生物力学 软力学.ppt

1、按力学性质分：,一、分类：,第五章 软组织力学,第一节 软组织的基本生物力学特性,主动软组织： 不仅能被动承载，而且能主动做功。,被动软组织： 只能被动承载。,肌肉,皮肤、肌腱、韧带、血管、软骨,柔软易变形的组织,机动 目录 上页 下页 返回 结束,主动软组织、被动软组织,二、特性,（一）柔软易变形,（三）有预拉伸应力,（二）具有不同程度的抗拉强度,（四）应力、应变非线性,机动 目录 上页 下页 返回 结束,应力、应变关系曲线,OO,正常生理工作段,0,F强度储备段,特点是小应力大变形 （正常生理状态的需要）,特点是没有屈服段、展性强 （大应力不破坏的保证）,O,O,A,B,C D,E F,机

2、动 目录 上页 下页 返回 结束,（五）粘弹性,（六）趋近性,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（应力松弛 蠕变 滞后）,（每次加、卸载循环下应力应变曲线都不重合）,从力学观点看，软组织在静息状态是一种非均匀、各向异性不可压缩的粘弹性材料，且它的特性随温度和环境状态而改变。在保持伸长时表现出应力松弛，而在保持应力时产生蠕变。在循环加载卸载时要消耗能量，具有滞后环。,三、研究方向（前沿）,1.实验：,3.超微结构与组织化学：,2.本构方程：,由软组织组成的整体器官,软组织力学性质的数学描述,离体软组织取样,在体软组织性能综合量,组织内物质传输和能量传输,组织内生长与吸收,各种成分的几何结构及相

3、互作用,各种化学成分的图像分析,机动 目录 上页 下页 返回 结束,肌肉（骨骼肌）是人体运动系统重要的组成部分，是人体运动的动力来源。可以说肌肉在生物力学研究中是最具吸引力、最有挑战性的研究领域。肌肉的力学性质十分复杂，它跟组成肌肉各种成份的力学特性有关，迄今为止人们仍然在不断的研究和探索之中。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第二节 肌肉的力学性质,（一）特点：,一、肌肉的基本知识：,（二）分类：,（三）组成：,肌纤维：肌内膜、细胞核、肌浆、肌原纤维,骨骼肌、心肌、平滑肌,构造要素和收缩机理大致相同 结构、功能和力学性质不同,肌原纤维：特殊的收缩蛋白 （肌动蛋白、肌浆球蛋白）,柔软易变形

4、,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（四）能量：,（五）理化性质：,三磷酸腺苷（ATP)：,其他储存能量的物质：磷酸肌酸,消耗化学能产生机械能,机械功率等于收缩力乘以收缩速度,是肌浆中的线粒体在收缩活动中生成的,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（六）主动张力：,肌肉既具有一般软组织的力学性质又有其 独具特点主动收缩产生张力。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,被动张力：,松弛状态下（不受刺激），肌肉没 有收缩时的张力。,激活状态下即肌肉受到刺激（不是 负载），由于主动收缩产生的张力。,主动张力：,名词解释,机动 目录 上页 下页 返回 结束,松弛状态：,肌肉未受到神经脉冲、电、化学等刺

5、激时。,激活状态：,肌肉受到神经脉冲、电、化学等刺激时。,主动张力是怎样产生的呢？,骨骼肌： 在神经、电、化学刺激下产生主动收缩。,心肌： 在窦房结发出的电信号下产生主动收缩。,平滑肌： 可以自发的产生主动收缩。不受自主神经控 制。人体除心脏外内脏器均由平滑肌组成， 如肠、肝、脾、肾。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（七）结构：,1、镜下观察：,骨骼肌,横纹肌,心肌,平滑肌,横纹肌,2、线粒体与毛细管的多少：,线粒体少 磷酸肌酸多 毛细管少 可以暂时性缺氧,线粒体多（大量） 磷酸肌酸少 毛细管多（每根都有） 不可以暂时性缺氧（不可须臾不足）,不属于横纹肌,镜下见不到明暗相间的条纹,机动

6、目录 上页 下页 返回 结束,机动 目录 上页 下页 返回 结束,机动 目录 上页 下页 返回 结束,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3、细胞大小：,4、肌纤维有序度：,骨骼肌,心肌,平滑肌,大,中,小,肌纤维排列 有序度高 平直规则,肌纤维排列 有序度中 不弯曲缠绕,肌纤维排列 有序度低 弯曲缠绕呈螺旋,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（八）功能：,（运动的支配）,运动受 自主神经控制 收缩可不必同步,5、肌纤维节：,肌节明显 工作范围大23.5 收缩速度快,骨骼肌,心肌,平滑肌,肌节不够明显 工作范围小22.6 收缩速度次,无肌节 收缩速度慢,运动不受 任何神经控制 收缩和松弛必同

7、步,运动不受 自主神经控制 可自发的、节 律性的收缩,机动 目录 上页 下页 返回 结束,豚鼠带状结肠肌（平滑肌）为试样观测其自发收缩的过程。,值得注意的是： 不同长度的带状结肠肌其波形和张力大小都是不同的。,对带状结肠肌（平滑肌)进行应力松弛实验时，也会出现自发收缩的现象。,（九）力学性质：,1、状态：,允许挛缩 研究是在强直 状态下进行的,刺激频率越高，产生的张力越大。当频率足够 高（高于100HZ）时，张力达到最大值，且不 随时间变化。这种状态称挛缩或强直状态。,骨骼肌,心肌,平滑肌,不允许挛缩 因心肌收缩张弛 节律性很强,机动 目录 上页 下页 返回 结束,神经脉冲、电脉冲或化学刺激下

