关节的力学性能

一、关节软骨的力学性能

在滑膜关节中，关节的骨端覆盖有一层关节软骨。关节软骨缺乏血液和淋巴供应，也无神经支配，而且其细胞密度低于大多数其他组织。关节软骨的主要功能是，承受载荷，并使关节承受的载荷扩大到一个较大的区域，以减少接触应力；润滑作用，即关节面间做相对运动时，润滑作用使摩擦力和磨损减低到最小程度。

1．关节软骨的负荷变形　关节软骨犹似一块吸满水的多孔海绵物质。因此，当关节软骨在承受负荷时，会发生变形。关节软骨变形的早期，是软骨轮廓的变化，没有容积的改变，这是由于软骨的基质和胶原纤维的运动引起的；变形的后期，其容积发生了改变，这是软骨的基质内水分流动的结果。

负荷时，关节软骨的变形，产生了最大限度的负重接触面，使骨骼所承受的应力减弱，从而使骨免受了应力的损伤。

2．关节软骨的润滑作用　关节软骨是骨与骨间的接触面。关节运动时，关节软骨面之间发生相对运动。这种相对运动必然造成关节软骨表面的破坏，就是磨损。由于软骨犹如吸满水的多孔海绵物质，当软骨承受负荷时，软骨中的基质就会从软骨内被挤出，流动到关节腔中，形成单层润滑分子或较厚的润滑膜。从而产生界面润滑和液膜润滑。因此，当关节软骨面做相对运动时，软骨的磨损就最大地减轻，从而进一步保护了骨的损伤。

二、胶原组织的力学性能

胶原组织主要由胶原纤维、弹性纤维和网状纤维组成。胶原纤维使胶原组织具有一定的强度和刚度；弹性纤维使胶原组织具有在载荷作用下延伸的能力；而网状纤维提供容积；胶原组织的基质能减少纤维间的摩擦。胶原组织的力学性能受纤维结构的方向，胶原和弹性纤维的特性，胶原和弹性纤维之间的比例三个主要因素的影响。胶原组织主要构成韧带、关节囊、肌腱等。

三、主要关节的力学性能

1．髋关节的力学性能　髋关节是骨盆与下肢之间连接的承受关节，活动幅度较大。所以，在承重后进行活动时，必须保持力的平衡，否则容易受伤。

站立时，身体重心在第2骶椎前方，与双髋在同一额面上。到髋关节中心的水平距离为8．5～10cm，位于双髋关节连线上方约3cm。

在平地行走时，体重落于负重的髋关节上，以保持身体平衡。行走时，体重重心上下移动的距离为4～4．5cm。

在平地行走时，作用于髋关节的最大合力将是体重的5～6倍。髋臼与股骨头之间的压应力是地面反冲力、重力、加速度和肌肉拉力的合力。

2．膝关节的力学性能　膝关节是人体承受重力的另一大关节。其稳定性是依靠关节囊、侧副韧带、交叉韧带以及周围的软组织。胫骨平台在膝关节中是主要的负载结构，但半月板也起负载作用，它有助于胫骨平台上的应力的分布。髌骨延长股四头肌的力臂，从而协助伸膝，有利于股骨上压力的分布。

关于膝关节的活动是很复杂的。但主要由伸直运动和屈曲运动，还有旋转运动。当然，髌骨、软骨面、半月板以及股四头肌将起到重要的作用。

3．踝关节的力学性能　踝关节由距骨、腓骨和胫骨组成。

在步行时，可将踝关节瞬间中心看作一个点，所受力可高达体重的5倍或以上。

4．肩关节的力学性能　肩关节由肩胛骨的肩胛盂和肱骨头组成。盂肱关节的稳定性有赖于适当大小的关节盂，肱骨头，完整的关节囊以及功能正常的旋转轴。

5．肘关节的力学性能　肘关节由肱尺关节、肱桡关节和上尺桡关节组成。

肱骨、桡骨和尺骨的咬合，以及周围的关节囊装置，保证了肘关节的稳定性。产生肘关节各种运动的肌肉数量相当多，这使精确地分析肘关节各种运动的力变得复杂化。