软骨就像一块吸满水的多孔海绵物质，所以它的生物力学性能是固体基质和其渗透性的性能。
（一）渗透性液体通过关节软骨的多孔介质有两个重要的机械性现象：①施加压力阶段时，即软骨顶部的压力大于低部的压力，液体可被压进多孔的固体基质。②另一方面，如果把坚实的多孔块放在液体饱和标本之上再加压，液体也会流动，这种流动是由挤压形变所引起的，这类形变将减少蛋白多糖大分子溶剂范围，反过来增加局部压力。这样就使液体自组织内渗出。在正常关节内，此两种功能同时发生于关节软骨。（二）蠕动反应粘弹性物质在承受压力时，可出现蠕动反应(creepresponse)。恒定负荷即时加于软骨上，并保持整个实验时间，则挤压形变将持续增加，软骨发生“蠕动”，直至渗出停止，固体基质完全承担负荷，也即是挤压应变与应力达到平衡，这就是固体基质的内在模量。关节软骨对液流的抗力是很大的，即它的渗透性较低。所以，液体的流动取决于负荷的速度和保持的时间，负荷迅速，移除也快，没有时间将液体挤出；软骨表现为弹性物质，负荷时发生变形，当负荷解除后，形态立即恢复。如果负荷逐步增加而衡定，例如持久站立，软骨的变形将逐步增加，液体也被挤出；当负荷解除时，只要有足够的时间和足够的液体，软骨可恢复原来的形态。前者称为弹性物性，或不依赖时间的因素；后者称为黏弹性物性，或依赖时间的因素。至于抗张强度，离关节面越远，抗张强度越小，这表明表层有丰富和稠密的胶原。好似一组富有韧性和抗磨损的组织，保护整个关节软骨，不被蠕动所损伤。
人体脊柱生物力学
脊柱是一复杂的结构，其主要功能是保护脊髓并将载荷从头、躯干传递到骨盆。２４块椎体互相形成关节，可在三个平面上运动。脊柱的稳定由内源性和外源性提供，韧带和椎间盘提供内源性稳定，而叽肉则赋予外源性支持。脊柱的功能单位指最小活动节段，包括两个椎体及其间的软组织。椎体主要承受压缩载荷，椎间盘在力学和功能上都具有极其重要的作用。在日常活动中，椎间盘的承载方式很复杂，通常是压缩、弯曲和扭转的组合。脊柱的屈、伸和侧屈主要对椎间盘产生拉应力和压应力，而旋转则产生剪切应力。一般说来，椎间盘的压力载荷相当于其上方体重的２～３倍，坐位休息时，腰椎问盘内的压力为１～１．５ＭＰａ，站位时减少３０％，侧卧位时减少５０％，仰卧松弛时可减少８０％～９０％。 直立时，脊柱的稳定性依赖于生物力学上的“张力带原则”，即起主动作用的脊椎后部肌肉和起被动作用的前部结构。 因为空间是三维的，所以传统的描述方法是设定一个正交、顺时针方向的三维Ｃａｒｔｅｓｉａｎ系统。该系统包含有矢状、冠状和横断三个面，可以囊括脊柱的各种基本活动，如屈伸、侧弯和轴向旋转。 利用机械工程学的原理和概念，我们可以从脊柱解剖结构推断其功能活动。在临床工作中，生物力学和运动学常被混淆。生物力学描述作用于生物组织的力，而运动学描述运动本身而不考虑相关的力。通常认为，对脊柱各部分的结构和组织特性进行分类描述，利于确定脊柱外力及因之产生的内力可能导致的后果。但是，研究发现脊柱运动学却对脊柱稳定性的临床评价更为有价值。这个“六度自由”系统可以把任何方向的活动进行数学拆分。空间中的任何活动均可被分解成三个平向和三个旋转方向的活动；而平向和旋转活动可以由沿着或围绕三轴系统的力产生。 屈、伸活动由矢状面内的旋转和平移组成的，而合成的动作受到同平面结构的阻抗。在正常脊柱中，各种活动均围绕一系列与矢状面垂直的轴完成。 