骨骼肌肉與關節的生物力學
中山物治系
陳立元老師
一、 骨骼組成和結構
骨的組成主要是由礦物質與有機基質聯合構成，礦物質主要含有水合磷灰石和碳酸鈣；而有機基質大部分為膠原蛋白，約佔90%，其它尚含有少量的非膠原蛋白，如伽瑪---羖麥氨酸。礦物質與有機基質形成複合材料，礦物質使骨骼具有抗強度能力，而膠原蛋白則使骨骼具有彈性的能力。
骨的細胞包括：(1)造骨細胞、(2)成骨細胞與(3)破骨細胞。最初，骨的形成過程中，造骨細胞分泌未鈣化的類骨質，在未鈣化的類骨質處的膠原纖維旁水合磷灰石促成其鈣化，而造骨細胞分泌的基質鈣化後，其被基質包圍起來，並變成骨細胞。而骨的吸收則是由破骨細胞執行。
骨骼結構主要分成二種組織，在外層為皮質骨，內層為海綿骨；皮質骨的骨質排列緻密，又稱為緻密骨，其有較高的硬度。而海綿骨內含有許多骨小樑，骨小樑間有極多的孔隙，如同海綿狀，又稱為海綿骨。
二、 骨骼的生物力學性質
皮質骨具有二種特異的機械性質，即黏彈性和異向性。所謂黏彈性即材料的應變除了與應力有關外，也與作用的時間有關。也就是說楊氏係數會隨著作用的時間而變化。在彈性材料時σ＝E．ε，而在黏彈性材質其
σ＝E(t)．ε ------------------------(9.1)
其中E(t)表示楊氏係數與作用時間快慢有關。當作用力施加在皮質骨時，皮質骨會產生變形，如果給予快速的作用力，皮質骨的彈性模性與最大破壞強度會比給予慢速的作用力來的大，且呈線性關係，見圖9.1(a)與圖9.1(b)，所以，骨皮質的強度性質與其變形的速度有關，此即黏彈性。另外，如果作用力施加的方向為骨的縱軸方向，其能承受的壓力與張力遠比作用力施加在横軸方向來的大，此種與方向有關而造成其性質差異的稱為異向性。
另外，骨皮質對於抗壓能力遠比抗張能力來的好，而抗張能力又比抗剪力來的好，即
(骨皮質)壓應力＞(骨皮質)張應力＞(骨皮質)剪應力
海綿骨與皮質骨的機械性質，主要的差異源自於海綿骨具有相當多的小孔，使得海綿骨的骨密度遠比皮質骨來的小，一般海綿骨的密度小於1.0g/cm3，而皮質骨則在1.8 g/cm3左右。海綿骨承受壓力的應力－應變作用時，其抗壓強度與密度具有下列關係
σ＝kρc ------------------------(9.1)
其中σ為抗壓強度(Mpa)，k與c為常數，ρ為海綿骨密度(g/cc)。皮質骨與海綿骨的應力－應變曲線如圖9.2所示。其主要的差異在於皮質骨比海綿骨具有較強的屈服強度，而海綿骨則在到達屈服強度後，有較長的變化，才能達到破壞。
骨骼具有再塑性的能力，即外在環境，如運動，骨折等會使得骨的吸收與形成，維持一動態的平衡。常運動的人，可使骨骼強度增加，其抗外力的能力也相對增強，此稱為骨骼的再塑性。
骨的密度測定目前最常使用的為雙能量x光儀器測定骨骼密度，對於常運動的人，骨骼的密度常是正常的，但對於停經的婦女，如不常給予足夠的鈣質，則常有骨質疏鬆的現象。
目前儀器內的電腦已可以幫助我們測知骨密度是否位在正常的骨平均值位置。
在年紀輕且經常運動的人而言，通常比年紀大的人有較高的骨密度，相對的其強度也較強。
三、 關節軟骨的組成與構造
關節軟骨為保護關節面的骨，軟骨主要組成為基底質與纖維所組成，後者為型II的緻密膠原纖維被以PGS(proteoglycans)為主的基底質所包圍。如以重量區分，關節軟骨含有60〜85％的水分，5〜10％的PGS及10〜30％的膠原纖維。
