老年腰椎松質骨對應力松弛特性的影響

李亞軍 李新穎 羅 民 (吉林大學數學學院，吉林 長春 30036)

脊柱椎體松質骨的黏彈性特性研究是脊柱矯形、脊柱骨折、脫位等損傷修復、功能重建、再生機制的重要基礎之一。骨力學是生物學的重要分支，研究骨組織在外力作用下的力學特性和骨受力后的生物效應，是對骨質進行平定的一種可靠方法，骨重建、骨再造、矯形外科開展的人工關節置換術等都需要了解松質骨的力學特性〔1～3〕。本文對國人老年和青年新鮮尸體L2、L3腰椎松質骨進行應力松弛實驗，觀察青年和老年尸體腰椎松質骨應力松弛力學特性的區別。

1 材料與方法

1.1 材料 實驗標本取自國人青年新鮮尸體L2、L3標本4個，均為男性，20歲1例，25歲1例，70歲1例，75歲1例。死亡之后24 h之內解剖取出L5腰椎標本，尸體標本由吉林大學解剖教研室提供。將標本裝入塑料袋中，密封后置于－20℃冰箱內保存備用。

1.2 試樣加工 實驗前取出標本，在常溫下解凍，沿標本縱向以線鋸切割每組各10個試樣，試樣尺寸為長10 mm，寬5 mm，高5 mm。實驗設備采用日本島津AG-10TA自動控制電子萬能試驗機，載荷通過載荷傳感器傳遞，應變通過機器的應變單元傳遞。

1.3 應力松弛實驗 取每組各10個試樣進行應力松弛實驗，將試樣的原始尺寸輸入到控制機器的計算機內。按參考文獻〔5～7〕的方法分別對每個試樣進行預調處理后進行實驗。將試樣置于裝有pH7.4的生理鹽水的有機玻璃缸內，將有機玻璃缸置于試驗機工作臺上，試樣上端與試驗機壓頭接觸，試驗機帶有－35℃～250℃環境溫箱，可自動調節溫度和保持恒溫。實驗模擬正常人體溫在(36.5±1.0)℃溫度場下進行。以0.5%/s的應變增加速度對標本施加常應變。當青年組應變達到0.26%，應力達到0.42 MPa;老年組應變達到0.22%，應力達到0.42 MPa時使應變保持恒定，應力隨時間改變，不斷下降。計算機程序設定從時間t(0)開始采集數據，每0.6 s采集一個數據，采集10次，之后每10 s采集一個數據，采集40次;之后每136 s采集一個數據，采集50次，共采集100個數據，歷時7 200 s。達到設定時間后打印機自動打印出實驗數據和曲線。

1.4 統計學方法 應用SPSS14.0統計軟件進行分析，實驗數據采用±s表示，采用方差分析和獨立樣本t檢驗。

2 結果

2.1 應力松弛曲線 兩組試樣的應力松弛曲線見圖1，兩組試樣的歸一化應力松弛函數曲線見圖2。實驗結果表明，青年組腰椎松質骨7 200 s應力下降了0.09 MPa、老年組腰椎松質骨7 200 s應力下降了0.06 MPa、青年組腰椎松質骨7 200 s應力下降量顯著大于老年組(P＜0.05)。

圖1 兩組試樣的應力松弛曲線

2.2 歸一化應力松弛函數方程的建立 由圖1可知應力松弛曲線是以對數關系變化的，因此設:

式中c、d為待定常數由圖1可知

將實驗數據代入(2)式解出各組的c、d值，將c、d值代入(1)式得出各組試樣的應力松弛函數方程:

老年組:G(t)=

(3)、(4)式代表青年組、老年組L2、L3腰椎松質骨的應力松弛特性。

3 討論

應力松弛最初1 200 s應力下降較快，之后應力緩慢下降，達到7 200 s時應力松弛曲線趨于水平。應力松弛曲線是以對數關系變化的。大體觀察實驗后試樣的縱向截面發現，青年組腰椎松質骨骨小梁排列細密，老年腰椎松質骨骨小梁排列稀疏，孔隙較大，有部分骨小梁斷裂，具有典型的老年骨質疏松的表現形式。原發性骨質疏松是以骨量減少，骨的微觀結構退化，骨小梁稀疏、變細，骨的脆性增加，易發生骨折的一種全身性疾病。老年組腰椎松質骨由于骨質疏松，骨的微觀結構發生了變化，使腰椎松質骨在恒應變作用下的應力松弛特性發生了改變，所以其7 200 s應力下降量小于青年組。腰椎是骨質疏松最常見和最早受累的部位，骨質疏松引起的骨密度下降常引起腰椎微小壓縮性骨折，進而出現骨結構變形，甚至出現脊柱側凸〔5〕。在成人皮質骨約占骨量的80%，另外約20%為松質骨。雖然骨總量僅20%為松質骨，但其表面積與體積之比卻是皮質骨的10倍。松質骨代謝活性很高，其代謝轉換率是皮質骨的8倍，因此，在骨量變化早期即可出現骨小梁數目減少和連接中斷。研究顯示，整體骨的骨密度并不能完全提示骨強度的變化〔6〕。Rüegsegger等〔7〕研究發現，松質骨的骨密度隨著年齡的增長逐漸減少，骨小梁數目減少，連接中斷，而皮質骨的骨密度在20～70歲人群中保持在相對穩定的水平。測定腰椎椎體松質骨的變化對骨質疏松的發生具有很高的預測能力〔6〕。本實驗為預防老年骨質疏松的預測提供了生物力學基礎。

1 Burns ML.Analysis of load deflection behavior of intervertebral discs under axial compression using exact parametric solutions of Kelvin-solid models〔J〕.Biomech，1980;13(11):959-64.

2 Burns ML，Kaleps I，Kazarian LE.Analysis of compressive creep behavior of the rertebral unit subjected to a uniform axial loading using exact parametric Solution eguatirns〔J〕.Biomechanics，1984;17(2):113-30.

3 劉慶利，權鐵剛，于 濤，等.股骨頸松質骨三方向壓縮應力松弛蠕變實驗〔J〕.生物醫學工程研究，2008;27(2):93-6.

4 竇連運，趙 宏，權鐵剛.股骨下端松質骨橫向拉伸應力松弛方程〔J〕.試驗技術與試驗機，2007;47(3):16-8.

5 Broe KE，Hannan MT，Kiely DK，et al.Predicting fractures using bone mineral density:a prospective study of long-term care residents〔J〕.Osteoporos Int，2000;11(9):765-71.

6 Wainwright SA，Marshall LM，Ensrud KE，et al.Hip fracture in women without osteoporosis〔J〕.J Clin Endocrinol Metab，2005;90(5):2787-93.

7 Rüegsegger P，Durand E，Dambacher MA.Localization of regional forearm bone loss from high resolution computed tomographic images〔J〕.Osteoporos Int，1991;1(2):76-80.