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正常与病态股骨头应力松弛蠕变流变特性研究进展

首席医学网      2012年07月22日 15:14:37 Sunday  
 
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作者:李 恒 于巍红 韩忠宝1    作者单位:1 吉林大学前卫校区医院 (吉林大学朝阳校区医院外科,吉林 长春 130061)

【关键词】  股骨头;应力;蠕变流变特性

  骨力学是生物力学的分支,其研究已有100多年历史。近年来关于密质骨力学性质研究国内外学者做了大量研究〔1~5〕,关于松质骨的力学性质国内外学者也作了一定研究〔6~11〕,与密质骨的研究比较,对松质骨的研究要少得多,研究深度也远不如密质骨,只有很少报道涉及松质骨的黏弹性行为。股骨头位于股骨上端与髋臼组成髋关节,股骨头是维持髋关节稳定的重要结构,是承受和传递载荷的枢纽,股骨头主要由软骨、密质骨和松质骨组成,其中松质骨占比重较大。本文对股骨头生物力学研究作一综述。

  1 生物力学的概述

  生物力学是一门日益受到广泛重视和应用的边缘学科,涉及生物学、解剖学、生理学、临床医学、力学、数学和工程学等多个方面。其内容主要是以力学的观点解释生物运动的各种现象,并以力学知识去解决医学和体育运动中存在的各种问题。近年实践证明,生物力学是了解生命现象、分析人体运动、研究疾病原因、设计各种人工假体和脏器、改进假肢乃至发展体育运动学、人类学、宇航学等不可缺少的基础科学。

  2 股骨头与股骨头松质骨生物力学的研究现状

  近年来人工全髋关节置换术日益普及。全髋关节置换术适用于:陈旧性股骨颈骨折、老年人头下型新鲜股骨颈骨折、股骨头缺血性坏死、退行性骨关节炎等,其可以达到解除病人痛苦,提高病人生活质量的目的。目前国内外生产的人工假体不断增加,材料不断更新,生产工艺及手术技术不断进步,但是手术后出现假体松动、下沉等并发症也日渐突出,不仅使假体寿命受到限制,而且也给病人造成疼痛,功能障碍,二次手术等痛苦,探讨原因其和手术技术,人工假体设计,人工假体选材有关。国内外学者对股骨上端生物力学、解剖学、影像学等方面做了大量研究。

  2.1 骨的结构

  骨是运动系统重要组成部分,由骨细胞、胶原纤维和基质构成,坚韧而且有弹性。骨可分为骨膜、骨质、骨髓和血管神经等部分。骨质是骨的主要成分,分为密质骨(或皮质骨)和松质骨。皮质骨主要位于股骨干和股骨两端外面的薄层,松质骨主要位于股骨两端及粗隆部,皮质骨和松质骨并不是截然分界的,而是相互移行的;骨膜分为被覆于除关节面以外的股骨外面的骨外膜和衬覆于骨髓腔内面的骨内膜;骨髓充填于骨髓腔及松质骨网眼中,含有大量细胞,具有丰富血管;骨关节面上覆盖关节软骨〔12〕。

  2.2 骨的成分

  骨的化学成分中包含有机物和无机盐类,股骨干内有机物包含骨胶原纤维和黏多糖蛋白,约占骨总量的30%~40%,黏多糖蛋白含有硫酸软骨素、硫酸角质、透明质酸等大分子物质(多糖类),电镜下:骨胶原纤维位于骨板中呈层状排列,这些特点决定了股骨具有弹性和韧性。无机盐类又称为骨盐,主要成分是磷酸钙、碳酸钙、氟化钙和氯化钙等,电镜下:呈细针状结晶,沉积于胶原纤维内,沿纤维长轴规则的平行排列〔13〕,这些骨盐决定了骨的硬度。骨膜是致密的结缔组织纤维膜,关节软骨是透明软骨,活体厚约2~7 mm,为海绵状结构,小孔内含有大量滑液;骨髓富含有多种类型的细胞和网状结缔组织〔14〕。

  3 骨力学研究价值

  骨力学是生物力学的重要分支,它研究骨和骨骺体系的力学问题,骨的组织结构十分复杂,对这种生物材料力学问题的研究无疑是具有重要的理论意义的。因为它不仅能使我们认识骨力学特性,而且将会对力学学科发展,新材料研究,各种人工假体、器官的研究产生影响,对研究骨组织结构力学效应,从而进一步揭示生命奥秘〔15〕具有积极意义。

  4 松质骨黏弹性研究

  Linde等〔16〕、Zilch等〔17〕都观察到松质骨的黏弹性行为,郭玉明报道了胫骨松质骨黏弹性实验研究〔18〕。

  于涛〔2〕对股骨颈松质骨三方向压缩应力松弛蠕变进行了研究。得出了股骨头3个方向具有不同的应力松驰,蠕变流变等特性,股骨头松质骨为各向异性材料。

  程杰平等〔19〕研究了股骨颈松质骨的拉伸应力松驰特性。对0°、45°、90°方向股骨颈松质骨标本进行应力松驰实验。得出了90°方向组应力松驰量大于0°和45°方向组的结论。

  赵宝林等〔20〕研究了股骨头松质骨的力学性质,对正常中国人新鲜尸体股骨头松质骨进行拉伸、压缩、扭转、弯曲、剪切实验。得出股骨头松质骨抗压强度大于抗拉强度,压缩弹性模量大于拉伸弹性模量,扭转强度大于剪切强度的结论。

