荷．护毅，

力调

张力一If 一压缩力

圈8 一10 鸯矩
弯矩《 M ）是张力〔 T ｝与压缩力（C 〕 这一对力倪共同作用的结果。夸由的顶点是张力和压缩力最大的部位，同时也是产生最大极化的区城

的意义。例如，骨的破骨吸收活动很有特点，它是沿着骨骼的长轴方向发生，而非正常方向。在某些情况下，胶原束是从其末段消除而非从一侧消除。这种行为与胶原上的电荷及其分布有关。在胶原末端重吸收的过程中，带有负电荷的破骨细胞膜更容易枯附到带有正电荷的胶原纤维末端，从而形成了胶原纤维的非矿物质性末端，充填于磷灰石的中性或带负电荷的一侧。
现已证明骨愈合过程中，骨折处的成骨和破骨活动可迅速改变骨的结构。C 议dhaber 于I % 6 年通过电影摄片制作技术记录了一个简单的骨小梁在完全破坏后的24 小时内按新的走行重建的过程。这是由一个不平衡的载荷所造成一个不平衡或非对称性的应力作用于骨骼而引起的。实验已经证明，椎骨的载荷系统与皮质骨的理论系数相适应。椎骨主要是由松质骨构成，皮质骨和松质骨具有基本相同的功能。通常认为每块骨都有其主要的结构功能。骨的结构性功能是抵阻轴向应力( R ）和弯矩（M ) （图8 一10 ）。骨的轴向应力（R ）和弯矩（M ）作用是与时间相关的。因而，对于非对称轴向应力（R ）和弯矩( M ）的反应，骨的再塑形也是随着时间的变化而有所不同。骨一190 一

的再塑形程度与椎骨所承受的非对称性应力的作用时间成正比。
以下面内容表明：轴向应力、弯矩和能够引起骨再塑形的压电电荷都是相互联系的。进一步讲，假如脊柱的生物力学机制没有到达严格的临界状态，最大的非对称性应力将伴随着压电现象而出现在张力一压力点的顶峰处。这些电场通过SGP 一Wolff ' s 定律而成为骨再塑形的扳机点，不过这仍属于神经电干扰的范畴。
推骨依赖其先天性的构造来抵抗各种应力的作用。从本质上讲，椎骨几乎全部是由松质骨构成（呈网状结构的松质骨），只是其外部包裹着一层坚硬的骨外壳。扫描电镜（SEM ）显示椎骨骨小梁的形态呈片杆状结构（图8 一na ) ，也有人称之为束样结构（图8 一1 lb ）。椎骨的骨小梁依据力线的作用方向而呈3 个方向的排列（图8 一12 ）。由于椎骨的轴向应力最大，因此在垂直方向上的骨小梁最为坚硬。骨小梁依正常应力的轨迹方向（轴心力）而排列，以发挥其最大的生物学功能。也就是说80 ％的椎骨表面载荷是通过其骨小梁传递的。呈水平走行的骨小梁起着侧方支架的作用（见图8 一n 和图8 一12 ) ，以防呈垂直状的骨小梁弯曲变形。同样如图8 一n 所示，垂直的骨小梁也并非笔直；当真的出现这种情况，那么任何轴向载荷都可使脊椎的弯矩增加。这种弯矩可大大地增加外力作用于骨骼上所产生的各种应力。

a ．辅向作用力（载荷）

冬寻冬

圈8 一11a 推骨的骨小梁椎骨的骨小梁呈细小的杆状结构．是抵抗强大的由上至下的抽向应作用力（R ）方面t 为坚硬的组织结构

圈名一1 lb ．小梁的束样结构骨小粱的功能类似于屋架。这种束样结构的作用在于将作用于椎骨各个面上的力盘均匀地分散开来

从机械学上讲，骨骼的组成不仅包括弯矩、压力和张力这一对力偶，而且还包括应力和应变。应力的定义是作用于单位面积上力的比率。如果是一个拉力，那么它就是一个拉应力，或如果是一个作用于末端的挤压力，那么它就是一个压应力。拉应力和压应力也被称为是正常应力，因为这种分散外力垂直地作用于受力面上。如果受力面呈倾斜状，那么作用于骨骼上的应力将被分解为两部分，一是正常应力（凡／A ) ；另一个是切线应力或称为剪力（Ft / N ）。
另一方面，如果骨干的形态发生了变化，则称之为应变。应变可以作为一个衡量骨骼变形程度的尺度。在骨骼中，应变性改变很少超过0 . 03 或说3 ％。如果骨骼的长度发生了改变，即指拉应变（阳性改变）或压应变（阴性改变）。剪切应变的定义是：当加载后，骨骼相邻界面间的角度从90 度变至日角，以测量弧度的变化。
应力与相应应变的比率被称作弹性模量。研究发现，假如没有被超过待测物质的弹钱极限，那么这一比率将是恒定的。应力与应变的线性关系被称作H 印k 。定律。弹性以Young 模一191 一