8、，肌肉收缩产生张力，每次激发可持续数十至数百毫秒。,收缩力不随时间和频率变化挛缩,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2、近似：,在松弛状态下 应力很小 可以忽略不计。,骨骼肌,心肌,平滑肌,在松弛状态下 应力很小 但不可以忽略不计。,松弛状态下的应力是心脏功能至关重要的因素。 因心博量取决于舒张末期的容积，舒张末期的 容积又取决于舒张状态时心肌的应力应变关系。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（十）实验：,1、样品：,骨骼肌,心肌,平滑肌,缝匠肌 蛙的,乳突肌 猫兔等小动物的,光衍射镜要得 到明暗相间的 衍射条纹肌肉 样品必须很薄。,分离的心室的乳突肌 没有很强的起搏能力 所以能在无刺激

9、状态 下进行实验。,肌纤维较细可以通过扩散维持活性2448小时。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,扩散液：95%02,5%CO2混合气体的Krebs-Ringer溶液,2、条件：,骨骼肌,心肌,平滑肌,可强直状态,可松弛状态,可离体实验,可离体或在体实验,（取决于动物的大小）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,说明：,除心脏外人体内脏器官均有平滑肌组成,不同器官平滑肌的组织结构、功能、力学性质有显著差异，很难用统一标准刻画它。,种类多其机械性能复杂,细胞小,平滑肌的研究比骨骼肌、心肌的研究复杂的多,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（一）基本结构：,二、骨骼肌的结构和收缩机理,肌纤维肌

10、束肌肉,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨骼肌由平行排列的许多肌束组成，肌束中包含着许多平行排列的肌纤维。,肌纤维是构成肌肉的基本单位（是细胞）。,肌原纤维,肌纤维,小肌束,大肌束,肌 肉,肌 群,1、肌纤维构成：,肌内膜：,细胞核：,肌浆：,肌原纤维：,外膜和内膜,肌核多个，位于肌膜下；,活动期生成ATP,肌质中含大量与细胞长轴平行的 成束排列的肌原纤维蛋白质,机动 目录 上页 下页 返回 结束,它本身是个细胞，有膜、核、质、肌原纤维。,骨骼肌细胞的LM结构：,骨骼肌细胞的形态长圆柱形,心肌细胞的形态分支短杆状 平滑肌细胞的形态梭形,肌原纤维是肌细胞特有的重要组成部分，它是肌肉细胞的收缩

11、单位。,骨骼肌细胞,机动 目录 上页 下页 返回 结束,心肌细胞的LM结构： 胞核12个， 位于心肌纤维中央；有闰盘； 也可见横纹,平滑肌细胞的LM结构： 胞核一个，位于中央；核周围有模糊的纵纹；无横纹（无明暗相间的条纹）,肌原纤维 肌膜 横小管，又称T小管 可将肌膜的兴奋迅速同步地传导至肌纤维内部 肌质网 是肌纤维内高度发达的滑面内质网， 形成纵小管，又称L小管；终池 ； 三联体功能： 浓缩、储存、释放Ca2+,骨骼肌细胞的EM结构：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,心肌细胞的EM结构：,终池扁小； 形成二联体； T小管位于Z线水平； 闰盘的横位有中间连接和桥粒； 纵位有缝隙连接,群：,

12、A带带中有两种肌丝； 与肌球蛋白丝同长；,H带带中无肌动蛋白丝；,M线、盘H中连接相邻肌球蛋白丝。,I带只是肌动蛋白丝；,Z线、盘I中连接肌动蛋白丝。（相邻两Z线之间称肌节）,收缩时长度不变,收缩时长度变化,收缩时长度变化,明暗相间的横纹，横纹排列呈周期性。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2、肌原纤维构造：,肌原纤维结构：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,肌丝（肌原纤维）的分子结构,粗肌丝： 由许多肌球蛋白分子或称肌凝蛋白分子按特定规律排列而成,肌球蛋白分子，其头部有一膨大部-横桥： 能与细肌丝上的结合位点发生可逆性结合； 具有ATP酶的作用，与结合位点结合后,分解ATP提供横桥扭动

13、(肌丝滑行)和作功的能量。,粗肌丝：,由肌球蛋白（肌凝蛋白）组成,肌球蛋白（肌浆球蛋白）结构,由肌凝蛋白组成,每一根粗肌丝上有许多细小的桥样突起，称横桥，在粗肌丝上作螺旋状成对排列。,肌动（纤)蛋白分子 细肌丝： 原肌球蛋白分子,肌钙（原）蛋白分子,肌动蛋白：表面有与横桥结合的位点，静息 时被原肌球蛋白掩盖； 原肌球蛋白：静息时掩盖横桥结合位点； 肌钙蛋白：与Ca2+结合变构后,使原肌球蛋 白位移，暴露出结合位点。,细肌丝：,由肌纤蛋白、原肌凝蛋白、肌钙蛋白质组成,肌原纤维,机动 目录 上页 下页 返回 结束,肌丝的分子组成,单个：,细肌丝,粗肌丝,分子头成对出现,平行排列 横向保持一定距离

14、相互对插 一根粗肌丝被六根细肌丝包围 （一根细肌丝被三根粗肌丝包围）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（二）收缩机理：,1、观察仪器：,2、观察试样：,光学显微镜 电子显微镜 光衍射仪,小青蛙的缝匠肌,3、横桥学说（肌丝滑行学说）：,肌纤维收缩并不是肌纤维中肌丝本身的缩短或卷曲， 而是细肌丝在粗肌丝之间滑行的结果。 肌丝滑行使肌节长度缩短，肌原纤维缩短表现为肌纤 维收缩。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,肌纤维处于静息状态时 肌动蛋白单体上能与肌球蛋白头部相结合的位点被 遮盖，横桥无法与位点结合。 即肌球蛋白分子的头部贴近肌动蛋白纤 维上，但没有接触。,机动 目录 上页 下页 返回 结

