成都华西华科研究所分析骨组织生物力学与QCT骨密度软件体模检测方法

骨，作为一种生物材料，其力学特性远比一般的工程 材料复杂得多。从骨的材料构成看，它是山多种物质组 成的复合材料，基本上是由有机纤维（主要是胶股纤维）、 无机结晶体（羟磷灰石）胶合物质和水组成。胶原纤维是 一种纤维性蛋白，具有黏弹性和很好的韧性。正常骨组 织中胶原纤维排列紧凑而成板层结构，多层胶原纤维板 以相互垂直的方向像夹板-样重*黏合而成。这种结构 有利于防止微裂痕的延伸。胶原纤维就象是支架，无机 盐结晶物质附着在它的表面。以重里算，无机盐约占骨 重ft的70%,胶原蛋白约占20%。这两种成分对外力的 反应是很不相同的：无机盐兵有较大的抗压强度，而胶原 则具有较大的抗拉强度。值得注意的是，两种成分的强 度虽然都不大，但结合成骨以后就构成了力学性质优良 的复合材料，其强度与金属差不多。这和钢筋混凝土的 原理是一样的：混凝土本身的抗拉强度低，但抗压强度却 很高。在浞凝土内埋人钢筋，就可以大大增强它的抗拉 强度。骨的力学性质不仅与材料有关，还与其结构、年 龄、承软情况、位置等很多因素有关。本章主要介绍骨组 织生物力学的一些基本概念、骨结构在不同实验条件下 的力学性质、#功能适应性及影响骨组织力学性质的主 要因素。

骨应力和应变（Stress and strain)

应力和应变是骨生物力学的两个虽基本的槪念。 应力的定义是单位面积上承受的力，单位为N/m²或Pa, 即帕。当物体受到栽荷作用时将发生变形，应变就是 用来描述这种变形的，其定义为单位长度上的变形，一般 以百分比（％)或微应变（…）来表示，其关系为1% = 10 000 例如，当骨受拉力作用而增长至原有长度的 101 %,其长度变化是1 %。应变为1 %,或表达为 10 000 /戌。值得注意的是，当骨长度改变时，其宽度也会 相应改变。骨宽度应变与长度应变的比值叫泊松比。这 一比值在皮通骨屮大约是0.28至0.45之间，即当骨在 受力方向位变是1%时，与其垂直方向的应变大约是 0.28%至 0.45 %〇

根据外力的方向，应力可分为正应力（包括压应力和 拉应力）和剪应力。当载荷的方向垂貞于作用表面时，产 生的应力为正应力；当载荷的作用使得骨结构的一个平

面相对于相邻平面产生滑动时，产生的应力称为剪应力， 相应的应变称为剪应变。正应力（《0、应变U)、剪应力 (f)和剪应变（y)的定义如图8-1所示。在通常的情况 T，骨组织承受的是拉伸、压缩和剪切力的综合作用。骨 组织对不同方向外力作用的承受能力是不同的。

£

T

M

T7

HL

图8-1正应力、应变、剪应力和 剪应变的定义式其中“ 一原长变形最，F—所受载荷, A—截面积。

二、骨应力-应变曲线（Bone stress ^- strain curve)

骨的应力-庖变曲线可以定歡地反映骨承受的载荷 和载荷导致的变形之间的关系，它可以分为弹性变形区 和塑性变形区（图8-2)。

在弹性阶段中，应变随苕应力的增加而呈线性比例 增加。此时如撤消外力作用，变形了的骨组织可基本恢 复到受力前的状态，其变形过程中所消粍的能量也可随 之而恢复。弹性区应力-应变曲线的斜率叫弹性模敏或 杨氏模里（£ = «r/e)。如果该曲线是剪应力一剪应变曲 线，弹性区的斜率称做剪切弹性楔量（G = r/y)。

弹件区末端点或塑性区初始点称为屈服点。有时这 —点不容M确定，在工程上，通常是过0.2%应变点_一 条平行于应力-应变曲线的线性部分的直线，将该直线 与应力一应变曲线的交点确定为屈服点，该点的应力称 为屈服强度屈服点以后的区域称为塑性区，此时 的骨已出现结构的损坏和离体骨组织的永久变形（又称 塑性变形）。如发生在活体组织，则会激活骨组织自身修 复即骨微裂纹的修复重建。当应力超过一定数值时，骨 发生断裂而产生骨折导致骨折所X的应力叫骨的最大

