股骨皮質(zhì)骨生物力學(xué)特性研究?

吳淑琴

(中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 ,山西 太原 030051)

骨組織材料屬性的準(zhǔn)確設(shè)置,對(duì)于不同部位骨骼的有限元建模分析有重要的影響[1-2].一般采用力學(xué)加載的方法研究骨在外加載荷(如拉伸、壓縮等)影響下的力學(xué)特征(如強(qiáng)度、應(yīng)變、楊氏模量等)的變化情況,計(jì)算了分析骨骼材料的強(qiáng)度和剛度,以獲取更多有關(guān)骨力學(xué)的完整信息,為臨床上對(duì)骨質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)定提供了有效手段[3-4].由于骨材料受種族、解剖部位、表觀密度等因素的影響,測(cè)試試樣的統(tǒng)一性很難保證,國(guó)內(nèi)對(duì)皮質(zhì)骨的研究相對(duì)較少,且大都對(duì)同一批試樣只采取單一加載的測(cè)試方式[5],因此缺乏對(duì)材料力學(xué)特性的全面獲取.為此,本文對(duì)正常人股骨干皮質(zhì)骨在股骨干縱向取樣,對(duì)制備的同一批股骨試樣分別進(jìn)行了軸向拉伸、壓縮和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)這三種不同的力學(xué)加載試驗(yàn)測(cè)試,同時(shí)獲得同批骨試樣抗拉、抗壓以及抗彎的力學(xué)性能指標(biāo),使其結(jié)果更具有說服力[6-8].另外,對(duì)皮質(zhì)骨試樣的取樣位置、尺寸設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法等進(jìn)行了研究,并成功摸索出了一套標(biāo)準(zhǔn)骨試樣加工制備的工藝方法,為進(jìn)一步深入研究皮質(zhì)骨的力學(xué)性質(zhì),滿足臨床醫(yī)學(xué)要求以及骨材料力學(xué)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化制定打下了基礎(chǔ).

1 測(cè)試材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料來源于北京積水潭醫(yī)院提供的正常國(guó)人新鮮尸體股骨6根,保留完整股骨干及股骨頭部分,去除骨表面的肌肉、韌帶等組織.所有尸骨材料以浸有生理鹽水的棉紗布包裹,裝入塑封袋中,密封后置于 -20℃下低溫冷凍保存.試驗(yàn)前取出材料,在常溫下解凍備用.

1.2 方 法

測(cè)試樣本的設(shè)計(jì)與制備:在材料測(cè)試中,取樣的原則是假定試樣在本身的尺寸下其本身性質(zhì)均勻和穩(wěn)定.股骨是長(zhǎng)骨,形狀較為規(guī)則,易于得到外形標(biāo)準(zhǔn)且骨量較大的骨試樣,但由于骨骼本身連續(xù)變化的特點(diǎn),試樣尺寸不應(yīng)太大.另外,應(yīng)滿足試樣的連續(xù)性假設(shè),即試樣包含至少5個(gè)連續(xù)的骨小梁,因此試樣尺寸也不能太小.為此,一方面參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中試樣的幾何尺寸[9-10],另一方面通過 CT掃描圖片掌握股骨干內(nèi)部的骨厚分布情況,來確定骨試樣的幾何外形尺寸以及具體的取樣位置[11-13].

研究表明:隨著尺寸與縱橫比的增加,骨試樣的隨機(jī)誤差減小,但是由于股骨皮質(zhì)骨剖面呈圓環(huán)狀,受到尺寸限制,故骨樣件的橫截面壁厚一般小于 6 mm.而 F.Linde等人研究認(rèn)為[14]:當(dāng)縱橫比達(dá)到 2∶1時(shí),骨試樣試驗(yàn)精度達(dá)到最高.根據(jù)以上結(jié)論,考慮到拉伸與三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中試樣的有效長(zhǎng)度小于試樣本身尺寸,將尺寸規(guī)格定為5 mm×5 mm×30 mm;壓縮試樣的尺寸則使用5 mm×5 mm×10 mm.另外,在取材位置選擇上,根據(jù) CT圖像以及相關(guān)文獻(xiàn)研究,本文選擇的位置為股骨小轉(zhuǎn)子底部以遠(yuǎn) 20～ 140 mm.在每段股骨小轉(zhuǎn)子底部以下 20 mm處,向股骨干遠(yuǎn)端方向依次取下長(zhǎng)度均為 30 mm的連續(xù)股骨環(huán)段 4段,計(jì)為區(qū)段 A,B,C,D,如圖1所示.