15、束,当肌纤维兴奋时 引起肌钙蛋白构型发生改变，牵拉原肌球蛋白移位，将肌动蛋 白上与横桥结合的位点暴露出来，引发横桥与肌动蛋白结合。 肌球蛋白的头部具有ATP酶活性。当头部与细肌丝的肌动蛋白接 触时，ATP酶被激活，分解ATP并释放能量，使横桥屈动，使肌 丝产生相对滑动。 即肌球蛋白分子的头部突起，横桥粘接于 肌动蛋白纤维上，产生张力，横桥使两肌 丝发生相对滑动，收缩做功。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,机动 目录 上页 下页 返回 结束,松弛时：头部匍匐 受刺激：头部凸起,注：,收缩过程中，肌微丝、分子头、周围组织都会有弹性。,收缩如同拉拽绳索的动作一样。,能量可由ATP供给。（当ATP

16、缺乏时）,当肌纤维舒张时 引起肌钙蛋白构型复原，牵拉原肌球蛋白又回归原位， 将肌动蛋白上与横桥结合的位点掩盖起来，横桥停止扭 动，与肌动蛋白脱离，细肌丝滑出，肌节恢复原长度。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,Hill方程：可描述骨骼肌的力学性质。,三、希尔方程,与心肌、平滑肌相比，对骨骼肌研究的比较深入。,Hill方程：可描述骨骼肌的功能状态。,上世纪 30 年代, Hill 的经典性的工作,奠定了 骨骼肌力学的基础. Hill方程是肌肉力学中最有 名的方程，是骨骼肌的力学基础,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（一）试样：,青蛙的缝匠肌,（二）描述：,骨骼肌在强直状态下快速释放时 张力

17、T收缩速度V之间的关系。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（三）方程：,两端夹紧,保持固定长度为L0；,然后将肌肉的一端松开,使其张力降为 T在强 直状态下快速释放，,释放后，立即测得T和V,T和V之间的经验公式 就是Hill方程,机动 目录 上页 下页 返回 结束,Hill 不仅测定 T 与 V的关系,还测定了肌肉缩短时产生的热量,以及维持挛缩状态所需的热量.,L小于L0,T小于T0则肌肉纤维以速度 v 缩短.,以足够高的频率和电压加电刺激,使挛缩产 生张力为T0；,实验绘图,理论推得它的数学表达式为：,式中a、b、T0是独立的常数，都是肌肉的初 始长度、环境温度和成分、钙离子的浓度以

18、及药品等因素的函数。,强直状态下的蛙缝匠肌快速释放实验中测得的,机动 目录 上页 下页 返回 结束,挛缩状态的蛙缝匠肌快速释放实验中测得的等张收缩时 T , v 数据与 Hill 方程相比较（引自 实验室）,Hill方程的理论推导：（T、V、T0的关系）,据能量守恒定律有 E=QA+QS+P,肌纤维单位时间内释放的能量E； 保持的热量QA; 收缩的热量QS; 所做的功 P,设：,Hill测定：E-QA = b(T0-T),Hill假定：QS = a V,功率：P = T V,机动 目录 上页 下页 返回 结束,Hill方程也可以写成如下形式：,式中V0是T=0是速度的最大值。,且V0是bT0

19、/ a,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（四）方程的使用条件：,骨骼肌,强直状态,快速释放,方程不能描述：,肌肉未受刺激，没有主动收缩的状态,单收缩状态,缓慢释放,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（一）模型的建立：,四、三元素模型,三元素的串并联组成,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1、收缩元,骨骼肌的三元素模型,表示在激活状态下肌 肉的力学性质。,（二）各元素的特性：,在静息状态下肌张力为 零，但受刺激后可收缩。,能反映粗肌丝和细肌丝相对运动形成的张力， 即主动张力部分。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,代表可以相对滑动的肌浆球蛋白和肌动蛋白纤 维丝,其张力与它们之间的横桥数

20、目有关.松弛 状态下,张力为零；,2、串联弹性元,表示两种肌丝、横桥、Z盘以 及结蹄组织本身固有的弹性。 可设它是完全弹性体；,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨骼肌的三元素模型,3、并联弹性元,表示松弛（静息）状态下肌肉 的力学性质，即被动张力部分。,松弛态下 肌肉力学性质,两种肌丝、 横桥、Z盘 的弹性,激活态下 肌肉力学性质,归纳：,（三）意义：,（五）改进：,描述了Hill方程不能描述的状态,表明了活的肌肉由三个元素组成,（四）使用条件：,主动张力、被动张力可以分开，彼此独立。 即收缩状态不影响松弛状态。,松弛状态下应力很小，可以忽略。,可以有三元素、二元素、一元素模型。,Hill

21、 模型的发展状况,几十年来的实践表明,对于骨骼肌的性质来说： Hill 方程和模型仍然是一种良好的近似. 到目前为止,这也是唯一可操作的模型. 当务之急不在于新的、更完善的理论的探索和更完备的本构关系的寻求,而在于肌肉（肌群）力的在体无创监测方法的研究,这无论对于骨和关节的受力分析、骨折的治疗的方法选择和参数优化,以及运动生物力学等都有重大的实用意义.在这方面,Hill 模型理论有可能发挥它的独特的作用.,1、元素的取舍：,（六）希尔模型应用于心肌,可以有三元素、二元素模型。,人们期望将骨胳肌的Hill方程和模型用于心肌。但经实验发现，在心肌收缩情况下，当其纤维很短，以至松弛状态应力可以忽略不

22、计时，Hill模型可用于心肌。这时由串联弹性元素和收缩元素所组成的二元素模型有效。,如果心肌纤维比较长，以至松弛张力必须考虑时，应采用Hill三元素模型。,为了确定Hill三元素模型中各个元素的参数，做了大量实验，实验结果表明：,弹性元素的弹性模量是肌纤维长度的函数。 心肌的力-速度不能用Hill方程表示,因此Hill三元素模型就十分复杂,目前尚无有效方法能唯一确定这些元素的性质。,2、引用活化因子：,* 未受刺激时心肌力学性质,心肌瞬时张力和伸长比有下列关系 对心肌一定的应变率进行循环加载和卸载时，应力-应变曲线稳定显示滞后环,dTe/d=(Te+),* 平滑肌的被动张力和主动张力,1被动张