应力或极限强度（〜）。

围8-2典坦的应力一应变曲线 其中~一屈服强度一极限强度。

密质骨的生物力学强度因外力作用的方向而异：股 骨的纵向拉伸极限强度大约是135MP_a，压缩强度大约是 205MPa，剪切强度大约是70MPa;相比之下，股骨的横向 拉伸极限强度则只有53 MPa^m。松质骨的生物力学强 度的大小在很大程度上取决于骨小梁的密度和排列，不 同部位的强度差别吋达10倍以上，将在本章笫四节中洋 细介绍。

屈服点后的应变曲线反位了骨组织的延胺性，或与 它相对的脆性。屈服点与#折点之间的曲线越短，骨的 脆性就越卨，反之，其延展性就越好。

达到极限强度时的应力-应变曲线下面的面积表示 导致骨折所需要的能贵，其单位是焦尔（j),U= lN*m。 一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，当外力除去后弹 性区内的能M能被骨释放，使骨恢复到原来的形状。但 是，当骨不断受到外力承复作用时，其应变能里不能被完 全释放，积累后可会导致材料结构的损坏，表现为骨组织 的微裂纹，并可出现疲劳件骨折。这个问题将在本争笫 二节中有专门阐述。

三、黏弹性（Viscoelasticity}

有一些物体，包括生物组织，它们虽然具有弹性特 征，怛并不是单纯的弹性体，它既表现有弹性，也衣现有 黏性，可以称之为黏弹性体，而将其性质称为黏弹性。弹 性体的特点是其内部任一点任一时刻的应力，完全取决 于该点当时的应变，而与应变过程无关；而黏弹性体内部 任一点任一时刻的应力，不仅取决于该点当时的应变，而 且与应变过程有关。关节软骨、椎间盘、轫带、腱和骨都 有的黏弹性，即具有时间依赖性。一般来讲，黏弹性材料 具有以下主要特点。

(一）应力松弛

当黏弹性体发生形变时，如果保持应变一定，则应力 将随时间的增加而喊小（图8-3),这种现象称为应力 松弛。

围8-3应力松弛

(二）蛹变

如果保持应力一定，则应变将随时间的增加而增大 (图8-4),这种现象称为蠕变。

图8-4蠣变

(三）对应变率敏感

黏弹性描述依赖于时间的力学性质对应变率是敏感 的（图8-5):即随苕应变率的增加，材料内应力增加，强 度变大。所以，在进行骨组织的力学测试及报告实验结 果时，必须考虑到应变率（或加栽速率）的影响。

图8-5黏弹性材料对应变率敏感

(四）滞后

如果对骨试件进行周期性的加载和卸载，则卸载时 的应力一应变曲线同加载时的应力一应变曲线不重合而 形成一个环，称为滞环（图8-6),这种现象称为滞后。 变形越大，滞环就越大。加栽时的应力一应变曲线以下 的面积就是加载时背吸收的能里，而卸载时的应力一应 变曲线以下的面积就是卸载时骨释放的能最，而它们的 差值就是一个载荷循环内骨积聚的能量。

ras-6黏弹性材料的滞后现象

(五）力学实验前的预处理 如果新鲜骨试件笛要在循环载荷下进行实验，在不 同的栽荷播环下，它的应力-应变曲线是不同的 (阳8-7):各个循环的最大应力点逐渐向右移，刚度也 略有增大。通常地，第一个循环与m二个循环的差异较 大，以后各循环间的差异逐渐变小。儿个循环以后，应力 应变曲线达到一个稳定的状态，此时就称该试件经过了 预处理。这种现象在以纤维为主的材料（如软组织）是非 常显着的，因为在受載前胶原纤维是收缩的，经过受载和 变形，它笛要时间恢复到自然的状态。

图8-7循环栽荷F新鲜骨试件的应力一应变曲线成都华西华科研究所分析研发定量CT QCT骨密度体模软件分析系统  
网址:http:// www.qctqct.cn  
手机 : 13072875151传真 :028-65830598
市场部电话 :028-65830598 028-67708638  83190122
在线 QQ:110480527 联系人 : 王先生
邮箱:samwangcn@126.com
地址 : 成都市静康路536号