1、第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),1,哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 材料物理與化學(xué) 二OO六年十月,醫(yī)用材料生物學(xué)基礎(chǔ),第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),2,第二章 醫(yī)用植入材料生物環(huán)境,一、生命體系結(jié)構(gòu)、人體組織與器官 二、細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能 三、人體血液與組織液系統(tǒng) 四、人體骨骼系統(tǒng)與骨組織生物力學(xué) 五、人體免疫系統(tǒng)與免疫細(xì)胞,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),3,四、人體骨骼系統(tǒng)與骨組織生物力學(xué),骨的形態(tài)、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 骨的形態(tài) 骨的構(gòu)造: 骨膜/骨質(zhì)/骨髓 骨的顯微結(jié)構(gòu) 骨的化學(xué)成分與物理性質(zhì) 骨骼及其力學(xué)性質(zhì) 骨折修復(fù)期 關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu),第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨

2、組織生物力學(xué),4,骨的形態(tài),成人全身骨約占體重的20，206塊。 形態(tài)多樣，分為四類(lèi)： 長(zhǎng)骨：主要分布于四肢，起支持和杠桿作用； 長(zhǎng)骨中間部為骨干，呈長(zhǎng)管狀，骨干 內(nèi)空腔為骨髓腔，兩端膨大，為骺。 如肱骨。 短骨：形似立方形，多分布于既能承受壓力 又能活動(dòng)的部位，如手的腕骨和足的 跗骨；,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),5,骨的形態(tài),成人全身骨約占體重的20，206塊。 形態(tài)多樣，分為四類(lèi)： 扁骨：呈板狀，富有較大的彈性和堅(jiān)固性， 圍成空腔對(duì)腔內(nèi)器官起保護(hù)作用， 如頂骨、枕骨等； 不規(guī)則骨：形狀不規(guī)則，如椎骨、蝶骨。,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),6,胸骨劍突,骶骨,

3、髖骨,尾骨,股骨,腓骨,顱骨,頸椎,肩胛骨,胸骨,胸椎,肱骨,腰椎,腕骨,掌骨,指骨,尺骨,橈骨,髕骨,脛骨,跗骨,趾骨,骨,跟骨,腓骨,股骨,尾骨,肋骨,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),7,骨的構(gòu)造: 骨膜/骨質(zhì)/骨髓,骨膜：緊貼在除關(guān)節(jié)面以外的骨表面的一層致密纖維結(jié)締組織膜，很堅(jiān)韌，分為內(nèi)外兩層。內(nèi)層中有一些細(xì)胞可分化為成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。 骨膜內(nèi)含有豐富的血管和神經(jīng)，對(duì)骨起營(yíng)養(yǎng)作用。,骨由骨膜、骨質(zhì)和骨髓構(gòu)成，有豐富的血管和神經(jīng)?；铙w內(nèi)的每一塊骨都是一個(gè)活的器官。,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),8,骨的構(gòu)造: 骨膜/骨質(zhì)/骨髓,骨膜： 骨膜內(nèi)的成骨細(xì)胞在生長(zhǎng)發(fā)育

4、期能形成新骨，使骨長(zhǎng)粗。成年以后則處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，但在骨折時(shí)，成骨細(xì)胞可再增生活動(dòng)，促進(jìn)骨的愈合。 骨膜內(nèi)的破骨細(xì)胞能破壞骨質(zhì)。 成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞對(duì)骨的發(fā)生、生長(zhǎng)改造、修復(fù)起著重要作用。,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),9,骨的構(gòu)造:骨膜/骨質(zhì)/骨髓,骨質(zhì)： 分骨密質(zhì)和骨松質(zhì)兩類(lèi)。,骨密質(zhì)： 在骨的表面，由層層緊密排列的骨板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，抗壓、抗扭曲力強(qiáng)。,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),10,骨的構(gòu)造:骨膜/骨質(zhì)/骨髓,骨松質(zhì)：骨松質(zhì)在骨密質(zhì)的內(nèi)面，結(jié)構(gòu)疏松，彈性較大，由許多片狀的骨小梁交織排列而成。 呈蜂窩狀，骨小梁與壓力的傳遞方向一致，能承受很大的壓力。

5、,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),11,骨的構(gòu)造: 骨膜/骨質(zhì)/骨髓,骨密質(zhì)和骨松質(zhì)的分布： 長(zhǎng)骨骨干： 有很厚的骨密質(zhì)，骨干 中央為骨髓腔。 長(zhǎng)骨骨骺及短骨： 表面有一層薄的骨密 質(zhì)，中央為骨松質(zhì)。 扁骨： 內(nèi)外表面都是骨密質(zhì)形 成的骨板，中央為骨松質(zhì),Macroscopic structure,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),12,骨的構(gòu)造: 骨膜/骨質(zhì)/骨髓,在胎兒和幼兒時(shí)期全部都是紅骨髓，具有造血功能。隨著年齡的增長(zhǎng)(約57歲)，骨髓腔中的紅骨髓逐漸被脂肪組織所代替，顏色變黃稱(chēng)為黃骨髓，失去造血功能。但當(dāng)大失血或嚴(yán)重貧血時(shí)，黃骨髓可再轉(zhuǎn)變?yōu)榧t骨髓，恢復(fù)造血功能。