23、力不可忽略 骨骼肌在未激活状态下的被动张力比激活状态下产生的主动张力小得多，通常可以忽略不计； 心肌的被动张力虽然不可忽略，但通常比主动张力小； 平滑肌的被动张力可等于或大于主动张力，这是平滑肌异于骨骼肌和心肌的另一特点。,（七）希尔模型应用于平滑肌,2. 被动张力对主动张力的依赖关系,对于骨胳肌，它的主动收缩机制并不影响它的特性，其主动张力和被动张力是独立的、可分的，在Hill模型中用收缩元和并联弹性元表示。,对于平滑肌，要设法消除其自发活性，研究其松弛态下的被动张力。 采用三种方法： 1.温度降到-20度以下。 2.消除自由钙。 3.加肾上腺素。,实验结果表明：平滑肌松弛态力学性质依赖于其

24、激活态，因此将它的张力分为主动张力和被动张力是不行的。,五、长度张力的关系,肌纤维被牵拉或缩短时张力的变化， 主要归因于肌节结构的变化。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,当肌节处于松弛状态， 静息长度肌节长度 2.02.25微米时， 肌丝间充分重叠， 横桥数量最多， 能产生最大的张力。,张力与肌节长度关系,机动 目录 上页 下页 返回 结束,肌节长度3.5微米时， 肌丝间几乎没有重叠， 所以不能产生主动张力。,张力与肌节长度关系,机动 目录 上页 下页 返回 结束,如果肌肉被拉长超过了静息长度，张力也逐渐下降。 （因为此时肌节被拉长，肌丝间的接触少张力会降低。),只剩下被动张力了。,肌节长

25、度1.652.0 微米时，肌丝重叠 干扰了横桥的形成 张力开始慢慢下降。,张力与肌节长度关系,机动 目录 上页 下页 返回 结束,如果肌纤维的长度缩短，张力开始慢慢下降。,肌节长度小于1.65微 米时，粗肌丝滑到了 Z线，横桥数目减少， 张力大幅度降低。,张力与肌节长度关系,机动 目录 上页 下页 返回 结束,随着肌纤维的长度过短，张力在慢慢下降后迅速降低。因为肌丝过度重叠干扰了横桥的形成。,张力,六、负荷-速度关系 肌肉向心缩短或离心收缩延长的速度与恒定的负荷之间存在一定的关系。,向心缩短,离心收缩,等长收缩,肌肉缩短， 产生关节运动,肌肉伸长， 关节运动减慢,肌肉不变， 保持一定姿势,肌肉

26、向心收缩时缩短的速度与所受外界负荷成反比关系。,当外界负荷为零时，肌肉缩短的速度最快：随着负荷逐渐增加，肌肉缩短的越来越慢； 当负荷与肌肉产生的最大张力相等时，肌肉缩短的速度为零，肌肉做等长收缩； 如果负荷继续增加，肌肉做离心收缩，负荷越大肌肉伸长越快。,七、张力与时间的关系,肌肉产生的张力与收缩的时间成正比。收缩的时间越长产生的张力越大，直到达最大张力。,八、 骨骼肌结构的影响 肌肉由收缩成分即肌节组成，肌节能产生主动张力，收缩成分的排列方式显著影响了肌肉的收缩功能。,越多肌节呈串联排列，肌原纤维越长； 越多肌节呈并联排列，肌原纤维横截面积就越大；,肌肉能产生的张力与肌原纤维的横截面积大小成

27、正比。如股四头肌。 肌肉收缩速度与范围与肌原纤维的长度成正比。如缝匠肌。,九、 疲劳的影响 肌肉收缩和舒张都依赖于ATP的生成。 如果肌肉有足够的氧和营养供给分解产生ATP，肌肉就能维持长时间的连续低频率收缩。 该收缩频率必须低至使肌肉收缩过程中ATP分解与合成的速率相等。,如果刺激频率过快，超出了ATP代偿速率，肌肉的收缩反映逐渐减弱最后为零。 在持续的刺激下肌肉的张力降低的现象称为肌疲劳。,意义：,第三节 血管的力学性质,血管是循环系统中的主要部分之一，是血液流动的基础。与研究心血管疾病有直接关系。,血管壁的性质与研究病理机制、诊断、治疗密切相关。,因此，对血管的研究成为现代生物医学的一项

28、重大课题之一。,血管壁的知识能研制和评价人造血管、人造器官。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,方法：,在体实验：如测血管内压及外径的变化,但实验条件无法准确的控制，则测量精度低，重复性差。,活体取下，立即浸于与活体环境、温度、PH值相当的等渗液中。,离体实验：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（一）成分：,一、血管的主要成分与构造,（二）成分含量： （因血管而异）,主动脉 其他动脉 静脉 （大动脉、分支动脉、小动脉）,内皮、弹性纤维、胶原纤维、平滑肌,弹性纤维/胶原纤维 逐渐减少（2/1,1/2,1/3),平滑肌的含量 逐渐升高,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（三）构造： （内、

29、中、外三层）,内层：内皮细胞、基质膜和一层由纤细的胶原纤维、弹性纤维、平滑肌细胞等组成的松散聚集物,外层：松散的结缔组织,中层：肌肉性组织,若干同心的具有弹性的薄壳层,含弹性纤维、胶原纤维、平滑肌,层数随壁厚的增加而增加,厚度比一定,机动 目录 上页 下页 返回 结束,血管壁空间构型梗概图,弹性纤维- 构成有纵向裂隙的网络,胶原纤维- 构成折叠、屈曲、皱缩 交织的网络,平滑肌- 构成螺旋形排列的网络， 螺距渐短,机动 目录 上页 下页 返回 结束,* 血管的结构与其生理功能密切相关,例如， 接近心脏的大动脉中所含弹性纤维的比例 较大，从而具有较大的弹性。 心脏收缩时管径扩张，舒张时管径回缩，