由于该轴位于下位椎体前纵韧带到后纵韧带之间，故前纵韧带和前方纤维环阻止脊柱的伸展，而后纵韧带、后方纤维环、小关节囊、黄韧带、棘间韧带和棘上韧带阻止屈曲。根据物理学的观点，离运动轴越远的韧带因为有更长的力矩而产生更大的阻遏，但是，在活体中，脊柱矢状活动的主要阻遏力量却来自于完整的纤维环。脊柱的过度伸展可因关节突关节相互抵触，关节面、椎板、棘突的重叠阻挡而受阻，而过度屈曲多可导致邻近关节的半脱位。脊柱前凸可因脊柱部分屈曲而消失，此时脊柱有最大的轴向压缩刚度，故脊柱损伤多产生于屈曲压缩。 侧向屈曲由冠状面内的旋转和向脊柱凹侧的旋转组成。因为初始状态和伴随的旋转运动轴接近于椎体前部的正中矢状面，所以大体活动受到对侧纤维环、关节囊和身体同侧关节的阻遏。颈椎关节面在横断面上有４５。倾斜，故利于轴向旋转，而腰椎关节突在矢状面上的垂直倾向则阻止轴向旋转；胸椎关节突刚好处于过渡区域。 在临床工作中，必须对上颈椎和胸椎的解剖进行个体化的评定。上颈椎包括寰枕和寰枢关节。在解剖上，配对而呈鞍状的寰枕关节仅允许在矢状面上有大幅度的活动，如点头，该活动受到翼状韧带和覆膜的阻止（覆膜由后纵韧带在枕骨大孔处演变而成）；寰枢关节允许大幅度轴向旋转（受制于翼状韧带），部分矢状旋转和平移（受制于横突间韧带）；胸部的活动度（胸）因为胸骨、肋骨和肋横关节而减小，例如上方的肋横韧带限制了侧屈。
腰椎生物力学研究进展
生物力学是一门涉及多学科的交叉学科，本文综述了腰椎生物力学的研究进展。1、应力与椎间盘营养性变性 人体外形及其正常结结构关系的维持依靠骨骼的刚度、强度和肌肉、韧带软组织的弹性回缩力。即使在静息状态下椎间盘和椎体也始终受到应力刺激，二者在承受负荷时其内部压力将明显增加［1］。Arnodi［2］发现X片显示椎间盘退变的慢性腰痛病人，在负载尤其是过度负载时椎体骨内压也明显升高，骨内压增高必然导致血流减慢，血液淤滞，进而造成血管内皮细胞损伤和血管栓塞，其最终的结果将是终板下血管分布进行性减少和椎间盘营养障碍［3］。Ratcliffe［4］发现老年人椎体营养动脉出现盘曲、变性和粥样硬化，并认为随年龄增长，髓核营养首先发生恶化，表现出椎间盘变性与椎骨内血循环异常的关系。对人类不同年龄椎体软骨板下血管分布的研究显示［4，5］，终板中心区域血管粗而致密，分布较多，而周边部位则细而稀疏，分布较少。对羊和大鼠的研究表明，在出生早期这种差异不明显，但随着生长发育，这种变化加剧，至发育成熟后不再改变［6］。Hassler［7］发现人类在这一过程中也显示终板下血管减少的趋势。双侧终板阻断试验证实，仅有少量氢(廓氢)经纤维环进入髓核［8］。研究还发现［9，10］，压缩载荷下终板首先发生骨折。某些老年人和腰间盘突出患者在生理状态下腰椎软骨及软骨下骨板发生微骨折和骨痂形成引起终板增厚，这种增生和微骨折显然与应力有关(但不非除与老年性骨质疏松的关系)。 从发育生理学和解剖学的角度看，椎间盘通过软骨板与上下两椎体相连接，周围有前后纵韧带包裹，椎间盘的营养途径无外乎两种：①椎体途径—椎体内的血管携带营养物质经软骨板进入椎间盘；②椎动脉途径—表面血管进入纤维环中外层，髓核依靠渗透作用而达到输送营养的目的。从前述试验结果看，椎间盘的营养似乎更依赖于椎体途径。现在的问题是椎间盘和髓核被普遍认为是无血管组织，亦有学者认为椎间盘为无血管而有神经组织，如果这一结论正确的话，那么椎间盘的营养及运输形式还需要进一步研究。 发育阶段固然需要大量血运营养，发育停止后血运和与之匹配的血管有可能减少［7］。