6、 在骨骺、短骨及扁骨的骨松質(zhì)內(nèi)的紅骨髓終生保持造血功能。,骨髓：充填于骨髓腔和骨松質(zhì)的網(wǎng)眼內(nèi)。,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),13,的顯微結(jié)構(gòu),作用：骨組織與軟骨組織均屬于具有支持和保護(hù)作用的結(jié)締組織。,骨質(zhì)、骨膜（血管、神經(jīng)）、骨髓,骨組織,骨細(xì)胞：多突起，位于骨陷窩內(nèi)，埋藏 在固體狀態(tài)基質(zhì)中 基質(zhì)：基質(zhì)和纖維排列成緊密的骨板。 具有一定的形狀和強(qiáng)大的堅(jiān)韌性 和彈性。,軟骨組織 骨組織,透明軟骨、彈力軟骨和纖維軟骨,骨,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),14,Microscopic structure of bone,中央管,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué)

7、,15,骨的化學(xué)成分與物理性質(zhì),無(wú)機(jī)物,堿性磷酸鈣為主的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)、碳酸鈣等。 作用：使骨挺硬堅(jiān)實(shí)。,有機(jī)物,大量排列規(guī)則的骨膠原纖維束和粘多糖蛋白 作用：作為骨支架，賦予骨彈性和韌性， 使骨具有基本形態(tài)。,骨的可塑性：在生長(zhǎng)、發(fā)育過(guò)程中，由于各 種條件的影響使得骨的形態(tài)有所改變。 骨的粘彈性：在外力作用下，骨產(chǎn)生的形變 與時(shí)間相關(guān)。,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),16,Bone is a two-phase composite material with organic (flexible) and inorganic (rigid) components,Components

8、of Bone,Components of bone (wt%),第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),17,骨骼及其力學(xué)性質(zhì),骨骼：是人體的支架，運(yùn)動(dòng)的支撐。,力學(xué)性質(zhì)： 極限強(qiáng)度： 抗張強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度 彎曲強(qiáng)度 剛度： 彈性模量： 韌性： 應(yīng)力應(yīng)變曲線：,在此 施加 壓力,在此 拉伸,體重的著力點(diǎn),人 體 股 骨 的 應(yīng) 力 分 布,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),18,Properties of Cortical vs. Cancellous Bone,STRESS,Stiffer, withstands greater stress,CORTICAL 皮質(zhì)骨 骨松質(zhì)C

9、ANCELLOUS,Greater Area: Absorbs more Energy,Physiological Region,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),19,骨骼及其力學(xué)性質(zhì),成人濕潤(rùn)密質(zhì)骨試件的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線（ 圖）,=117Mpa ,橈骨,腓骨,肱骨=117Mpa =1.5%,線彈性,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),20,骨骼及其力學(xué)性質(zhì)（極限壓縮強(qiáng)度和壓縮率）,股骨,切向顱骨,徑向顱骨,椎骨,骨試件壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（ 圖）,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),21,骨骼及其力學(xué)性質(zhì),第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),22,新鮮成人密質(zhì)

10、骨彎曲強(qiáng)度均值,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),23,Load-Deformation curves of several materials,LOAD,STEEP = STIFF,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),24,骨折愈合,骨組織再生能力強(qiáng)，可完全愈合。 長(zhǎng)骨單純性骨折愈合分三期： 血腫的形成與急性炎癥期 修復(fù)期 重建期,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),25,骨折修復(fù)期,血腫的形成與急性炎癥期：,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),26,骨折修復(fù)期,1、血腫的形成：,血腫,軟組織損傷、血管破裂,骨折,巨噬細(xì)胞、血小板、血細(xì)胞,生化反應(yīng),毛細(xì)血管

11、通透性,纖維蛋白原,不溶纖維蛋白素,凝血因子：凝血酶、血小板、 鈣,纖維網(wǎng)架,纖維細(xì)胞,膠原、骨基質(zhì),骨折處肉芽組織,入侵細(xì)胞、毛細(xì)血管增生 使血塊吸收，形成,收集入侵細(xì)胞,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),27,骨折修復(fù)期,2、纖維骨痂的形成：,肉芽組織,骨內(nèi)膜成骨細(xì)胞 骨髓內(nèi),軟骨質(zhì),骨小梁,骨外膜內(nèi)層骨細(xì)胞,成軟骨細(xì)胞,骨外膜軟骨,3、骨痂改建期： 成骨細(xì)胞 破骨細(xì)胞 骨移除和骨代替,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),28,關(guān)節(jié)的基本結(jié)構(gòu)：關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)囊、關(guān)節(jié)腔,脛骨,半月板,關(guān)節(jié)軟骨,大腿骨,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),29,關(guān)節(jié)的基本結(jié)構(gòu)：關(guān)節(jié)面、

