骨由骨皮质和骨松质组成，这两种骨可看作是一种材料，其差别在于强度和刚度不同。骨皮质刚度大，能承受较大应力，但应变较小；对骨松质来说，较小的应力就可产生较大的变形（即应变）（图1-6）。强度和刚度是骨的重要力学性能，在一定的方向给某一结构施加载荷，可测出结构的变形，画出载荷变形曲线，其强度和刚度即可确定。以长骨为例，当其在载荷下发生变形的时候，可得到一条载荷-变形曲线（图1-7）。

从生物力学观点看，骨折是由应力和功能分布不均匀所引起。当骨骼系统遭受严重创伤时，骨将会承受很大的应力，当骨的某一区域的应力超过骨材料所能承受的极限强度时，就会发生骨折。某些手术或病理性骨缺损会造成正常骨的几何学改变，明显地影响完整骨的断裂阻力。

图1-6　骨皮质和不同密度骨松质载荷变形

应力是物体内部一个面上由于外力作用所产生的单位面积上的力。应变是结构在应力下发生的变形。材料的刚度用弹性区内的曲线斜率表示，此值称为弹性模量。骨皮质较骨松质坚硬，断裂前承受较大应力，而能承受的应变较小。在体外，骨皮质应变2%时断裂，而骨松质超过7%才断裂。二者均为各向异性材料，不同方向受载，显示不同的力学性能，但骨在最经常承受载荷的方向，强度和刚度最大。骨对不同载荷形式反应不同，3种载荷对人成熟骨皮质的极限应力值顺序为：压缩＞拉伸＞剪切。说明人体成熟骨在压缩下，强度和刚度最好。弯曲为拉伸和压缩联合作用，成熟骨在拉伸侧开始骨折而不成熟骨在压缩侧先骨折。扭转应力为剪应力、拉应力和压应力的联合作用，同样骨先在剪切下破坏，随后随最大拉应力的平面形成裂纹。

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图1-7　骨皮质拉伸下载荷变形曲线

有很多因素影响骨的强度和刚度。第一，肌肉收缩可改变骨的应力分布。肌肉收缩产生的压应力可以减少或抵消骨上的拉应力，从而使骨免受拉伸骨折，这可以说是增加了骨的强度。滑雪者向前跌倒，胫骨受弯曲力矩，胫骨后侧受到高拉应力，前侧受高压应力，小腿三头肌收缩，使后侧产生一高压应力，抵消高拉应力，从而保护了胫骨，但在胫骨前形成更高的压应力，通常成熟骨多能承受，不成熟骨可能出现压缩骨折。第二，载荷速度的影响：骨的能量储存，随加速度增加而增加，刚度也增加。但骨折时所储存的能量要释放出来，低速下，能量可通过单个裂纹释放出来，骨及软组织保持相对完整；但高速下，能量不能通过单个裂纹消失，骨发生粉碎性骨折及广泛的软组织损伤。据此，可把骨折分为低能量、高能量和超高能量三类，对治疗有指导意义。第三，骨的尺寸和形状。骨的横截面积及骨组织在中性轴周围的分布均影响骨的强度。骨越长弯曲力矩值越大。

很多因素可影响骨的力学性能。这些因素最常见的有以下几种。①骨折愈合。初期形成骨痂袖，从而明显增加面积惯矩和极惯矩，增加了骨强度。②骨的手术处理。骨缺损使骨强度大大降低，分为缺损长度小于骨直径及超过骨直径两种。骨中打螺钉，有如溪流中一石块，形成一个应力集中点导致骨强度的降低，这种应力增高点的弱化效应在扭转载荷下最突出，骨强度可降低60%。③骨重建是骨的一种适应，这种适应按Wolff定律进行。由于活动减少或制动，骨承受的应力减小而出现骨膜下骨的吸收而降低了骨强度和刚度。又如坚强内固定，实际上是骨卸载，载荷通过钢板传递，日久出现骨萎缩。骨直径减小20%，骨的扭转强度减小60%。相反，反复承受生理范围的高应力可形成骨膜和骨膜下成骨。④老年化产生的退行变。正常老年化的结果是骨松质骨小梁变薄，甚至有很多被吸收，骨皮质直径和厚度减少，使强度降低。

重复载荷下的骨疲劳与载荷大小、重复次数和载荷速度3个因素有关。低载荷高重复次数和高载荷低重复次数均可引起疲劳骨折，但由于骨有自我修复能力，因此只有疲劳进程超过重建进程，才出现疲劳性骨折。疲劳性骨折的肌肉疲劳学说认为肌肉疲劳后，其收缩力下降，抵消骨所受应力的能力减小，使骨承受异常高的载荷。拉伸一侧的骨形成横向裂纹，且易变成完全骨折；压缩侧骨折出现慢，且不易超过重建速度，不易形成完全骨折。

骨折治疗的生物力学观点：所有的接骨术都必须符合生物学和力学原则，基本的生物学原则包括保存骨的血液供应、维持骨的生理和力学环境。血液供应对骨的正常塑形，防止骨坏死是必不可少的，骨坏死会降低骨组织的强度。骨折固定既要保持复位后骨折端位置，又要为功能活动创造条件，因此有效固定是骨折愈合和进行功能锻炼的基础。理想的固定是既能保持骨折稳定，为功能活动提供条件，同时又较少干扰骨所承受的生理性应力。应力能影响骨折愈合速度和质量。骨折端承受低应力和高应力都不利于骨折的愈合，对骨折愈合来说存在一个最佳应力范围。