| 单词 | 骨力学 |
| 释义 | 【骨力学】 以骨骼为对象研究骨的机械运动规律的科学。是力学与生物学、生理学、解剖学、临床医学等有关学科结合而成的一门崭新的生物力学分支。其主要目的是剖析骨和骨骼系统的力学性质，揭示骨骼生长、发育、畸形、衰退和死亡与力作用之间的相互关系，给出生命科学中这类力学问题的定量分析，为预防骨损伤、诊断治疗骨科疾病，进行骨矫形、骨移植、人工关节、假体等提供理论基础。骨力学主要研究内容包括骨的力学特性，骨的微观结构与宏观力学效应的关系，骨的耦合力学效应，骨的生长与断裂的力学问题以及骨骼生长的控制论等。 1638年，伽利略首先发现施加载荷与骨形态之间的关系。1892年，沃尔夫(J．Wolff)在总结前人工作结果的基础上发表了著名的《骨转化的定律》，指出了骨的功能适应性基本规律。后由于生物运动学的兴起以及20世纪中期以后，在医学和生物学的发展中日益广泛地涉及众多的力学问题，作为生物力学的一个分支骨生物力学在20世纪60年代开始形成。骨生物力学研究的问题相当广泛。目前研究较集中的有下述几方面。骨对应力的适应性 它是生物力学的前沿，对该课题的研究仍处于初始阶段，研究较多的是骨的生长、愈合与应力的关系，骨生长与重建的控制机理。骨的功能适应性。沃尔夫认为骨的外部形态和内部结构反映其功能。这已为60～70年代的动物实验与为宇航需要所进行的临床观测所证实。骨的生长与应力的关系。应力－应变对骨的改变、生长和吸收起着调节作用，应力不足或过大都会使骨萎缩。1973年，波韦尔斯(F．Pauwels)认为骨存在一个最佳的合适应力范围。在容许应力的上限和下限范围内，当实际应力大于最优值时，骨重建占优势；反之，则骨再吸收占优势。在研究骨的重建与应力定量关系的同时，也在进行着应力引起骨重建机理的探讨。压电效应已被视作骨感受应力而引起重建的重要因素，富克达(E．Fulada)(1957，1968)首先发现骨的压电效应，并在测量骨和骨胶原的压电矩阵时，证实骨产生的电场能影响骨重建。巴塞特(C．A．L．Basset)等以一金属板埋植于活骨的附近，板上的负电荷能透导新骨材料沉淀于电极上。贝克尔(R．O．Becker)与默里(D．G．Murray)报导了电场能激活蛙的成骨细胞组织的蛋白质合成和邻近胶原蛋白的电场能使纤维沿与力线垂直方向排列。体外实验也证明，在电场持续作用下，成纤维细胞DNA合成增加，并大量合成胶原。研究结果表明，电场可刺激骨细胞的活动。骨中的骨盐、胶原和水分子都显示不同压电性，但已证明骨中的胶原是骨压电电位主要来源。除去压电机制假说外，还有“半导体机制”、“胶原的应力自发极化”、“流动电流”等假说。但骨对电位信号所触发的重建机制或组合机制尚未清楚，需作更多的研究。适应其功能的骨结构。在力学中，骨被描述为由不同固相和流体相物质构成的一种复合材料。骨的受力十分复杂，但它总是以最优化的外表形态和内部结构适应其功能的需要。鲁(W．Roux)在阐述“功能适应性原理”的同时，提出了骨的最大－最小设计原理，即骨以最少骨材料，获得最大的骨强度。他还认为松质骨代表轨迹结构，即骨只在力的传递路径上分布材料，其它地方则为空部。波尔韦斯证明了这种海绵骨的结构确为轨迹式。奇默(W．K．F．Kummer)1972年提出的人股骨三维结构的系统理论模型与骨的实际骨结构相比较是十分接近的。骨折治疗的研究 骨折治疗一般分为3个步骤：整复、固定和功能锻炼。稳定的固定是提高骨折愈合的关键，目前有多种骨折固定方法，但总的原则是，一个良好的固定装置必须能维持复位的效果，使骨折端与器械形成一个几何不变体系，同时对骨正常功能所承受的力学状态干扰较小；另一方面固定期正是骨的修复阶段，骨的修复是在一个开放的反馈控制之中，按功能理论进行的修复过程。骨所处的外部环境将做为一种信息输入反馈系统，不断调整骨的修复。但固定方法和手段必须考虑到骨的修复与重建的需要。脊推生物力学 脊椎是人体中主要受力结构，脊椎的损伤和许多疾患都与它的受力情况相关联。脊椎病的力学解释、治疗原则以及研究治疗脊椎疾病的各种装置等都依赖于生物力学的研究。脊椎结构十分复杂，对椎骨、椎间盘、韧带等脊柱元件已作了部分研究，并得到具有理论意义和临床价值的成果。关节生物力学 形成关节疾病的原因多是由于畸形、超出生理状态的载荷和其它环境的影响。分析关节运动，了解关节瞬时转动中心、肌肉活动的起止点、作用于关节面上力的大小及方向、关节面的承压能力、关节面的滑润机制、软骨的应力松弛函数以及与伸长率的关系等，都是关节生物力学所要研究的课题。关节生物力学的研究是分析关节疾病的成因、提出治疗方案和预防措施的有效手段，也是设计关节医疗器械、假体和人工关节的理论依据。人工关节中目前只有一部分金属、塑料和陶瓷材料被应用，1960年以来碳质材料开始应用于医学研究。骨的力学性质 骨作为一种生物材料，其力学性质与骨材料及其结构密切相关。骨是一种多相、层状、不连续、复合结构的粘弹性组织。目前还不能建立包含所有力学特征的本构关系，而是借助于工程材料力学理论，以近似方法描述骨的力学性质。根据实验建立的骨的本构关系，其中最简单的是理想弹性体模型，后来的骨的粘弹性体模型，以及可描述骨和软骨在正常应变条件下应力松弛现象的麦克斯韦模型与可描述蠕变性质的佛克脱模型。目前虽对股骨和膝关节的冲击响应和耐受性已有了相当的了解，但对其他关节的资料仍然缺少，而高应变率下软组织和骨的损伤仍是目前研究的焦点。借助工程材料的力学理论，以近似描述骨的力学性质是一种可取的方法，但从生物力学观点，应建立更准确的力学模型。【参考文献】：1 Basset C A L，pawlick R J．Nature，1964，204：652～6532 戴克刚，鞠烽炽译．生物力学．长沙：湖南科学技术出版社，1986．435～4683 顾志华，高瑞亭．骨伤生物力学基础．天津：天津大学出版社，1990．223～230(孙运悫撰) |
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