正文 第五章 骨傷科基礎研究新技術(二十一)(1 / 2)

三、骨骼的幾個材料力學特點

1.各向同性材料的各向同性是指材料特性不依賴於載荷的方向。一般說來,這種材料的內在結構小而且隨機分布。金屬、玻璃和塑料是各向同性材料,各向同性彈性材料僅有楊氏模量(Young modulus)E和泊鬆比μ兩個材料常數,一旦確定了這兩個常數,則此各向同性材料的彈性特性即得到明確。在實驗中,人們常用到其他一些模量概念,如剪切模量G、體積壓縮模量K、聚合模量H、剛性模量G或μ、拉梅係數λ或μ等,但所有這些模量都是相關的,一旦知道其中兩個,其他都可以按公式計算出來。

2.各向異性材料的各向異性是指材料特性依賴於載荷的方向。一般這類材料的內在結構大且可觀察,其尺寸與試件尺寸同一量級且按一定的方式排列。肌肉骨骼材料,如關節軟骨、骨鬆質、骨皮質、椎間盤、韌帶、半月板和肌腱都是各向異性材料。雖然也常使用表觀楊氏模量(apparent Young modulus)E和表觀泊鬆比μ來描述應力-應變關係(stressstrain relationships),但其特性需要多於兩個材料常數才能確定。實驗證明,除BMD外,骨鬆質的強度主要由骨小梁的排列方向(orientation)和特性決定。測量骨小梁的排列特性即小梁排列的各向異性(anisotropy),得到某骨髂部位的平均方向性(mean orientation)和平均各向異性(mean anisotropy)。

3.應變與應力骨與其他物體一樣,當受到外力作用後,或出現運動,或出現變形。任何物體承受力作用後,都會引起物體的變形,並改變原來的尺度(dimension),即出現物質內部任意點的變形。這種內力強度稱為應力(stress),由應力所引起的變形稱為應變(strain)。

4.彎曲物體彎曲時,同一物體內不同部位同時發生張應力及壓應力。彎曲時牽拉凸側使之變長,擠壓凹側使之縮短。介於凸側與凹側之間,既無牽拉,又無擠壓(即沒有長度的變化)。距中心軸越遠,應力越大,因為更多的材料不是被擠壓就是被牽拉。人們用三點彎曲試驗發現負重運動可促進骨的機械性能。

5.應力集中幾何構型結構上的缺陷,如截麵的突然改變、不連續性、裂縫、孔洞和其他結構的不規則性可能導致應力局部集中,如超過局部材料的極限強度即可導致局部材料的破壞。

四、骨傷科生物力學常用研究方法

(一)機械試驗方法

機械測量是最原始、最簡單的生物力學測量方法,該方法可以直接觀察被加載構件的受拉、壓、彎、剪、扭等力作用情況,常用於測量構件的位移。

1.骨的機械性能測試主要采用拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉的方法,測定其強度與剛度。

(1)拉伸試驗:拉伸試驗(tensile test)要求有較大的骨骼樣本,以便使兩端固定牢靠,可準確測試骨皮質和骨鬆質的生物力學性能。測量時,在骨骼樣本的中段夾上一個延長計以測量其應變量,而應力則等於作用外力除以樣本中段的橫切麵積。然而,骨的內在硬度與其外在硬度[即堅硬度(rigidity)]是不相同的。拉伸試驗中,骨的內在硬度等於楊氏模量(E),而外在硬度則等於E?A/L,式中A為樣本中段的橫切麵積,L為樣本的長度。顯然,外在硬度除取決於彈性,還取決於樣本長度。由於要求較大的骨骼樣本(其寬度至少達到8mm),因此拉伸試驗的應用明顯受到限製,特別是對骨鬆質的測試更是如此。