图8 一12 骨小染的类型根据稚骨上3 条主要力线的走向，可以将细杆状结构的骨小梁分为3 种类型。这3 种力线包括：① 轴向力线（垂直方向）；② 水平力线．沦附着在横突上肌肉的牵拉方向走行；③ 斜行力线．肌肉辛拉棘突以及小关节突的斜行走行。上图表示椎骨的矢状面．显示了垂直方向上最为坚强的骨小梁。这一矢状图退显示了呈扇形形分布的斜行骨小梁。垂直骨小梁的走行是上下方向．而斜行骨小梁则起自椎休，向上下关节突和棘突的方向走行。本图未显示次要的骨小梁。下图是冠状面的示图，以显示呈水平方向走行的骨小梁。这3 组骨小梁显示了椎骨对来自3 个方向上作用力的最大抵杭。在椎体的前方有1 个三角形的力学薄弱点．该处缺少抖行骨小梁。这一力学薄弱伏是发生推体骨折的最常见部位

量来表示，其内容是拉应力与应变的比率以及压应力与应变的比值相等。椎体（如松质骨）的弹性模量一般是在2 . 2 丫105 至3 . 5 又10 三ps 之间。
椎骨网状结构的功能是抵抗轴向应力（R ) （载荷）和弯矩（M ）。宏观上，作用力是通过骨小梁传递，而在微观上，作用力是通过骨小梁中原子的聚集而传递的。骨骼对所加载弯矩的抵抗能力，取决于这种物质的弹性模量。弯矩使得骨内产生应力或应变梯度。载荷应力使得骨骼发生变形。正是这种变形和粘合力的破坏使得骨骼内出现极化，即所谓的以卫弋
前面已经对骨小梁的力学意义进行了介绍。为了更全面地了解骨骼的机械力学特征，需要对胶原的结构和功能特性作一了解。
骨骼的主要构成物质是胶原，胶原是一种蛋白质。Athen 咖edt 指出作为极性大分子物质的胶原，在椎骨中呈轴向排列（图8 一13 ）。因而胶原就构成了在椎骨纵轴

圈8 一13 胶原的走行椎体中的胶原沿纵向走行

（长轴）方向上可测得的极化成分（图8 一14 ）。氏义减t 认为胶原走行的方向很可能只是骨骼轴向上的一个平均值。有研究表明，不同形状骨骼中的胶原走行的确有其规律性。各个方向上的矢量总和与Athen 鱿龄dt 发现的排列方向相一致（图8 一巧）。
骨胶原的走行为骨骼中的其它物质确定了方向。同样，骨的哈佛氏系统方向也与这些骨胶原的方向一致。一些研究人员对胶原走行、所施加的应力与压电现象之间的关系进行了研究。在应力作用下的骨骼上电荷与该应力的大小成正比。应力作用下在胶原纤维形成平均角时所测得的电荷也是很重要的。当轴向应力与相关胶原的方向呈『角时，网状压电荷累加至0 。当轴向应力为。，时，在胶原纤维之间无剪力存在，因而也就检测不到极化现象。根据Gjd - sivick 的研究结果，当轴向应力与胶原的方向平行时，轴向应力是系统中主要的应力。在诸如

行走、跑步、端坐等日常活动中，作用于骨骼各个部分的应力随着时间的变化而发生改变。在

这些情况下，机体主要应力系统是处于平衡状态，虽然张力与压力之间的平均应力可能发生改

变。由于极化时是处于平衡状态（0 ) ，因此在主要应力系统作用下的骨骼不会发生再塑形。

主要应力系统使得应力与骨小梁的方向一致。另一方面，
一192 一
如果应力作用的方向与胶原的

圈8 一14 稚．的极化
胶原的偶极是由推骨的极化模式所决定。示意图中能头所指是一组头部带正电，而尾部带负电舫偶极。前纵韧带、后纵韧带和椎间盘的分子极化模式终生不变。而推骨的极化模式在成年正好相反。该棋式图描述的是成人椎骨的极化模式。硬根据