30、使血液能在血管中持续较均匀的流动。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例如， 中动脉中平滑肌较发达，从而管壁收缩性 较强。 管径可明显缩小和扩大，从而调节分配到 机体各部分和各器官的供血量。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例如， 小动脉和微动脉中平滑肌更发达，从而 管壁收缩性更强。 管径更明显缩小和扩大，从而显著调节 进入器官和组织的供血量。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,血管壁的力学性质主要取决于中层， 而中层又取决于弹性纤维、胶原纤维、平滑肌 的性质、含量及空间构型。,（四）力学性质：,1、弹性纤维：,无论是滞后环还是应力松弛均甚微，近乎于 完全弹性体。,即应力应变近乎于呈线

31、性关系，满足胡克定律， 杨氏模量较低，约为E=0.3MPa。,加热很难变性与不易被固化是弹性纤维的两个重要的生物力学特性。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3、平滑肌：,易于变形，滞后环很大，应力几乎完全松弛。,2、胶原纤维：,有中等的滞后环和应力松弛。,对较小的拉伸率有高的应力响应，即比弹性纤 维坚硬得多，杨氏模量为E=100MPa。,对较大的变形有较低的应力响应，即杨氏模量 与弹性纤维接近。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,滞后环图,非血管组织的滞后环类型 （项背韧带 肌腱 肠） 横坐标表示拉伸率，纵坐标表示应力。,项背韧带 加热到76C 弹性纤维,肌腱 胶原纤维,肠 平滑肌,机动

32、 目录 上页 下页 返回 结束,应力松弛图,非血管组织的应力松弛类型 （项背韧带 肌腱 肠 ）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,蠕变图,说明：三种成分的蠕变现象都是有限的。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1、滞后环：,二、血管的力学性质,2、应力松弛：,3、蠕变：,（一）粘弹性：,例如，从升主动脉至股动脉其应力松弛现象逐渐增大；,例如，周向比纵向其应力松弛现象更为明显。,会因血管的不同而略有差异,血管壁是粘弹性体。实验得知，血管试样会发生 蠕变、应力松驰和滞后现象。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,动脉的顺应性：,（二）顺应性： (可扩张度）,为表征动脉管内压力与其管腔容积之间的

33、关系 引入动脉的顺应性作为指标。,顺应性越大同一压力变化所引起的管腔容 积的变化量也越大。,因此，血压越高顺应性越小。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,动脉的顺应性已作为一个反应血管硬化 程度的指标而在临床上得到广泛应用。,可用多种方法测量动脉血管的顺应性， 例如用脉冲测定顺应性。（略）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1、周向张力与轴向张力：,（三）血管壁内的张力,周向张力图,大小：单位管长的作用力,方向：与圆周的切向一致,单位：牛顿/平方米,（1）周向张力：TC,大小：单位周长的作用力,方向：平行于管轴,单位：牛顿/平方米,（2）轴向张力：TL,轴向张力图,机动 目录 上页 下页

34、返回 结束,2.弹性张力与主动张力：,TE弹性张力是弹性应变的函数； 活、死血管都存在。,TA主动张力与弹性应变无关； 是平滑肌收缩产生的张力； 活血管才存在。,注：同样可以分解成周向和轴向张力。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,4.周向张力与压强、半径的关系：,对象：选一薄层的上半部分,设：长度L 内半径r1 外半径r2 厚度h=r2-r1 厚度比d=h/r2 内压P1 外压P2,假定： 变形时血管仍为圆筒形状。,（1）公式：,Oka-Azuma公式：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（2）适用条件：,管壁材料 均质或非均质 各向异性或各向同性 服从或不服从胡克定律 大变形或小变形

35、有或无主动张力 都适用,血管的状态平衡状态,血压的取值一个周期内的平均值,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（3）变形公式：,（4）讨论：,管壁无限薄时：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,说明：,此时管壁受的是周向压力不是周向张力,实际管壁厚度和周向力不可能是零,内压等于外压时：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,内压不等于外压时：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,三、复杂性,管壁血管（或营养血管）：,管径在1mm以上的（很小的血管除外）血管 中外膜和中膜需管壁血管供养，内膜营养由 血液直接渗透供应,血管中专门营养血管壁的血管组织,例如：动脉依赖性小，静脉依赖性大，一旦营养供应中断

36、，很快坏死。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,关节软骨的生物力学,机动 目录 上页 下页 返回 结束,涉及到关节（补充）,人体的关节分为纤维状关节、软骨质关节和滑膜关节三种类型。 其中，仅滑膜关节亦称为动关节，允许较大幅度的活动。 在关节骨末端覆盖了一层结缔组织，称为关节软骨。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第四节 关节软骨的力学性质,一、关节软骨的结构、成分及功能,二、关节软骨的生物力学性质,内容：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,定义：,关节软骨 是组成活动关节关节面的有弹性的负重组织。,是人体里唯一不会发生癌变的组织,关节软骨：是由一种特殊的叫做致密结缔组织的胶原纤维构成的

37、基本框架，这种框架呈半环形，类似拱形球门，其底端紧紧附着在下面的骨质上，上端朝向关节面，这种结构使关节软骨紧紧与骨结合起来而不会掉下来，同时当受到压力时候，还可以有少许的变形，起到缓冲压力的作用。在这些纤维之间，散在分布着软骨细胞，这些软骨细胞维持关节软骨的正常代谢。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,血供：从生理学的角度上看，关节软骨实际上是一种孤立的组织，没有神经支配，也没有血管，没有单独的血液和淋巴供应。它主要依赖软骨下骨组织提供软骨下部近1/3的血供，其余依赖滑膜周围毛细血管的渗入。,营养代谢：其营养成分必须从关节液中取得，而其代谢废物也必须排至关节液中，关节软骨的这种营养代谢必须通