  Liu等〔21〕建立了归一化应力松驰函数方程和归一化蠕变函数方程,得出了病态股骨头黏弹性指标低于正常组的结论。

  5 胶原纤维的排列方向及结构与力学性能之间的相关性

  近年来对胶原纤维的排列方向及结构与力学性能之间的相关性研究进一步提示,胶原纤维是一个影响骨力学性能极为重要的因素〔21〕。这是由于胶原纤维是基质的主要成分,羟基磷灰石一般沉积与胶原纤维头尾之间的空隙内,换言之,胶原纤维的排列方向决定了羟基磷灰石沉积位置,二者高度有序的结合使骨具有良好力学性能。骨胶原组织主要由3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,弹性纤维使胶原组织具有一定的延伸能力。分析认为病态组松质骨由于股骨头坏死,作用于股骨头的应力分布改变,过高的应力使松质骨胶原组织的弹性纤维、胶原纤维、网状纤维均遭到一定破坏,并且排列紊乱,所以其应力松弛,蠕变量丢失,达到相对平衡时间也长。

  6 松质骨和皮质骨各向异性力学特征

  松质骨和皮质骨同样也是一种各向异性材料,皮质骨的各向异性特性取决于骨单位的排列方向,而松质骨的各向异性则主要由骨小梁的空间排列方向所决定。研究表明,骨小梁的排列及分布可直接影响松质骨的弹性模量、强度极限等各向异性力学特征〔5,22〕。分析认为病态组由于股骨头坏死,作用于股骨头的应力改变,过高的应力使弹性纤维、胶原纤维、网状纤维遭到破坏,所以其应力松弛量,蠕变量降低,应力松弛、蠕变速度慢,达到相对平衡点时间长。

  7 股骨头黏弹性与年龄相关性

  股骨头黏弹性与年龄密切相关,年龄越大应力或应变变化更加缓慢,尤其是50岁以上表现更为突出,分析认为50岁以上年龄段都伴有一定的骨质疏松,所以其黏弹性更差。

  综上,股骨头和人体的其他组织一样,均为生物黏弹性固体,具有黏弹性流变特性,这种黏弹性流变特性是人的生理功能所需要的,股骨头的黏弹性流变特性对于维持髋关节稳定具有重要作用。搞清股骨头坏死、股骨头的黏弹性流变特性、对于人工假体新材料的研究和设计具有重要意义。

【参考文献】
    1 Kuhn JL,Goldstein SA,Choi K,et al.Comparison of the trabecular and cortical tissue moduli from human iliac crests〔J〕.J Orthop Res,1989;7:876-84.

  2 Martens RB,Ishida J.The relative effects of collagen fiber orientation,porosity,density,and mineralization on bone strength〔J〕.J Biomech,1989;22:419-26.

  3 马洪顺,林 曦,褚怀德,等.人长管状骨生物力学性能〔J〕.实验技术与试验机,1990;30(2):37-8.

  4 杨思德,宁英吉.人骨断裂的实验研究.生物力学研究和应用〔M〕.广州:华南理工大学出版社,1990:524-52.

  5 Gibson LJ.The mechanical behaviour of cancellous bone 〔J〕.J Biomech,1985;18;317-28.

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  10 郭玉明,贾潇凌.国人胫骨松质骨力学性质的试验研究〔J〕.中国生物医学工程学报,1999;18(3):250-5.

  11 赵宝林,张 外,马洪顺.股骨松质骨弯曲实验研究〔J〕.试验技术与试验机,2002;42(3):80-1.

  12 于 频.系统解剖学〔M〕.北京:人民卫生出版社,2000:1-55.

  13 张瑞萍,吴文周.考虑粘弹性性能的密质骨损伤本构模型的研究〔J〕.中国生物医学工程学报,1999;18(6):194-6.

  14 石玉秀.组织学与胚胎学〔M〕.北京:人民卫生出版社,1997:7.

  15 杨桂通,吴文周.骨力学〔M〕.北京:科学出版社,1989:1-3.

  16 Linde F,Hvid I.Stiffness behavior of trabecular bone specimens〔J〕.J Biomech,1987;20(1):83-9.

  17 Zilch H,Rohlmann A,Bergmann G,et al.Material properties of femoral cancellous bone in axial loading part II:time dependent properties〔J〕. Arch Orthop Trauma Surg,1980;97(4):257-62.

  18 郭玉明,张宏民,朱 健,等.松质骨粘弹性质的实验研究〔J〕.中国生物医学工程学报,2000;19(3):272-3.

  19 程杰平,马洪顺,禇怀德,等.股骨颈松质骨拉伸应力松驰实验研究〔J〕.医用生物力学,2004;19(3):157-9.

  20 赵宝林,程杰平,马洪顺.股骨头松质骨力学性质实验研究〔J〕.医用生物力学,2003;18,(4):234-8.

  21 Liu SH,Yang RS,al-Shaikh R,et al.Collagen in tendon,ligament,and bone healing.A current review〔J〕.Clin Orthop Relat Res,1995;(318):265-78.

  22 Goldstein SA,Goulet R,McCubbrey D.Measurement and significance of three-dimensional architecture to the mechanical integrity to trabecular bone〔J〕.Callif Tissue Int,1993;53(Suppl.l):s127-33.

  (编辑 袁左鸣/张 慧)

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