骨密质增厚，骨变粗，骨面肌肉附着处突起更加明显；可使骨小梁的排列根据张力和压力的方向更加整齐有规律。

4．不适运动对骨的影响 运动对骨骼产生载荷，载荷过大或载荷重复次数过多（超过骨的生理范围）均可引起骨折。超过骨骼强度的单一载荷引起的骨损伤称为骨折；重复骨骼强度内的载荷引起的骨损伤称为疲劳骨折。

疲劳骨折通常发生于持续而剧烈的体育运动期间，这种活动造成肌肉疲劳，而肌肉疲劳时收缩能力减弱，以致难以储存能量和对抗加于骨骼上的应力。结果改变了骨骼的应力分布，使骨骼受到异常的高载荷而可能导致疲劳骨折。断裂可发生于骨的拉伸侧。压缩侧或两侧均有。拉伸侧的断裂为横向裂纹并迅速发展为完全骨折。压缩侧的疲劳骨折发生缓慢，疲劳损伤的进展较难超过重建而可能不致发展到完全骨折。

5．运动与骨的重建 重建是骨骼通过改变大小、形状和结构以适应力学需要的功能。这种适应性是按Wolff定律进行的，即骨骼在需要处生长，而在不需要处吸收，骨的重建与运动关系密切。运动对骨组织产生一种机械应力，而机械应力与骨组织之间存在着一种生理平衡。在平衡状态，骨组织的成骨细胞和破骨细胞的活性是相同的。当应力增大时成骨细胞活跃，引起骨质增生，承载面增大，使应力下降，达到新的平衡。如运动减少，应力下降，破骨细胞再吸收加强，骨组织疏松，承载在减小，使应力增加，达到新的平衡。