椎体的营养血管为终末血管，即使没有应力作用亦可能因其它原因引起栓塞，这些生理、病理和应力因素与椎间盘营养的内在关系有待于实验进一步证实。2、腰椎椎体的力学性质 Eie［11］于年用实验证实因挤压发生骨折的部位最早是在椎体或终板，后又有很多学者在复合加载试验中发现，也总是椎体发生屈服和断裂破坏，唯Adams［12］通过一系列实验研究，利用过弯加载，在实验条件下在相当一部分标本中制做成椎间盘或髓核脱出。但由于加载方式所用的弯曲角度远远大于生理极限，由此对椎间盘突出发生机理进行的解释还有待于证实。 模拟生理条件下的一系列先驱试验得出的椎体先于椎间盘屈服的结论启迪人们考虑以下问题：①间盘病变可能始于椎体“病变”，戴克戎的研究亦阐示了类似的观点，因此着眼椎体的研究是必要的；②间盘病可能多数是个缓慢过程，积累劳损性的，很多是在没有明显诱因下发病。因此也提出了“退行性变化”(退变)这一概念。White［13］发现椎体骨载荷挠度曲线开始段弹性模量较低，以后随变形有所增加并接近线性关系。加载速度的变化对曲线形状无明显影响，卸载后，变形基本消失，故认为椎骨属于弹性材料。马洪顺［14］对正常国人10具新鲜尸体L3及L4进行研究，证实椎体大致上是一种粘弹性材料，给出了腰椎应力松弛和蠕变方程，并定量地得出了腰椎应力、应变与时间相关的效应。Bartelink［15］以脊柱功能性运动节段(FSU)为模型进行屈服试验，证实年轻人椎骨屈服载荷(＞kg)明显高于年龄大的椎骨(～kg)。3、腰间盘的力学性质 迄今为止，对椎间盘的研究仍是脊柱生物力学研究的重中之重，这方面的工作主要集中在以下几个方面：①椎间盘的材料结构与其力学性质的关系，包括髓核、纤维环和椎体终板、软骨板的组化、结构病理等研究；②椎间盘退变与力学因素、组化因素的关系；③椎间盘生物力学模型的建立；④与椎间盘生物力学有关的临床问题、术式探讨、内固定物使用和临床病理发生的机制。 腰椎间盘可承受并分散载荷，同时制约腰椎过多的活动，这是其重要的机械性能和生理功能。由于纵间韧带牵拉，即使在不负重时间盘自始至终存在预应力，这将有利于其承受更大的负荷。纤维环主要成分有胶原、蛋白多糖和水(包括大量结合水和少量游离水)，人至中年后含水量减少，纤维环内层纤维充填髓核使之纤维化，其结果是髓核不能均匀地分散载荷，纤维环脆性增大，容易疲劳断裂。水量的减少还必然带来营养循环没有足够的溶媒介质。 Kazarian［16］通过椎间盘的蠕变研究证实，退变椎间盘的粘弹性降低，从而使椎间盘的缓冲能力降低。很早以前就有学者观察到椎间盘抗重复载荷的能力较差。椎间盘由于其组织特点，修复和再生能力微弱，故其疲劳性显得非常重要。但由于缺乏做活体实验手段，在离体模型上模拟反复加载对实验结果影响较大，有关疲实验的报告很少。Farfan［17］对具尸体的腰段纤维环损坏作了详细研究，对腰椎间盘进行了大量压缩、拉伸、剪切、扭转和复合加载实验后认为，背部肌肉作用很大，屈伸姿势不会导致髓核突出，而扭转和复合加载则比较危险，说明几何因素在椎间盘突出中的重要性。 Nechemson［18］报导用一种针式压强传感器在影像学引导下，插入椎间盘，首次在活体直接测量了椎间盘所承受的压力。证实坐位时髓核压强最高，站立时约低30%，卧位时约低50%，行融合手术后比未做手术的相邻间盘髓核内压强平均高30%，戴充气腰围比不戴充气腰围者减少20%。