圖1 骨試樣取樣位置Fig.1 Bone specimen sampling position

在骨試樣樣條具體加工制備的過程中,切割工具選用數(shù)控精密切割機(jī),冷凍切割.材料切割進(jìn)給系統(tǒng)使用二自由度運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)精確定位,設(shè)定程序后切割過程自動(dòng)進(jìn)行.切割精度達(dá) 0.1 mm,以保證骨試樣的尺寸符合標(biāo)準(zhǔn).共獲得 60個(gè)標(biāo)準(zhǔn)骨試樣,其中:20個(gè) 5 mm× 5 mm× 30 mm拉伸件,20個(gè)5 mm×5 mm× 30 mm彎曲件,以及20個(gè) 5 mm×5 mm×10 mm壓縮件(圖2).

圖2 骨試樣加工Fig.2 Bone specimens p rocessing

利用游標(biāo)卡尺對(duì)每個(gè)骨試樣的幾何尺寸進(jìn)行多次測(cè)量,求均值并記錄,尺寸為 4.95 mm×4.93 mm× 29.91 mm和 4.97 mm× 4.97 mm×10.09 mm,精度符合要求.試驗(yàn)前使用分析天平測(cè)量每個(gè)骨試樣的濕重,計(jì)算求得試樣密度為1.89 g/cm3和 1.86 g/cm3,與皮質(zhì)骨的平均密度1.8 g/cm3較為接近.

2 股骨皮質(zhì)骨材料力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 股骨干皮質(zhì)骨材料拉伸試驗(yàn)

股骨干皮質(zhì)骨拉伸試驗(yàn)在島津 AG-IS自動(dòng)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.將試樣兩端裝夾于試驗(yàn)機(jī)板狀?yuàn)A具內(nèi),夾頭采用氣動(dòng)控制,夾板上增加斜向紋路以增大摩擦.在試驗(yàn)中對(duì)兩端裝夾部分纏裹紗布避免端面被夾壞造成試驗(yàn)失敗.骨試樣總尺寸為 5 mm×5 mm×30 mm,有效長(zhǎng)度為 10 mm,縱橫比為 2∶1.載荷由力學(xué)載荷傳感器傳遞,位移由光電編碼器傳遞,通過材料試驗(yàn)機(jī)自帶軟件程序記錄載荷信息與位移信息.

試驗(yàn)中加載速度的設(shè)定是參考 S.M.Synder[15]對(duì)皮質(zhì)骨試驗(yàn)的推薦測(cè)試條件,選擇設(shè)定為 0.6 mm/min,即應(yīng)變率為 0.01,符合人體在正常活動(dòng)時(shí)骨應(yīng)變的變化范圍.測(cè)試過程中使骨試樣保持濕潤(rùn).首先進(jìn)行加載速度為0.6 mm/min,加載力為 0～30 N,循環(huán)次數(shù)為3次的預(yù)加載試驗(yàn),使骨試樣處于良好的力學(xué)性能狀態(tài);接下來以 0.6 mm/min的加載速度進(jìn)行單次破壞力學(xué)加載,直至骨試樣被破壞.

圖3 拉伸試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curv e of tensile test

骨試樣破壞后,計(jì)算機(jī)輸出時(shí)間、載荷-位移曲線等試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖3),拉伸彈性模量 E l由記錄曲線彈性段采集數(shù)據(jù)而求出,具體數(shù)據(jù)處理采用J.C.Lotz[16]提出的方法.股骨干皮質(zhì)骨拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表1.

經(jīng)過計(jì)算分析,股骨拉伸樣件的平均密度為1.94± 0.07 g/cm3,可承受的最大拉伸載荷為1.06±0.18 k N,強(qiáng)度極限為 44.05±8.81 MPa.拉伸彈性模量為 0.36±0.06 GPa.

表1 股骨皮質(zhì)骨拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of femoral cortical bone tensile

2.2 股骨干皮質(zhì)骨材料壓縮試驗(yàn)

股骨干皮質(zhì)骨壓縮試驗(yàn)也在島津材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,載荷由力學(xué)載荷傳感器傳遞,位移由光電編碼器傳遞,通過材料試驗(yàn)機(jī)自帶軟件程序記錄載荷信息與位移信息.壓頭選用自適應(yīng)壓頭,其特點(diǎn)是能在一定角度范圍內(nèi)調(diào)整壓頭平面,使其和試樣上表面緊密貼合,從而減小試驗(yàn)誤差.

在試驗(yàn)過程中,利用生理鹽水濕潤(rùn)試樣.采取先進(jìn)行加載速度為 0.6 mm/min,加載力為 0～30 N,循環(huán)次數(shù)為3次的預(yù)加載試驗(yàn);再進(jìn)行單次破壞加載,加載速度為 0.6 mm/min.試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出試驗(yàn)結(jié)果.從記錄曲線和所測(cè)參數(shù)求出壓縮彈性模量 Ey,試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 股骨皮質(zhì)骨壓縮試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Comp ression test results of femoral cortical bone

圖4 壓縮試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve of compression test

骨試樣破壞后,計(jì)算機(jī)輸出時(shí)間、載荷-位移曲線等試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如圖4所示),計(jì)算分析得出股骨壓縮樣件的平均密度為 1.86±0.02 g/cm3,可以承受的最大壓縮載荷為 3.63±0.16 kN,強(qiáng)度極限為 146.56±5.22 MPa.壓縮彈性模量為3.50±0.11 GPa.

