关节软骨的力学性能揭示-《简明运动生物力学》

1.关节软骨的解剖学结构及组成

关节软骨朝向关节腔的面甚为光滑,便于骨与骨之间的运动。软骨本身具有弹性,能缓冲相连骨之间在走、跳及其他运动时的震动和冲击。此外,软骨的弹性及其变形能力,对增加关节活动性也有影响。运动训练可以使关节软骨的厚度增加。通过训练可加强软骨的可压缩性,以保证关节软骨面在不适应情况下有较大的代偿作用。关节软骨接触面积可以增加,当受到应力时,单位面积受到的力量就能降低。在生理上,关节软骨既无神经又无血管,它的营养主要由滑液和关节囊滑膜层周围的毛细血管供应。在胶原纤维之间,分布着软骨细胞,软骨细胞由浅层向深层逐渐由扁平样至椭圆或圆形的细胞构成,这些软骨细胞维持关节软骨的正常代谢。

2.关节软骨的力学功能

(1)承受力学负荷

人一生的社会活动都离不开关节软骨的正常功能。关节软骨能将应力均匀分布,使承重面扩大。关节软骨不但能最大限度地承受力学负荷,还能保护关节软骨不易损伤。

(2)润滑作用

关节软骨表面非常光滑,关节运动时不易磨损,并且活动灵活、自如。与人工润滑结构相比较,其摩擦系数非常小(表2-1)。关节软骨能维持人一生的活动而不损伤,就是因为有良好的润滑作用。

人在工作之前先活动一下关节,使关节充分润滑,能增加关节的灵活性,防止关节软骨损伤。在关节滑膜有病变时,如类风湿性关节炎等,滑液分泌异常,失去正常的润滑作用,影响关节功能及关节软骨的营养。

表2-1　人体关节和人工润滑结构的摩擦系数

资料来源:引自《运动生物力学》,赵焕彬等,2008年。

(3)力的吸收(www.xing528.com)

人从事很多剧烈活动而不损伤关节,原因之一就是关节软骨有力的吸收作用。关节软骨不但光滑,还有弹性,能够最大限度地吸收、缓冲应力作用。关节软骨损伤后力的吸收作用降低,关节损伤、退变则会进行性加重。

3.关节软骨的渗透性及对受力时间的反应特性

渗透性是物质的一种参数,它表示液体流过多孔物质的固体基质时受到的摩擦阻力。渗透性越低,承受负荷时液体流动的阻力越大。健康软骨的渗透性很小。随着压力和变形的增加,健康关节软骨的渗透性大大降低。关节软骨具有一个机械反馈调节机制,阻止组织间液完全流出。在病理状态下,如骨关节炎,关节软骨的渗透性大于正常组织,出现关节积水、疼痛等有关症状。

关节软骨和关节液对外部负荷作用的快慢非常敏感,关节软骨的形变与外力的作用速度相关,同时关节软骨与关节液的流出有关。例如,关节软骨受到挤压的速度越快,关节液流出的阻力也越大,关节液越不容易流出;而速度越慢,关节液越容易流出。测试结果表明,当作用时间大于0.01 s时,关节液表现出润滑液的机制,使关节灵活地运动;当外力作用时间为0.01 s左右时,关节液同时具有流动性和弹性,像橡皮垫一样缓冲关节面之间的直接碰撞;当外力作用时间很短,达到0.001 s时,关节液不再表现为液体或弹性体,反而会呈现出坚硬“固体”的特点,对碰撞不再起缓冲作用。如打球时手指被戳伤,往往是这样造成的。

4.关节的润滑机制

人体关节虽然经常在大负荷下运动,但关节运动时并不费力,几乎没有摩擦。正常关节的摩擦系数要远远小于金属制品的摩擦系数,关节只有在病理情况下才出现磨损。研究关节的润滑机制意义重大,关节的润滑机制目前尚无普遍接受的统一理论。在一定情况下,根据关节负荷或运动的需要,认为由下列一种或多种机制起作用,类似于骨的功能适应性原理,在定义润滑机制时,出发点是关节采用最适合的机制应对面临的运动和载荷。从工程学观点看,有两种基本的润滑机制:

(1)界面润滑

界面润滑依靠单层润滑剂(关节液)分子化学吸附到接触的固体面上。做相对运动时,关节面受到相互滑动的关节液分子的保护,防止因表面粗糙发生的黏合和磨损。在小负荷、低速的相对运动时,关节液可以作为关节软骨的界面润滑剂,而润滑的能力与滑液的黏度无关。在大负荷下,关节液化学吸附到关节面上是十分重要的。

(2)液膜润滑

当负荷较大、相对速度较高时,关节可能会在第二种润滑机制即液膜润滑的形式下工作。在液膜润滑中,一层较厚的润滑剂(与界面润滑中关节液的分子大小相比而言)即关节液使两个关节面有较大的间隙。这层关节液内的压力可支持关节面上较大的负荷,但这种润滑作用不可能长期支持高负荷,最后液膜变得很薄,两个关节面的凹凸不平之处将互相接触。这个润滑机制可以在很短的时间内承受很高的负荷。由于关节软骨的多孔、充满液体和可渗透的特殊性结构,当关节旋转,负荷区越过关节面时,液体会从关节软骨的负荷接触区前下方渗出。一旦峰区应力值通过某一点后,液体开始被重新吸收,为下一个运动周期做好准备。挤出的关节液量可能不多,但10μm厚的液膜已经能够很好地润滑关节面。通过软骨液体的这种强制性循环,有助于软骨细胞的营养,可将营养物质通过关节腔内的关节液带入细胞。