他在分析这一结果时指出，坐位时背部肌肉松弛，重力主要由背部负担；戴充气腰围时腹压增大，起到靠背作用，因此减低了间盘压力。 Reuleaux［19］用即刻中心(I、C、R)来分析两相邻近椎体关节面之间的活动情况，该方法可用于颈椎、腰椎屈伸和侧弯，但不适用于旋转活动。方法是重叠X线照相，人体直立(解剖位、中性位和中和位)时开始拍照，髋及下肝关节制动，尽量前屈或后伸或侧弯，直至达到不能再运动时为止，最好动态连续摄片，将片重叠，分别在上椎体上端前后缘顶点位移连线中点做垂直线，两垂线的交点即为I、C、R，将这I、C、R与关节突连线，并在关节突端做垂直线与解剖位比较，即能考察椎体是否滑移及幅度。经统计，在正常情况下I、C、R在腰间盘之内，若腰间盘显著退变，I、C、R在腰间盘之外。 苏立［20］对腰间盘进行松驰与蠕变实验，得出国人在变形条件下的载荷——时间曲线，认为在严重退变间盘，其初始松驰变大，达到平衡时载荷较少，均为最大载荷的19%，而正常间盘初始松驰率小，达到平衡时间长，平衡时载荷大，约为最大载荷的63%。这些结果对脊柱实验研究和数理模型建立是必要的，并能为评价间盘生物材料性能提供理论依据。4、关节突关节和韧带对维持腰椎稳定性的作用 腰椎小关节主要功能为导向控制作用，作用基础是小关节面的方位。Kenesi［21］报道成人腰椎小关节方位自上而下由近矢状位过渡到近冠状位，且左右常不对称。近矢状位有利于腰椎屈伸运动，不利于旋转，近冠状位有利于旋转。综述多数学者的研究结果，可以认为腰椎小关节面与水平面呈90°角，与冠状面呈45°角。成角有利于腰部屈伸、侧弯，而不利于旋转。该结论与临床及正常人活体测定一致。 腰椎小关节有承受载荷功能，随腰段三维运动不同，其承载量为0～33%，亦有报告为3%～25%，后伸比前屈时大，其承受扭力可达总量的45%。戴力杨等［22］模拟腰椎后路手术，A组为正常FSU，B组为切除椎板和小关节内侧1/2，C组为切除椎板和双侧小关节。结果发现，屈曲时矢状面水平位称和矢状面旋转角度均明显增加，抗压强度减低。Abumi［23］通过研究则认为，除屈曲运动之外，单侧或双侧小关节半切除并不影响腰椎稳定性。5、肌肉和腹压对维持腰椎稳定的作用 按肌肉的作用方式和解剖位置将肌肉分为两群，一种是直接作用于脊柱：浅层有背阔肌、斜方肌、菱形肌和上下后锯肌；涂层有骶棘肌和横突棘肌；另一种为腹肌。腹肌形成腹压可降低腰骶段承受的应力作用。经理论推算，腹压可降低由骶棘肌收缩而产生的作用于脊柱的负荷的40%。 脊柱尤其腰段在生理状态下和承受载荷时，不是简单的一个物体放在另一个物体上的作用关系。力线在脊柱前，通过重力形成力矩而作用于脊柱，腰背部肌肉则通过收缩产生抗拒力矩维护腰椎的稳定。在三维运动状态下，随着劳动强度和姿势加大，使腰段几何形状发生改变，肌肉收缩力必然加强。长期如此，将使腰段和与之关系密切的肌肉产生退变和劳损，腰段承受的惯性载荷在总体上会增大。对每块肌肉的研究证实，活体上肌肉收缩与舒张都做功，相同条件下前者比后者大，在舒张情况下突然收缩肌肉做功更大。脊柱伸直时所做的向心功大于屈曲时所做的离心收缩功。 目前测量、肌肉运动观察主要采取肌电测量法，用肌电定性地和转化宣量地反映肌肉运动情况，因此可以认为是一种间接测量方法。此外，综合每块肌内的功能和运动生理进行数理推算也是研究肌力的手段
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