正常与老年股骨头坏死松质骨拉伸与压缩实验研究

作者:赵宝林[1] 
单位:吉林大学中日联谊医院[1]
   【摘要】 目的 研究正常股骨头松质骨和老年股骨头坏死松质骨的拉伸、压缩力学性质,为临床提供生物力学参数。方法 对正常和老年股骨头坏死松质骨进行拉伸、压缩实验。结果 得出了正常组和老年组股骨头松质骨拉伸、压缩应力、应变,弹性模量等数据及曲线。结论 老年组股骨头松质骨应力、应变,弹性模量等显著低于正常组。 
   以往骨力学性质的研究很少以松质骨为研究对象。近20年来由于年龄相关性骨折、骨质疏松及骨重建等临床上的基础问题迫切需要解决,才使得松质骨的研究屡见报道,如目前矫形外科正在大力开展的人工关节置换术〔1〕,而这些植入物主要置于松质骨中,搞清松质骨力学性质才能使植入的人工材料力学性质与松质骨的力学性质尽可能相近,以使其坚强固定,避免松动。股骨头坏死一直是国内外学者们研究的重要课题。搞清楚股骨头松质骨的黏弹性力学性质对预防和治疗股骨头坏死,对人工关节的研究都具有重要意义。鉴于实际的临床需要,作者对正常和老年股骨头坏死松质骨进行拉伸、压缩实验。
1 材料与方法
1.1 材料 
   正常组8个标本均取自正常国人急性头部外伤致死的新鲜男性尸体,年龄19~28岁;老年组股骨头坏死标本8个,年龄60~68岁,取自股骨头坏死、髋关节置换病人的股骨头。正常组标本于死者死亡后1~2 h之内解剖取下股骨头。正常与病态标本取下后用生理盐水浸透的沙布包裹,装入塑料袋中,密封后置于-20℃冰箱内保存。
1.2 试样制备 
   以骨刀沿标本纵向切取标本,以万能工具、显微镜测量试样的原始尺寸。拉伸试样长30.2~35.2 mm,宽10.2~10.8 mm,厚2.2~2.5 mm。压缩试样高5.2~5.8 mm,宽3.5~3.6 mm,厚2.8~3.2 mm。
1.3 拉伸实验 
   拉伸实验设备为日本岛津AG-10TA自动控制电子万能试验机。载荷由载荷传感器传递,位移由光电编码器传递,应变由机器的应变单元传递。将试样的原始尺寸输入到控制机器的计算机内。骨组织的弹性主要来自熵的改变,因而不存在唯一的状态,这样组织会随加载、卸载循环次数而变化,要多次重复才能达到稳定状态。本实验在最大应力为破坏应力的30%下对试样反复加、卸载30次,预调处理后正式实验〔2,3〕。试验机带有-35℃~250℃可调环砍温箱。本实验模拟正常人体温,在36.5℃±0.5℃的温度场下进行,以5 mm/min实验速度对试样进行拉伸,实验结束后计算机自动输出最大载荷、应力、硬变、弹性模量等数据。
1.4 压缩实验 
   试样预调处理与实验温度同拉伸实验,以5 mm/min实验速度对试样进行压应力直至试样破坏,计算机自动输出最大载荷、最大应力、最大应变、弹性模量等数据。
1.5 统计学方法 
   采用t检验。
2 结 果
2.1 两组松质骨拉伸实验结果
2.2 压缩实验结果   
3 讨 论
  髋关节由于其球窝结构具有内在的稳定性。稳定的髋关节能使人进行日常生活中所必需的大范围活动,如行走、坐和蹲,所以髋关节必须要能够精确对合,外伤、超重等均可导致关节软骨和骨内的应力分布改变而引起退行性关节炎,这种关节损害可因关节承受巨大的力而进一步加剧〔5〕,直至引起股骨头坏死。
  股骨头是髋关节球窝结构的突出部分,它形成球体的2/3,覆盖股骨头的软骨面在中间部分最厚,而在周边处最薄。软骨厚度的变化使股骨头的不同区域有不同的强度和刚度〔5〕。关节表面活动可以认为是股骨头在髋臼内的活动,球与窝在三个平面内围绕股骨头旋转中心转动产生关节表面滑动,如果股骨头与髋臼不相适应,滑动将不平行于表面或不沿表面切向使关节软骨及股骨头密质骨和松质骨受到异常压缩分离,打乱了股骨头正常的应力分布,这也是股骨头坏死的发病原因之一。
  拉伸、压缩实验结果表明,老年股骨头坏死组应力松弛量明显低于正常组。骨胶原组织主要由三种纤维组成,即弹性纤维,胶原纤维和网状纤维,胶原纤维使胶原组织具有一定的强度和刚度。分析认为老年组松质骨由于股骨头坏死,作用于股骨头的应力分布改变,过高的应力使弹性纤维、胶原纤维、网状纤维均遭到破坏所以其拉伸、压缩度降低。
参考文献】 
   1 郭玉明,张宏民,朱 健,等.松质骨黏弹性质的实验研究〔J〕.中国生物医学工程学报,2000;19(4):272.
   2 马洪顺,陆 有,杨清江,等.静脉血管应力松弛实验研究〔J〕.中国生物医学工程学报,1996;15(1):94-6. 
   3 马洪顺,朱伟民,贺家宁,等.小儿肠套叠肠管与人阑尾归一化应力松弛函数蠕变函数〔J〕.中国生物医学工程学报,1998;17(4):367-73. 
   4 冯元桢.生物力学〔M〕.北京:科学出版社,1983:155-7. 
   5 Victor H,Frankel Margareta Nordin著.戴克戎,王以进,周健男等译.骨骼系统的生物力学基础〔M〕.上海:学林出版社,1985:157-8.
    2010/6/25 11:09:58     访问数:277
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