脊柱作为人体中轴骨，有着复杂的力学结构体系。骨骼、椎体、关节突、椎间盘、韧带以及周围的肌肉组织结构、功能各异，而在正常生理状态下这些结构共同作用，协调一致，使脊柱起到了承载、运动、保护脊髓等作用。因此脊柱结构的生物力学特性是脊柱外科医生必须具备的基础知识。

一、骨

人体的骨骼由有机物质、无机物质以及骨细胞组成。有机物，如胶原。赋予骨骼韧性。无机物，如钙、磷，赋予骨骼刚性，使其能够承受人体负荷。骨细胞成分约占骨质体积的15%。由于承担的力不同，不同处骨骼的生物力学特性也不同。Wolff定律描述了骨骼的生长特性，可简单表述为：骨骼能承受骨组织的机械应变，并具有适应这些功能需要的能力，骨骼结构受应力的影响，负荷增加骨增粗，负荷减少骨变细。由此可见，适当增加椎体的负荷有利于术后骨融合的达成。另外，骨折的发生及骨折形式也同椎体所受力的大小、方向以及椎体稳定性密切相关。

二、脊柱

人体脊柱由33块不同椎体组成，其间通过韧带、小关节及椎间盘相互联系。在矢状面上脊柱有四个生理弯曲。脊柱生理弯曲的存在可增加其灵活度，同时增强抗冲击能力。

正常的脊柱，从其C7椎体做一铅垂线，应该同时经过腰骶连接处（图2-4），此线称作矢状面轴向垂线（sagittal vertical axis, SVA）。（注：SVA另外一种做法为从C2椎体尾部中心做铅垂线，应分别经过C2、T1、L1、S1椎体。）矢状面轴向垂线是用来衡量矢状面上脊柱平衡的有效方法。若SVA位于腰骶连接处腹侧，称之为正矢状位平衡。正矢状位平衡对于人体机能及肌肉正常工作有重大意义。在此状态下，为了维持整体平衡，骨盆会代偿性的向后移动同时使得人体重心后移，与此同时患者会尽量伸髋。一旦以上代偿方式不再能保持人体平衡，患者接下来则会处于一种生物力学上极其不利的屈髋、屈膝体位来维持平衡。

三、椎体

椎体由外层较硬的皮质骨与内部较软的松质骨组成。大体上，自上而下，椎体的长、宽、高逐渐增加。究其原因，低节段椎体需要承受更大的压力。因年龄及骨质成分的不同，骨松质可承担35%至90%不等的负荷。若骨内矿物质成分减少25%，其承重能力将减少50%以上。椎体的承重能力不仅与骨密度有关，还与骨结构和骨修复速度的变化有关。若椎体内多孔的松质骨结构水平关联减弱，正常的紧密排列的骨板层样结构将会被相互开放的条索样结构所取代，最终降低了椎体垂直方向上承担负荷的能力。对于胸椎，因其通过关节连接与各条肋骨及胸骨形成整体，大大提高了胸椎承担负荷的能力。

椎体终板是椎间盘与椎体中心骨松质之间的一层骨结构，由厚约1-2mm的皮质骨曾及软骨层组成。软骨层具有半透膜作用，允许营养物质进入到椎间盘，同时能够防止椎间盘内的大分子物质丢失。终板厚度不一，外周部分最为厚且坚硬，中心部分最薄且脆弱。于间盘部位放置植入物时，终板表层4mm最难以穿透。终板厚度与椎间盘内蛋白多糖含量呈正相关，髓核部位的中央椎板更是如此。骨与椎间盘退行性变有关的改变均有可能引起相应节段终板的弱化。终板在压力下可发生骨折，骨折形式可分为三种类型：中央型骨折、边缘型骨折以及全终板骨折。实验中发现正常样本骨折多发生于终板中心，而退行性变的样本骨折多发生于外周。而当承担极大负荷时，无论标本有无退行性变，骨折均会存在于整个终板。其原因可能与同