膠原纖維的主要單位為膠原網，其為3個前膠原纖維多胜肽鍵，或稱α鍵所組成，見圖9.3。其最重要的機械性質為抗拉力強度，但其相對抗壓力強度則相對要差許多了。
PGS為含大量蛋白－多醣類分子；可以有單體或聚合體存在，單體上含有角質硫酸鹽與軟骨硫酸鹽其鍵結在蛋白核心中，見圖9.4，整個單體看起來如同髮梳一般，整個PGS的大小形狀並非完全一致的。
關節軟骨，尤其是表面處含有大量的水分，水分內含有大量鈣與鈉離子，水可以再細胞內或膠原纖維附近相互移動滲透，這對於關節軟骨在承受作用力時，其機械性質變化與潤滑，有著重要的影響。
四、 關節軟骨的生物力學性質
為了簡化起見，我們可以將關節軟骨視為一充滿水的海綿，此充滿水的海綿受壓應力作用後，水會由海綿孔滲出，然後海綿體被壓縮。
關節軟骨為黏彈性物質，其具有潛變與應力鬆弛的性質，而且其具有相類似海綿體的基本能力，當其受壓縮時，相對地有雙相潛變和雙相應力鬆弛的生物學性質。
所謂雙相潛變的意義，為施予一定值得壓應力，其關節軟骨會在未到達某一壓應力値之前，就有潛變產生，其潛變的產生為關節軟骨內的水滲出之故，見圖9.5。在達到一定的壓應力一段時間後(0點)，因為關節軟骨不再有水的滲出，而使的潛變在這段時間後仍維持一恒定的應變，此為雙相潛變的意義。
雙相應力鬆弛為施予一應壓力時，關節軟骨立即會有應變產生，但要維持其達到一定値的應變，則施加的應壓力値需達到一定大小的値，見圖9.6的A點處。當壓應力到達此σA値後，雖然壓應力稍微降低，但水重新滲入達到再分配平衡，所以雖然比σA較小的壓應力，仍能維持應變的恒定，此稱為雙相應力鬆弛。
五、 關節面的潤滑機轉
關節面所以能維持長久的關節運動，不致於損壞，主要是因為關節面處的關節軟骨上具有潤滑作用的醣蛋白。另外，關節運動時，關節囊內有關節液的存在，關節面彼此間多少存在有此關節液，另外，關節軟骨受壓力作用，其內水會滲出，也可以構成一潤滑薄膜，可以避免關節面間的彼此作用，而達到潤滑的作用。
六、 肌腱(tendens)與韌帶(ligaments)的組成與構造
肌腱與韌帶為相互平行的膠原纖維組織所構成，膠原纖維分子為纖維分子細胞所分泌。如同骨骼一樣，韌帶與肌腱含有最多的膠原分子為型1的膠原組織，其為三個胜肽鍵(α-1，α-2，α-3)環繞而成，見前圖9.3。
韌帶與肌腱在解剖上的差異為連接骨與骨之間為韌帶，而連接肌肉與骨骼者為肌腱，而其在組織上的差異則是肌腱的排列方式為平行有序的排列，而韌帶則互相有纏繞且非完全平行的排列，見圖9.7(a)及(b)。
七、 肌腱與韌帶的生物力學性質
肌腱與韌帶為黏彈性結構，其具有高的抗拉力性質，而具較差的抗壓力性質。肌腱與韌帶的生物力學性質除了與其膠原纖維組成，排列有關外，尚與其所含的彈力素含量有關。脊椎上的黃韌帶含有較多的彈力素(elastin)，所以其具有良好的彈性。
當骨骼與韌帶相連時，如果施予一快速的負荷力與一慢速負荷力時，則骨骼與韌帶交接處會有何變化呢？在一慢速負荷力之下，傾向於韌帶與骨頭交接處的破壞斷裂，包括骨骼的斷裂，如圖9.8(a)。而在高速荷重下斷裂會發生在韌帶本身，見圖9.8(b)。此種在不同負荷作用下所表現出不同斷裂形態，主要是因為在負荷速率增加時，骨骼強度也會增加且其增加了強度比增加的韌帶強度來的大，所以在快速作用力下，斷裂發生在韌帶處。