38、过关节运动，使关节软骨不断的受到压力刺激才行，所以关节运动对于维持关节软骨的正常结构起重要的作用。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（一）关节软骨的功能,承受力学负荷；,减小骨与骨之间的接触应力；,润滑作用，减小关 节面作相对运动时 的摩擦力和磨损。,维持器官的外形；,利用自身变形吸收一部分冲击能量；,一、关节软骨的结构、成分及功能,机动 目录 上页 下页 返回 结束,概括其主要功能是：, 分散压力；关节软骨受压时提供较大的接触面以降低其上的压力，缓冲运动时产生的震动。, 降低磨损：关节软骨表面光滑，能减少相邻两骨的摩擦，降低磨损。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（二）关节软骨的组成

39、,软骨由软骨细胞、基质和纤维组成。 软骨细胞镶嵌在基质中 软骨基质主要是由蛋白多糖聚合体、 水、矿物质和II型胶原纤维组成, 有确定的纤维组织（胶原、弹性)排列 ，埋于基质中。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,概括关节软骨的主要组成成分,胶原纤维 蛋白多糖 软骨细胞 水分,显微镜下的关节软骨,机动 目录 上页 下页 返回 结束,胶原纤维,是体内含量最丰富的蛋白。 高度结构性的组织，可形成最佳的力学性能。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,* 软骨中的胶原纤维,软骨中胶原含量占软骨组织净重的1030%；,软骨中型胶原比骨、韧带和肌腱内的I型胶原 更细，使其能在软骨内分布最大化，且分布不均

40、匀。,这种胶原网和多水的糖蛋白一起，共同抵抗关节的应力和应变。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,*胶原纤维形态,I型胶原,II型胶原,机动 目录 上页 下页 返回 结束,* 弹性纤维形态,机动 目录 上页 下页 返回 结束,* 软骨中胶原的分区排列,浅表层区占总厚度的1020%， 呈细而致密紧排的纤维，不规则交织于与 关节面平行的面上；,中间层占总厚度的4060%， 排列紊乱，纤维之间距离较大，分布不均；,深区约占总厚度的30%， 纤维密集排列形成辐射状纤维束，穿越关节 软骨与其下的钙化软骨之间，形成一个交锁 的“根”系统，使软骨能扎根在下面骨结构内。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,

41、机动 目录 上页 下页 返回 结束,蛋白多糖,蛋白多糖是一种蛋白多糖大分子,由核心蛋白附着了一个或多个粘多糖（硫酸角质素与硫酸软骨素）组成。 糖蛋白有一特殊部分与胶原密切相连，并把胶原纤维结合到一起。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,*软骨中的蛋白多糖,软骨组织内蛋白多糖为净重的310%，为大分子 蛋白多肽单体或聚集体，比较集中于中间层；,因蛋白多糖组成成分中均含氨基已糖，所以称为 氨基多糖或糖胺聚糖(GAG)。 常见的氨基多糖包括透明质酸、硫酸软骨素、硫 酸角质素和肝素等；,这种蛋白多糖聚集体可使蛋白多糖在胶原网内得 到稳定并可增加细胞外基质的结构硬度。 关节软骨的抗压缩能力与软骨基质中

42、蛋白多糖的 数量成正比。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,*氨基多糖基质组成,基质,机动 目录 上页 下页 返回 结束,软骨细胞及其分区形态,在中间区内，软骨细胞呈圆形，分散杂乱；,软 骨 囊,关节软骨中软骨细胞约占组织容积的10% ； 软骨细胞分泌细胞外基质的成分，包括型胶原纤维和蛋白多 糖；,在浅表区内，软骨细胞呈长圆形，长轴与关节面平行；,在深区内，软骨细胞呈柱状排列。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,软骨中的水,水在关节内分布不均。近关节面最多（约80%）， 越近深区水越少，到深区为65%；,约有30%的水与胶原原纤维密切相关并占据分子内 间隙，当组织受负荷时水可自由流动；,软

43、骨组织受到负荷时约70%的水流动，这种流动对 软骨力学行为的控制和关节的润滑有重要意义。,水分占正常关节软骨总重量的6580，位于微小的孔中，水分可以因压力梯度或基质的挤压在多孔渗透性的固体基质中流动。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,说明： 软骨和骨骼在材料成分上的差别在于它不含无机 盐成分，所以它很柔软，易变形，,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（三）关节软骨的结构,被描述成一种充满液体的、多孔的、可渗透的、非常柔软的组织 (类似包含水的海绵)。,因此，当把关节软骨看作一种由液相与固相组成的材料时，才能充分理解其生物力学特性。这是关节软骨的水合软组织的双相变形性质。,机动 目录 上

44、页 下页 返回 结束,*关节软骨的物理结构,型胶原纤维、蛋白多糖单体、透明质酸纤维及其 他成分之间相互作用形成多孔的组合性纤维网，使 基质具有固体所具有的力学性质，能抵抗关节的应 力与应变；,关节软骨也是各向异性的双相（液体相和固体相） 复合材料。负荷方向不同，材料性能各异。这与胶 原纤维排列方向、交联密度及胶原与蛋白多糖的相 互作用方式有关；,呈现出弹性特性可以防止受到各种机械冲击，,有预应力可产生固有的稳定性。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,关节软骨中胶原原纤维和蛋白多糖属于关节的结构成 分，这些结构成分和水一起，决定了软骨的生物力学 行为；,软骨的这种结构还有利于液体在应力作用下产

