第二节　关节软骨生物力学

关节是人体中骨与骨可动连接的环节，是人体各部位活动杠杆的支点。关节的作用有：①保证人体的运动；②力的传递；③润滑作用。而关节软骨有其独特的力学性能，一般说来，它是一种各向异性的、非均匀的、具有黏弹性的、充满液体的可渗透物质。

一、软骨的负荷变形

关节软骨在承受压力（负荷）时会发生变形，并随时间变化变形加快，1小时后达到平衡。当压力消除后，原有的软骨厚度很快恢复。

二、渗透性

组织间液在流经软骨基质时，其输送机制主要有两种。第一种是组织间液体借助于组织两边液体的正压力梯度经过多孔的可渗透基质输送，液体的输送与压力梯度成正比（图1-3-2-1）。第二种是靠软骨基质的变形来输送液体（图1-3-2-2）。Mow通过实验证明，在增加压力发生变形时，健康软骨的渗透性大大降低。这样，关节软骨就阻止了所有的组织间液流出，这个生物力学调节系统与正常组织的营养需要、关节的润滑和承载能力、软骨组织的磨损程度有密切关系。

图1-3-2-1　软骨平均通透率测定实验（达西定律）

三、张力特性

软骨承受的张力负荷与关节软骨面相平行时，其硬度和强度与胶原纤维平行于张力方向排列的范围有密切关系，因为胶原纤维是抗张力的主要成分。随着关节表面距离的增加（图1-3-2-3），正常成人关节软骨的拉伸强度均降低，这使胶原蛋白密集的软骨表浅层对软骨组织起到一种坚韧耐磨的保护作用。

四、润滑作用

在工程学中有两种基本润滑类型，界面润滑和液膜润滑。在某些负荷条件下，关节内的滑液可作为关节软骨的界面润滑剂，而这种润滑能力与滑液的黏滞度无关。如果承力不重，且接触面的相对运动速度较高，关节可能采用第二种润滑机制——液膜润滑。

五、磨损

磨损分两个部分，即承载面之间相互作用引起的界面磨损和接受体变形引起的疲劳性磨损。如果两承载面接触，可因粘连或磨损而产生界面磨损。即使承载面润滑作用好，由于反复变形，承载面可发生疲劳性磨损。疲劳性磨损之所以发生，是由于材料反复受压而产生微小的损伤累积所致。

图1-3-2-2　关节软骨受压后软骨内液体随压力而改变，除相对接触面积增大外并保证关节的良好润滑

图1-3-2-3　关节软骨不同深度的应力-应变关系

六、关节软骨变性生物力学

关节软骨的修复和再生能力有限，如果承受应力太大，很快会出现全面破坏。可能与下列因素有关：①承受应力的量级；②承受应力峰值的总数；③胶原蛋白多糖基质的内部分子和细微结构。

应力的过度集中可导致软骨的衰竭，如先天性髋臼发育不良、关节内骨折、半月板切除后等都可导致总负荷增加和应力集中。