骨的生物力学行为

骨在力和力矩影响下的机械行为取决于其机械性能、几何特性、施加负荷的形式、负荷速度和负荷频率。

（一）不同负荷模式下的骨行为

力和力矩可通过拉、压、剪切、弯曲、扭转和复合载荷等不同形式施加于骨上（图3-6），骨也会因此在内部产生不同的应变效应，并对外表现出不同的状态。

1. 拉力负荷

骨在拉力负荷下，结构将伸长和变细。在显微状态下，骨组织在拉伸负荷下破坏的机理主要为结合线的分离和骨单位的脱离。因拉伸负荷而引起的骨折往往发生于富有松质骨的部位。例如第五跖骨基底骨折发生于腓骨短肌连接处的附近，跟骨拉伸性骨折发生于跟腱附着处的附近。如小腿三头肌的强力收缩对跟骨产生异常高的拉伸负荷，使跟骨出现撕脱性骨折（图3-7）。

2. 压缩负荷

在压缩负荷下，骨结构缩短而增粗。骨受压缩负荷下破坏的机理主要是骨单位的斜形劈裂（图3-8）。关节周围肌肉异常强力收缩可造成关节的压缩性骨折。压缩骨折通常见于受到高强度压缩力的椎骨。图3-9显示人椎体受压后出现高度降低和宽度增加。

3. 剪切负荷

剪切力作用于与力方向平行的物体切面上。骨在受剪切负荷时，结构内平面上的直角会变为钝角或锐角。骨在承受拉伸或压缩压负荷时，结构内部的斜面上也会受到剪切应力的作用。剪切骨折最多见于松质骨，如股骨髁骨折及胫骨平台的骨折（图3-10）。

4.弯曲负荷

骨在受弯曲负荷时，凸侧受拉伸负荷，凹侧则受压缩负荷，中性轴处则无负荷和形变。骨弯曲时受到的压缩或拉伸负荷与离骨中性轴的距离呈正比。离中性轴越远，负荷就越大。

5. 扭转负荷

载荷加于骨上使其沿轴线产生扭曲时，即形成扭转。扭转引起的骨折是螺旋骨折，骨折面为45°螺旋型。由于骨的形状不规则，受力不均匀，断裂时可同时出现几个螺旋型断口，因而多数骨是螺旋形粉碎骨折。如投掷动作过程中，肩关节周围肌肉使上臂内旋的力矩与投掷物惯性力对肱骨的力矩方向相反，当运动员开始内旋上臂向前投掷时，肱骨可能受到过大的扭转负荷而产生螺旋型骨折（图3-14）。

6. 复合负荷

虽然每种负荷形式分别独立存在，但是活体骨很少只受到一种力的作用。活体骨的受力情况比较复杂，这主要有两个原因：骨持续受到多种不确定性的负载；骨的几何结构是不规则的。通过测量成人在行走和慢跑时胫骨前内侧面的应变量证实，在这些常见的生理活动中胫骨受到的力非常复杂，在一个步态周期的不同阶段会受到不同的应力负荷。

图3-15显示成人皮质骨标本在挤压、拉张和剪切下测试时所表现的终极应力。阴影区表明成人松质骨的终极应力。松质骨密度只有皮质骨的35%，但应力远小于皮质骨。

（二）肌肉活动对骨内应力分布的影响

骨骼在体内受载时，附着于骨骼的肌肉收缩可改变骨骼的应力分布。肌肉收缩所产生的压应力，与部分或全部拉应力相抵，从而降低或消除加于骨骼上的拉应力。 例如当滑雪者向前摔倒时，胫骨受到了弯矩的作用，在胫骨后侧产生了很高的拉伸应力，胫骨前侧则产生了很高的压缩应力

（图3-16）。而小腿三头肌的收缩在胫骨的后侧产生了很强的压应力，这样就抵消了胫骨后侧大量的拉伸应力，从而避免了胫骨在张应力作用下发生骨折。这种收缩也会造成胫骨前侧产生更大的压应力。成熟的骨往往能够承受这种压应力，但未成熟骨的强度较低，在压应力作用下往往会发生骨折。

（三）疲劳性骨折

骨折可由一次超过骨极限强度的负荷引起，也可由反复出现的较低负荷引起。由于重复作用的较低负载引起的骨折称为疲劳性骨折，又叫应力性骨折、新兵骨折、慢性骨折等。对活骨的反复负荷，疲劳损伤的进程不仅取决于负荷的大小和反复次数，同时也取决于在一定时间内施行负荷的次数，即负荷频率。另外，负荷的形式、骨本身的力学强度、肌肉疲劳的程度和骨的局部解剖结构也是影响骨疲劳性损伤的因素。体内骨具有自我修复能力，只有在骨重建不足以弥补骨疲劳损伤时才发生疲劳骨折——也就是说频繁的负荷妨碍了骨为防止骨折所进行的重建活动。

疲劳性骨折往往发生在持续过度活动的部位，这种持续过度活动使肌肉疲劳，收缩乏力，导致他们吸收震荡和抵消应力的能力大大减弱。随之发生的骨应力分布变化使骨受到的应力异常增高，疲劳损伤逐渐积累，最终导致骨折。骨折可发生在张力侧，也可以发生在压力侧，或者两侧均发生骨折。张力侧骨折导致横断骨折，骨很快发生完全性骨折。压力侧疲劳骨折发生比较缓慢，不容易妨碍骨的重建活动，因此不太会发生完全骨折。肌肉疲劳引起下肢疲劳性骨折的基本机制见图3-19。