45、生流动， 使无血管的软骨组织内气体、营养和废物产生扩散， 使软骨细胞与周围营养丰富的滑液之间进行物资交换。,说明：（胶原纤维 蛋白多糖 水）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,关节软骨层结构的简要图解,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（四）关节软骨的分类,弹性软骨: 存在于耳垂、听觉管道和喉部。 其构造与透明软骨相似，只是间质内含有大量的弹性纤维，互相交织成网，具有很大的弹性。 弹性软骨新鲜时呈黄色。,纤维软骨: 存在于耻骨联合、关节的半月板、椎 间盘中。 其特点是基质很少，其中含有大量的胶原纤维束，平行或交叉排列。,透明软骨: 存在骨的关节表面、鼻、呼吸道壁。 新鲜时呈半透明状，较脆，

46、易折断。透明软骨间质中的纤维为胶原原纤维，含量较少，基质较丰富。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,二、关节软骨的生物力学性质,（一）承载特性,它和许多软组织材料在力学性质上也有所区别。,它不仅能承受拉伸载荷，而且在定积度上还能承受压缩、弯曲和剪切载荷。,一船说来软骨能在自重下大体上维持住本身的几何形状。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（二）渗透性,关节软骨是多孔性泡沫材料，孔间互相连通。,表征液体流经泡沫材料的通过性能。,定义：,机理：,用液体流过多孔物质的固体基质时的摩擦阻力来 衡量。 渗透性越低，承载时液体流动阻力越大。,随着压力和变形的增加，健康关节软骨的渗透性 大大降低。 因

47、此，关节软骨具有一个机械反馈调节机制，阻 止组织间液完全流出。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,它与液体流经材料时所受到的流动阻力 成反比。,影响因素：,它与组织水分成正比。,它与蛋白多糖的含量成负相关。,*骨关节炎 软骨组织的渗透性较之正常组织要高。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,二、对软骨施压： 当施加局部压力增加时， 引起液体从软骨组织内渗出。,液体通过关节软骨有两种主要的力学方式：,一、应用压力梯度： 当软骨组织外面的压力大于里面时， 可使液体进入软骨基质。,说明： 对于正常的关节软骨上上述两种机制同时存在。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（三）非线性拉张特性（及影响因

48、素）,1、正常软骨张力性能 主要取决于胶原纤维的多少和纤维的排列。,外加张力的方向与胶原的取向密切相关。 无张力时，纤维定向不规则； 有张力时，纤维按张力方向排列；,胶原的拉张性能与胶原分子的结构、胶原纤维的构 造及交联有关。,外加张力强度与软骨胶原数量成正比；,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例如，关节软骨的进行性降解，导致原纤维形成 轻度骨关节炎，表现为软骨基质在拉张性能方面 的进行性衰竭.,2、正常软骨张力强度 随关节面下的深度增加而减少。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,*关节内应力的分布,关节软骨具有衰减应力和吸收振动的作用，使骨免受应力损伤。如果 无软骨，就会引起骨损伤的应

49、力，增加骨的接触应力，引起松质骨骨 小梁疲劳性损伤。,在软骨浅表区，纤维排列方向与表面平行，张应力强度和刚度大。 软骨最深层的胶原纤维具有垂直排列的倾向，有将基质固定于软骨下 骨的功能。,软骨在比较厚的松质骨上，因松质骨能发生足够的变形，从而产生最 大限度的负重接触面，减小软骨承受的应力，使关节充分适应负荷。 松质骨的变形使小梁骨发生微骨折。但只要微骨折发生频率低于愈合 率，松质骨的可变形性就不会改变。软骨下骨若失去变形性，关节应 力增加，导致关节软骨的局部应力集中。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（四）粘弹性,关节软骨为多孔材料，组织间隙中充满着液体。 在应力作用下，液体可在组织中流进

50、流出： 当软骨组织膨胀时液体流入组织，当软骨组织 收缩时液体流出组织。,软骨中蛋白多糖和胶原对承受负荷起重要作用。 软骨对应力的反应取决于基质内液体的流动，软骨中胶原和蛋白多糖嗜水性强，其变形特征与吸水量和承受外力的速度密切相关。挤压越快，水分越难流出，反之越易流出。,因此软骨处于恒定负荷或者恒定变形时，其反应具有时间依赖性。 即软骨具有粘弹性特征，,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1、蠕变特征,施加恒定应力在软骨面上， 在初期阶段，由于基质内液体渗出较快，早 期应变增加快； 当流动减慢直到停止时，应变改变降低直到 恒定。,无渗出液 平衡应变 大量渗出液,机动 目录 上页 下页 返回 结束

51、,蠕变平衡时所需时间与组织厚度的平 方呈正比。 人和牛关节软骨较厚：24mm，需416小时达到平衡； 家兔关节软骨厚度小于1.0mm，约需1小时达到平衡。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2、应力松弛,保持恒定应变， 应力随时间下降直至平衡应力。,软骨从A挤压至B点后保持恒定应变，液体渗 出并在B点达到应力最大值，B点后发生应力 松弛，直至平衡应力。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3、滞后环（略）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（五）润滑作用,摩擦系数 比油对金属的润滑低2个数量级， 比最好的人工材料低许多倍。,关节软骨面之间形成的润滑液膜，在运动 和负重时，可减少关节面之间的

52、摩擦。,润滑作用主要借助于关节滑液的存在。,关节内有独特的润滑作用。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（六）磨损作用,一旦出现软骨面质量损耗或超微结构损害，结果是 软骨的表面层即变软，渗透性增加。 在这种情况下，液体流动的阻力减少，使液膜中的液体 通过软骨而泄漏。 这种液体丧失增加了不光滑软骨面紧密接触的可能性， 从而进一步加剧研磨过程。,若两个承载面接触，因相互粘连或研磨而产生界面磨损。 若两个承载面接触，因结合力超过其下面的材料所能承 受的力，就会引起承载面变形，发生疲劳性磨损。,磨损是通过机械作用去除固体表面的物质。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,软骨退化的生物力学原因,关节软

