正常與病態(tài)股骨頭應(yīng)力松弛蠕變流變特性研究

李 恒，于巍紅，李井杰，韓忠寶

（1．吉林大學(xué)朝陽(yáng)校區(qū)醫(yī)院，吉林 長(zhǎng)春130026；2．吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院；3．吉林大學(xué)前衛(wèi)校區(qū)醫(yī)院）

生物力學(xué)是一門(mén)日益受到廣泛重視和應(yīng)用的邊緣學(xué)科，涉及生物學(xué)、解剖學(xué)、生理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)等多個(gè)方面。其內(nèi)容主要是以力學(xué)的觀點(diǎn)解釋生物運(yùn)動(dòng)的各種現(xiàn)象，并以力學(xué)知識(shí)去解決醫(yī)學(xué)和體育運(yùn)動(dòng)中存在的各種問(wèn)題。近年來(lái)的實(shí)踐證明，生物力學(xué)是了解生命現(xiàn)象、分析人體運(yùn)動(dòng)、研究疾病原因、設(shè)計(jì)各種人工假體和臟器、改進(jìn)假肢乃至發(fā)展體育運(yùn)動(dòng)學(xué)、人類(lèi)學(xué)、宇航學(xué)等不可缺少的基礎(chǔ)科學(xué)［1］。

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的人工假體不斷增加，材料不斷更新，生產(chǎn)工藝及手術(shù)技術(shù)不斷進(jìn)步，但是手術(shù)后出現(xiàn)假體松動(dòng)、下沉等并發(fā)癥也日漸突出，不僅使假體的壽命受到限制，而且也給病人造成疼痛，功能障礙，二次手術(shù)等痛苦，探討原因其和手術(shù)技術(shù)，人工假體設(shè)計(jì)，人工假體選材有關(guān)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從股骨上端生物力學(xué)、解剖學(xué)、影像學(xué)等方面做了大量的研究［2］。

骨力學(xué)是生物力學(xué)的重要分支，它研究骨和骨骺體系的力學(xué)問(wèn)題，骨的組織結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，對(duì)這種生物材料力學(xué)問(wèn)題的研究無(wú)疑是具有重要的理論意義的。

股骨頭和人體的其它組織一樣，均為生物粘彈性固體，具有粘彈性流變特性，這種粘彈性流變特性是人的生理功能所需要的，股骨頭的粘彈性流變特性對(duì)于維持髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定具有重要作用。搞清股骨頭壞死、股骨頭的粘彈性流變特性、對(duì)于人工假體新材料的研究和設(shè)計(jì)具有重要意義。

本研究的宗旨在于為人工關(guān)節(jié)材料研究，為人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，為人工關(guān)節(jié)置換術(shù)，為研究骨再造，骨重建提供生物力學(xué)理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1．1 材料

本實(shí)驗(yàn)所用正常組8個(gè)標(biāo)本均取自正常國(guó)人急性頭部外傷致死的成年男性尸體，年齡19－28歲，股骨頭壞死標(biāo)本8個(gè)標(biāo)本均為男性，年齡58－70歲。正常組標(biāo)本于死者死亡后1－2小時(shí)之內(nèi)解剖取下股骨頭。病態(tài)標(biāo)本取自老年置換人工關(guān)節(jié)壞死股骨頭，正常組與病態(tài)標(biāo)本取下后用生理鹽水浸透的沙布包裹，裝入塑料袋中密封后置于－20℃水箱內(nèi)保存。實(shí)驗(yàn)前取出標(biāo)本在常溫下解凍后待用。以萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量標(biāo)本的高度和直經(jīng)，標(biāo)本的高度為34．2－42．6mm，直經(jīng)為31．6－40．2mm。

1．2 實(shí)驗(yàn)器材

日本島津AG－10TA自動(dòng)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。載荷由載荷傳感器傳遞，應(yīng)變由機(jī)器的應(yīng)變單元傳遞，試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出應(yīng)力松弛、蠕變數(shù)據(jù)和曲線。該機(jī)具有自動(dòng)控制應(yīng)力、應(yīng)變?cè)黾铀俣群褪箲?yīng)力或應(yīng)變保持恒定的功能。

1．3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

各組應(yīng)力松弛、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)、數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示、并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)比較，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以一元線性回歸分析的方法進(jìn)行回歸分析，得出了回歸系數(shù)。

對(duì)數(shù)據(jù)采用spss11．0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)數(shù)資料以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用隨機(jī)分組設(shè)計(jì)的單因素方差分析（ANOVA），采用DunnettT3方法進(jìn)行比較配對(duì)檢驗(yàn)。檢驗(yàn)顯著性水平P＜0．05或P＜0．01。

1．4 各組應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)結(jié)果

取正常組，病態(tài)組各8個(gè)標(biāo)本進(jìn)行壓縮應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)。將試驗(yàn)樣的原始尺寸輸入到控制機(jī)器的計(jì)算機(jī)內(nèi)。

計(jì)算機(jī)程序設(shè)定從時(shí)間t（0）開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，每0．6S采集一個(gè)數(shù)據(jù)，采集10次；之后每10S采集一個(gè)數(shù)據(jù)，采集40次之后每136S采集一個(gè)數(shù)據(jù)，采集50個(gè)數(shù)據(jù)；共采集100個(gè)數(shù)據(jù)，歷時(shí)7200S。達(dá)到設(shè)定的時(shí)間后，打印機(jī)自動(dòng)打印出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線。

2 結(jié)果

蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正常組、病態(tài)組8個(gè)試樣蠕變?cè)紨?shù)據(jù)，正常組、病態(tài)組8個(gè)試樣歸一的b．蠕變函數(shù)計(jì)算結(jié)果