2.3 股骨干皮質(zhì)骨材料三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

由于很多情況下骨折與彎曲載荷有關(guān),因此有必要掌握骨在彎曲載荷下的力學(xué)性質(zhì).股骨干皮質(zhì)骨三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)也在島津材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)方法采用金屬脆性材料的測(cè)試方法.將骨試樣置于材料試驗(yàn)機(jī)自帶的三點(diǎn)彎曲卡具上,卡具跨距為 20 mm.在試驗(yàn)過程中要保證骨試樣濕潤(rùn),采取先進(jìn)行加載速度為 0.3 mm/min,加載力為0～ 30 N,循環(huán)次數(shù)為 3次的預(yù)加載試驗(yàn);再進(jìn)行單次破壞加載,加載速度為 0.3 mm/min.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出試驗(yàn)結(jié)果.股骨干皮質(zhì)骨三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 股骨皮質(zhì)骨三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Three point bending experiment results of femoral cortical bone

圖5 彎曲試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of bending test

骨試樣破壞后,計(jì)算機(jī)輸出時(shí)間、載荷-位移曲線等試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖5),計(jì)算分析得出股骨三點(diǎn)彎曲樣件的平均密度為 1.90±0.04 g/cm3,可承受的最大載荷為 0.58± 0.03 k N,強(qiáng)度極限為141.53±7.46 MPa.彎曲彈性模量為 6.86±0.53 GPa,表面硬度為 2 137.6±159.8 N/mm.

進(jìn)一步比較骨樣件密度與彎曲彈性模量之間的關(guān)系,以彈性模量為縱坐標(biāo),骨密度為橫坐標(biāo)作散點(diǎn)圖進(jìn)行一次線性擬合,結(jié)果見圖6.不同試驗(yàn)組的比較分析見圖7.

由圖6知,隨著骨密度的增加,骨的彈性模量隨之變大,并存在一定的比例關(guān)系.

圖6 三點(diǎn)彎曲模量與密度的線性擬合Fig.6 Linear fitting of modulus and d ensity of three point bending test

圖7 不同實(shí)驗(yàn)組的比較分析Fig.7 Comparative analysis of different experimental groups

3 討 論

根據(jù)尸骨材料本身設(shè)計(jì)制備滿足試驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)骨試樣是非常重要的.本文既參考了文獻(xiàn)又基于材料的實(shí)際情況確定了取樣位置及試樣尺寸,摸索出了一套加工制備骨試樣的方法,制備出了符合標(biāo)準(zhǔn)幾何外形的試樣,并成功地完成了全部試驗(yàn),獲得了較好的試驗(yàn)數(shù)據(jù),表明該方法具有一定的合理性,為后續(xù)的研究工作提供了基礎(chǔ).

每種力學(xué)試驗(yàn)總共測(cè)試 20個(gè)試樣,按照 A,B,C,D 4個(gè)區(qū)段劃分為 4組,每組包含 5個(gè)試樣.由表1～表3可知,試樣在組內(nèi)、組間以及不同試驗(yàn)的范圍下,其密度和橫截面積都表現(xiàn)出了極高的相似性,波動(dòng)范圍很小,表明試樣的原材料與加工制備都具有很高的統(tǒng)一性.

在本實(shí)驗(yàn)中,拉伸彈性模量為0.360 1 GPa,壓縮彈性模量為 3.499 1 GPa,三點(diǎn)彎曲的彈性模量為 6.860 9 GPa.壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn) [3]結(jié)果相符,但略低于皮質(zhì)骨的平均楊氏模量(約20 GPa).

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,股骨干皮質(zhì)骨抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度,抗彎強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度近似.壓縮彈性模量大于拉伸彈性模量,彎曲彈性模量大于壓縮彈性模量(圖7).比較骨樣件密度與彎曲彈性模量之間的關(guān)系可知,隨著骨密度的增加,骨的彈性模量隨之變大,并存在一定的比例關(guān)系.

影響皮質(zhì)骨力學(xué)性質(zhì)的因素很多,在盡量減少外源性影響的前提下,能夠?qū)ν辉嚇荧@得盡可能多的力學(xué)性能信息是十分有意義并且是必要的.國(guó)內(nèi)外的研究者們采取的方法各不相同,因此制定一個(gè)骨材料試驗(yàn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的,本文的工作希望為標(biāo)準(zhǔn)的制定能提供一些參考.

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