53、骨只有有限的修复与再生能力。 对过度负重（整个应力太大，或区域应力集中） 对软骨缺陷（单次重伤或多次轻伤使软骨损害） 引起总体衰竭（破坏）。,影响因素包括： 应力幅度、频率、胶原-蛋白多糖分子结构及 基质内在力学性能的变化。,衰竭最重要的初期因素是胶原网的松动，蛋白 多糖膨胀。,造成软骨硬度的衰减和软骨渗透性增加。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,关节软骨承受的应力幅度取决于： 负荷的大小和分散关节软骨的接触面积。 接触区内任何应力集中成为软骨退化的主要原因。,关节软骨上的过大应力集中原因是由于： 关节面不平整，导致接触区变小而使软骨衰竭。,主要原因应力幅度,机动 目录 上页 下页 返回

54、结束,临床上关节软骨退化病,职业性关节退化： 例如足球运动员膝关节、芭蕾舞演员的踝关节。是高负荷高频率应力刺激所致。,病理性关节退化： 例如类风湿性关节炎、血友病的关节间隙出血、 各种胶原代谢紊乱和蛋白溶酶的降解。 是胶原-蛋白多糖基质内在分子和结构破坏所致。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,软骨变性的生物力学,关节软骨的修复和再生能力有限，如果承受应力太大，可能很快发生完全破坏。 高接触压力会减少液膜润滑的可能性。 固体表面凹凸不平点的接触，可引起显微应力点的集中，使这些关节面材料发生磨损。 关节总载荷频率和数量的增加，可以解释为什么某些职业的人员关节变性的发生率高。,机动 目录 上页

55、下页 返回 结束,156,如足球运动员的膝关节，芭蕾舞演员的踝关节等。 骨关节病也可以继发于胶原蛋白-糖蛋白基质的分子或微观结构损伤，如类风湿性关节炎等。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,机动 目录 上页 下页 返回 结束,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨关节炎病因学,任何能引起软骨细胞微小环境改变的因素均能导致继发 性骨关节炎的产生: 先天性关节畸形； 遗传学缺陷；,感染性,代谢性,内分泌性和神经病性疾病；,改变关节软骨正常结构与功能的各种疾病(如痛风,软骨 钙质沉着)；,对透明软骨及周围组织的创伤(包括骨折；一个或一组 关节长期过劳,例如某些铸造,采煤,驾驶汽车等职业)。,机动

56、目录 上页 下页 返回 结束,骨关节炎生物力学因素,疲劳性磨损：反复受力作用，不仅产生胶原纤维断裂，而且也损耗了 软骨表面的蛋白多糖。骨畸形可增大软骨所承受的这种反复作用的应 力。,应力集中：由于关节骨折、脱位、髋臼发育异常、骨骺滑脱和疾病引 起结构异常，因支持负荷的面积减少而导致接触压力增大。骨坏死造 成骨质塌陷，导致出现致病性高负荷应力。,张应力破坏：关节畸形（例如膝外翻或膝内翻），使关节增加的负荷 不平衡，一侧分布大，最后软骨破坏。 异常作用力：可引起关节的内部紊乱。,关节面的相对挤压:造成关节软骨营养障碍，导致软骨细胞坏死。继 之发生基质蛋白多糖的损耗，经关节往返运动的压力和剪力，引起

57、软 骨退行性改变。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨关节炎软骨生物力学改变,关节软骨的压缩性能与软骨基质中蛋白多糖的数量成正 比，而张力性能与软骨胶原数量成正比。骨性关节炎关节 软骨的蠕变特性、弹性模量的测量结果与蛋白多糖含量接 近一致，略与胶原含量一致。,已经出现退变但看上去正常的软骨不随病情加重而变硬 （较软）。虽然骨性关节炎改变可出现局灶性分布，但退 变延伸到另一部位时的硬化征兆一般不明显。,蠕变特性的改变先于软骨纤维化之前。由于蠕变特性与蛋 白多糖浓度一致，所以蠕变特性改变是在蛋白多糖的损耗 之后出现的病理改变。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2020/9/17,162,H

58、ave a rest!,机动 目录 上页 下页 返回 结束,肌腱和韧带的组成和结构；,肌腱和韧带的生物力学性能；,肌腱和韧带的生物力学性能的,影响因素。,肌腱和韧带的生物力学,机动 目录 上页 下页 返回 结束,肌腱和韧带的组成和结构,肌腱和韧带是致密的结缔组织，主要由平行排列的 胶原纤维组成。,纤维母细胞占20%，细胞外基质占80%（其中水占 70%，固体物质占30%）。,固体物质中含胶原、基质和弹性蛋白。其中胶原占 75%。肌腱比韧带中胶原更多，肢体肌腱胶原占 99%。,胶原,肌腱和韧带中胶原分子由纤维母细胞合成。在细胞内的为 较大的前胶原，分泌到细胞外间隙，合成I型胶原。,大多数胶原分子含甘氨酸（33%）、脯氨酸（15%）和羟脯 氨酸（15%）。,肌腱和韧带中胶原纤维排列：肌腱的纤维为有序的平行排 列，使其能承受高度的单向拉张负荷；韧带的纤维不完全 平行，相互交织紧密结合，主要方向承受拉张负荷，其它 方向也可承受负荷。,肌腱和韧带中胶原的代谢可用羟脯氨酸或甘氨酸来测定。,弹性蛋白,肌腱和韧带内含有不同比例的弹性蛋白。,肌腱和肢体的韧带内弹性蛋白很少，但在有 弹性的韧带内，其比例占多数。弹性纤维与 胶原纤维的比例为2：1。,结构基质,肌腱和韧带内含有的基质主要有蛋白多糖大分 子（占固体物质的20%）、结构蛋白、血浆蛋 白和小分子。,蛋白多糖含有不同的硫化多糖链和核心