（a）、（b）式分別代表正常組和病態(tài)組股骨頭的蠕變特性。

3 討論

骨是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)重要組成部分，由骨細(xì)胞、膠原纖維和基質(zhì)構(gòu)成，堅(jiān)韌而且有彈性。

骨的化學(xué)成分中包含有機(jī)物和無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，股骨干內(nèi)的有機(jī)物包含骨膠原纖維和粘多糖蛋白，約占骨總量的30－40%，粘多糖蛋白含有硫酸軟骨素、硫酸角質(zhì)、透明質(zhì)酸等大分子物質(zhì)（多糖類(lèi)），電鏡下：骨膠原纖維位于骨板中成層狀排列，這些特點(diǎn)決定了股骨具有彈性和韌性。

既往關(guān)于松質(zhì)骨力學(xué)性質(zhì)的研究頗多，但是由于松質(zhì)骨由骨小梁以各種方式排列而成，對(duì)不同的動(dòng)物在不同的骨骼和部位，骨小梁的排列方式有很大差異，因此其力學(xué)性質(zhì)也有很大的區(qū)別。

應(yīng)力松弛、蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是正常還是病態(tài)組，最初600s變化較大，之后應(yīng)力緩慢下降，應(yīng)變緩慢上升。應(yīng)力松弛曲線是以對(duì)數(shù)關(guān)系變化的，蠕變曲線是以指數(shù)關(guān)系變化的。

正常組股骨頭7 200s應(yīng)力松弛量為0．209 MPa，病態(tài)組7 200s應(yīng)力松弛量為0．151MPa，正常組7 200s應(yīng)力松弛量顯著大于病態(tài)組（P＜0．05）．正常組股骨頭7 200s蠕變量為0．664%，病態(tài)組股骨頭7 200s蠕變量為0．392%，正常組7 200s蠕變量顯著大于病態(tài)組（P＜0．05）．病態(tài)組的初始應(yīng)力，初始應(yīng)變均低于正常對(duì)照組，且達(dá)到相對(duì)平衡點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)。

近年來(lái)對(duì)膠原纖維的排列方向及結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的相關(guān)性研究進(jìn)一步提示，膠原纖維是一個(gè)影響骨力學(xué)性能極為重要的因素［3］。這是由于膠原纖維是基質(zhì)的主要成分，羥基磷灰石一般沉積與膠原纖維頭尾之間的空隙內(nèi)，換言之，膠原纖維的排列方向決定了羥基磷灰石沉積位置，二者高度有序的結(jié)合使骨具有良好力學(xué)性能［4］。膠原纖維使膠原組織具有一定的強(qiáng)度和剛度，彈性纖維使膠原組織具有一定的延伸能力。分析認(rèn)為病態(tài)組松質(zhì)骨由于股骨頭壞死，作用于股骨頭的應(yīng)力分布改變，過(guò)高的應(yīng)力使松質(zhì)骨膠原組織的彈性纖維、膠原纖維、網(wǎng)狀纖維均遭到一定破壞，并且排列紊亂，所以其應(yīng)力松弛，蠕變量丟失，達(dá)到相對(duì)平衡時(shí)間也長(zhǎng)。

分析認(rèn)為病態(tài)組由于股骨頭壞死，作用于股骨頭的應(yīng)力改變，過(guò)高的應(yīng)力使彈性纖維、膠原纖維、網(wǎng)狀纖維遭到破壞，所以其應(yīng)力松弛量，蠕變量降低，應(yīng)力松弛、蠕變速度慢，達(dá)到相對(duì)平衡點(diǎn)時(shí)間長(zhǎng)。

股骨頭粘彈性與年齡密切相關(guān)，年齡越大應(yīng)力或應(yīng)變變化更加緩慢，尤其是50歲以上表現(xiàn)更為突出，分析認(rèn)為50歲以上年齡段都伴有一定的骨質(zhì)疏松，所以其粘彈性更差。

本文從生物力學(xué)的觀點(diǎn)研究了正常和病態(tài)股骨頭的粘彈性流變特征，得出了粘彈性指標(biāo)、應(yīng)力松弛、蠕變與時(shí)間的變化規(guī)律，為新型人工關(guān)節(jié)材料研究和設(shè)計(jì)提供了粘彈性指標(biāo)。

由于骨源緊張的原因，本試驗(yàn)的樣本還不夠十分的多，又由于生物材料個(gè)體差異的原因，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定離散，今后將在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的研究，可做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究股骨頭壞死對(duì)骨粘彈性的影響。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)：正常組7 200s應(yīng)力松弛量大于病態(tài)組7 200s應(yīng)力松弛量（P＜0．05）

（2）蠕變實(shí)驗(yàn)：正常組7 200s蠕變量大于病態(tài)組7 200s蠕變量（P＜0．05）

（3）在相同應(yīng)力作用下，病態(tài)組初始應(yīng)變小于正常對(duì)照組。

（4）應(yīng)力松弛曲線是以對(duì)數(shù)關(guān)系變化的。

（5）蠕變曲線是以指數(shù)關(guān)系變化的。

（6）預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，股骨頭為各向異性材料具有各向異性的粘彈性力學(xué)性質(zhì)。

（7）股骨頭為粘彈性固體生物材料。

［1］victor H．Frankel Margareta Nordin主編 戴克戎、王以進(jìn)、周健男等譯．骨骼系統(tǒng)的生物力學(xué)基礎(chǔ)［M］．吉林科技出版社，1986．1．

［2］于 濤．保留股骨頸解剖型股骨上端假體的生物力學(xué)研究［D］．吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2003．1．