1、關于關節軟骨的生物力學第1頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四人體的關節分為纖維狀關節、軟骨質關節和滑膜關節三種類型。其中，僅滑膜關節亦稱為動關節，允許較大幅度的活動。在正常年輕關節內，動關節的關節骨末端覆蓋了一層厚1-6mm、致密且透明的白色結締組織，稱為透明關節軟骨。關節軟骨是一種十分特殊的組織，在一般人的壽命期內都可以無損地承擔高負荷關節運動。2022/10/42第2頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四但從生理學的角度上看，關節軟骨實際上是一種孤立的組織，沒有單獨的血液和淋巴供應。它主要依賴軟骨下骨組織提供軟骨下部近1/3的血供，其余依賴滑膜周圍毛

2、細血管的滲入。2022/10/43第3頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四動關節的關節軟骨的功能其主要功能是： 分散壓力。關節軟骨受壓時提供較大的接觸面以降低其上的壓力 關節面做動作時減少摩擦力，降低磨損。2022/10/44第4頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四關節軟骨的組成成分關節軟骨層結構的簡要圖解2022/10/45第5頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四關節軟骨的組成成分 膠原纖維 蛋白多糖 軟骨細胞 水分 顯微鏡下的關節軟骨2022/10/46第6頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四膠原纖維是體內含量

3、最豐富的蛋白。高度結構性的組織，可形成最佳的力學性能。膠原為關節軟骨提供一種纖維狀超微結構，這種膠原網和多水的糖蛋白一起，共同抵抗關節的應力和應變。2022/10/47第7頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四蛋白多糖蛋白多糖是一種蛋白多糖大分子,由核心蛋白附著了一個或多個粘多糖（硫酸角質素與硫酸軟骨素）組成。糖蛋白有一特殊部分與膠原密切相連，并把膠原纖維結合到一起。2022/10/48第8頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四一個蛋白多糖大分子的簡圖 洗瓶刷模型2022/10/49第9頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四軟骨細胞和水分軟

4、骨細胞2022/10/410第10頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四軟骨各成分間結構上的相互作用硫酸軟骨素與硫酸角質素鏈上相距很近的硫酸基和羧基團離子在生理PH溶液中被拉開，留下了高濃度的固定負電荷產生分子內與分子間的強電荷-電荷排斥力，使組織內保持一種挺而伸展的狀態。當軟骨面受力時，可發生瞬間變形，這主要是糖蛋白區的形狀改變所致，這種外加的應力使軟骨基質中的內壓超過了膨脹壓，引起液體從組織中外流。2022/10/411第11頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四軟骨各成分間結構上的相互作用2022/10/412第12頁，共29頁，2022年，5月20日

5、，14點1分，星期四軟骨各成分間結構上的相互作用2022/10/413第13頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四關節軟骨的生物學性質滲透性蠕變反應潤滑2022/10/414第14頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四關節軟骨的生物學性質 滲透性 表示液體流過多孔物質的固體基質時的摩擦阻力。滲透性越低，承載時液體流動阻力越大。與普通海綿的滲透性相比，健康軟骨的滲透性是很小的。隨著壓力和變形的增加，健康關節軟骨的滲透性大大降低。因此，關節軟骨具有一個機械反饋調節機制，阻止組織間液完全流出。 2022/10/415第15頁，共29頁，2022年，5月20日，14

6、點1分，星期四軟骨的蠕變反應 一個恒定的載荷瞬間施加于關節上，在載荷的作用下，軟骨的壓縮變形連續增加，直至獲得一個平穩狀態或近似值，這就是“蠕變”。2022/10/416第16頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四蠕變2022/10/417第17頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四界面潤滑潤滑：界面潤滑和液膜潤滑界面潤滑是依靠單層潤滑劑分子化學吸附到接觸的固體面上。作相對運動時，承載面受到互相滑動的潤滑劑分子保護，防止因表面粗糙發生的粘合和磨損。2022/10/418第18頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四液膜潤滑是一薄層的液膜將表面

7、與表面分開，加載時液膜內產生壓力支持載荷。液膜潤滑的兩種典型模型：工程學上定義為動態流體與擠壓液膜潤滑。這些模型應用于剛性承載面由相對不變形材料組成，如不銹鋼。2022/10/419第19頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四動態流體動態流體潤滑常發生于液膜潤滑的不平行的剛性承重表面，彼此相對切線運動（即彼此滑動），間隙內液體形成楔狀。由于承載運動吸引液體進入表面間的楔狀間隙，流體粘性產生一個支撐力。2022/10/420第20頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四擠壓液膜發生于承載表面彼此垂直運動，流體的粘性抵抗力起到阻止流體從間隙中溢出，且形成液膜，生成

8、支撐力。在短時間內，擠壓液膜機制足以承受高負載，但是，液膜最終會變得很薄，使得兩個承受面的凸起部分（定點）接觸。2022/10/421第21頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四動關節的潤滑作用機制軟骨的近似無摩擦屬性與人造材料不同。用于解釋剛性非滲透性材料（如鋼鐵）的潤滑作用的經典理論不能完全解釋動關節的潤滑作用機制。例如，當承受材料是非剛性的，而是相對柔軟的，如關節表面所覆蓋的關節軟骨，會產生液膜潤滑的動態流體滑膜模型與擠壓潤滑模型的不同。2022/10/422第22頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四相對柔軟的表面承受滑動（動態流體）或擠壓液膜作用，

9、且液膜內的壓力使得表面明顯變形，這時的銳化稱為彈性動態流體潤滑。這樣的潤滑增大了表面面積和一致性，改善了膜的幾何性質。承載接觸面積的增大減少潤滑劑從承載面之間流走，形成持續較長時間的潤滑劑膜，從而關節的應力降低而更持久。2022/10/423第23頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四軟骨變性的生物力學 關節軟骨的修復和再生能力有限，如果承受應力太大，可能很快發生完全破壞。高接觸壓力會減少液膜潤滑的可能性。固體表面凹凸不平點的接觸，可引起顯微應力點的集中，使這些關節面材料發生磨損。關節總載荷頻率和數量的增加，可以解釋為什么某些職業的人員關節變性的發生率高。2022/10/424第24頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四如足球運動員的膝關節，芭蕾舞演員的踝關節等。骨關節病也可以繼發于膠原蛋白-糖蛋白基質的分子或微觀結構損傷，如類風濕性關節炎等。 2022/10/425第25頁，共29頁，2022年，5月20日，14點1分，星期四2022/10/426第26頁，共29頁，2