12、關(guān)節(jié)囊、關(guān)節(jié)腔,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),30,關(guān)節(jié)的基本結(jié)構(gòu),articular cartilage:關(guān)節(jié)軟骨 減少骨面間的摩擦并緩沖撞擊，增加關(guān)節(jié)的靈活性。,Meniscus：半月板 增加關(guān)節(jié)的彈性，減少骨面的沖擊和振蕩，使兩骨 關(guān)節(jié)面互相適應(yīng)，有利于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。,關(guān)節(jié)囊：纖維層：與骨膜相續(xù)，增厚則形成韌帶。 滑膜層：薄而光滑，襯于纖維層內(nèi)面，附著于 關(guān)節(jié)軟骨的邊緣，含有豐富的血管和 淋巴管，分泌少量滑液，潤(rùn)滑關(guān)節(jié)面 和關(guān)節(jié)軟骨，同時(shí)具有吸收作用。,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),31,第二章 醫(yī)用植入材料生物環(huán)境,一、生命體系結(jié)構(gòu)、人體組織與器官 二、細(xì)胞結(jié)構(gòu)

13、與功能 三、人體血液與組織液系統(tǒng) 四、人體骨骼系統(tǒng)與骨組織生物力學(xué) 五、人體免疫系統(tǒng)與免疫細(xì)胞,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),32,五、人體免疫系統(tǒng)與免疫細(xì)胞,免疫 人體免疫系統(tǒng) 淋巴細(xì)胞 吞噬細(xì)胞,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),33,人體免疫系統(tǒng)免疫 immunity：,免疫一詞來(lái)源于拉丁文，原意指古代羅馬元老院的元老們?cè)诼毱陂g可以免除各種公民的義務(wù)和法律起訴。 歷史上免疫是指機(jī)體不得疾病，尤其是不得傳染性疾病。 實(shí)際上，針對(duì)傳染性疾病的防御機(jī)制也參與機(jī)體對(duì)非感染性外源物質(zhì)的應(yīng)答，即對(duì)外源性物質(zhì)的反應(yīng)。這些防御機(jī)制保護(hù)機(jī)體不受傳染，清除引起組織損傷和疾病的外源性物

14、質(zhì)。,免疫：機(jī)體對(duì)入侵異物的識(shí)別、排除和消滅的過(guò)程。,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),34,人體免疫系統(tǒng),1、非特異性免疫（先天免疫）： 對(duì)許多病原微生物具有防御作用，不需要依賴(lài)任何一種特殊微生物刺激的影響。 皮膚、粘膜阻止病原微生物入侵的屏障作用； 表面分泌物的殺菌作用； 吞噬細(xì)胞的吞噬作用等。,免疫 immunity：,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),35,人體免疫系統(tǒng),2、特異性免疫（適應(yīng)性免疫、獲得性免疫）,免疫 immunity,機(jī)體通過(guò)隱性感染、傳染病或預(yù)防接種等方式，使病原微生物與免疫細(xì)胞接觸后，所獲得的防御機(jī)能，僅針對(duì)某一特定的病原微生物（特異抗原）發(fā)揮

15、作用。,種牛痘、打預(yù)防針。,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),36,人體免疫系統(tǒng)免疫系統(tǒng),由淋巴器官和淋巴組織組成，在功能上， 由各種免疫細(xì)胞協(xié)同作用完成。,淋巴器官,中樞淋巴器官：脊髓、胸腺,外周淋巴器官：淋巴結(jié)、脾、扁桃體,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),37,中樞淋巴器官： 脊髓（B細(xì)胞）、胸腺（T細(xì)胞） 執(zhí)行生成免疫細(xì)胞的功能，多功能造血干細(xì) 胞在此發(fā)育成為B和T淋巴細(xì)胞。 外周淋巴器官： 淋巴結(jié)、脾、扁桃體等 成熟免疫細(xì)胞在此執(zhí)行應(yīng)答功能，隨血流轉(zhuǎn) 移到此的淋巴細(xì)胞與某種抗原接觸后，分化、增 殖成為具有免疫功能的細(xì)胞。,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),38,返回,淋 巴 器 官,第二章 生物環(huán)境,四、骨骼與骨組織生物力學(xué),39,淋巴細(xì)胞,胸腺依賴(lài)淋巴細(xì)胞：T細(xì)胞（記憶、效應(yīng)T細(xì)胞） 脊髓依賴(lài)淋巴細(xì)胞：B細(xì)胞 殺傷性淋巴細(xì)胞：K細(xì)胞 存在于