吳淑琴

(中北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院 ,山西 太原 030051)

骨組織材料屬性的準確設(shè)置,對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(如強度、應(yīng)變、楊氏模量等)的變化情況,計算了分析骨骼材料的強度和剛度,以獲取更多有關(guān)骨力學(xué)的完整信息,為臨床上對骨質(zhì)進行準確評定提供了有效手段[3-4].由于骨材料受種族、解剖部位、表觀密度等因素的影響,測試試樣的統(tǒng)一性很難保證,國內(nèi)對皮質(zhì)骨的研究相對較少,且大都對同一批試樣只采取單一加載的測試方式[5],因此缺乏對材料力學(xué)特性的全面獲取.為此,本文對正常人股骨干皮質(zhì)骨在股骨干縱向取樣,對制備的同一批股骨試樣分別進行了軸向拉伸、壓縮和三點彎曲試驗這三種不同的力學(xué)加載試驗測試,同時獲得同批骨試樣抗拉、抗壓以及抗彎的力學(xué)性能指標,使其結(jié)果更具有說服力[6-8].另外,對皮質(zhì)骨試樣的取樣位置、尺寸設(shè)計和試驗方法等進行了研究,并成功摸索出了一套標準骨試樣加工制備的工藝方法,為進一步深入研究皮質(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)試驗的標準化制定打下了基礎(chǔ).

1 測試材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料來源于北京積水潭醫(yī)院提供的正常國人新鮮尸體股骨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.試驗前取出材料,在常溫下解凍備用.

1.2 方 法

測試樣本的設(shè)計與制備:在材料測試中,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.股骨是長骨,形狀較為規(guī)則,易于得到外形標準且骨量較大的骨試樣,但由于骨骼本身連續(xù)變化的特點,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,一方面參考國內(nèi)外文獻中試樣的幾何尺寸[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等人研究認為[14]:當縱橫比達到 2∶1時,骨試樣試驗精度達到最高.根據(jù)以上結(jié)論,考慮到拉伸與三點彎曲試驗中試樣的有效長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)文獻研究,本文選擇的位置為股骨小轉(zhuǎn)子底部以遠 20～ 140 mm.在每段股骨小轉(zhuǎn)子底部以下 20 mm處,向股骨干遠端方向依次取下長度均為 30 mm的連續(xù)股骨環(huán)段 4段,計為區(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,冷凍切割.材料切割進給系統(tǒng)使用二自由度運動控制平臺,步進電機驅(qū)動絲杠實現(xiàn)精確定位,設(shè)定程序后切割過程自動進行.切割精度達 0.1 mm,以保證骨試樣的尺寸符合標準.共獲得 60個標準骨試樣,其中:20個 5 mm× 5 mm× 30 mm拉伸件,20個5 mm×5 mm× 30 mm彎曲件,以及20個 5 mm×5 mm×10 mm壓縮件(圖2).

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

利用游標卡尺對每個骨試樣的幾何尺寸進行多次測量,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.試驗前使用分析天平測量每個骨試樣的濕重,計算求得試樣密度為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

2.1 股骨干皮質(zhì)骨材料拉伸試驗

股骨干皮質(zhì)骨拉伸試驗在島津 AG-IS自動控制電子萬能材料試驗機上進行.將試樣兩端裝夾于試驗機板狀夾具內(nèi),夾頭采用氣動控制,夾板上增加斜向紋路以增大摩擦.在試驗中對兩端裝夾部分纏裹紗布避免端面被夾壞造成試驗失敗.骨試樣總尺寸為 5 mm×5 mm×30 mm,有效長度為 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,通過材料試驗機自帶軟件程序記錄載荷信息與位移信息.

試驗中加載速度的設(shè)定是參考 S.M.Synder[15]對皮質(zhì)骨試驗的推薦測試條件,選擇設(shè)定為 0.6 mm/min,即應(yīng)變率為 0.01,符合人體在正?；顒訒r骨應(yīng)變的變化范圍.測試過程中使骨試樣保持濕潤.首先進行加載速度為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,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的加載速度進行單次破壞力學(xué)加載,直至骨試樣被破壞.

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

骨試樣破壞后,計算機輸出時間、載荷-位移曲線等試驗數(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)骨拉伸試驗結(jié)果見表1.

經(jīng)過計算分析,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

股骨干皮質(zhì)骨壓縮試驗也在島津材料試驗機上進行,載荷由力學(xué)載荷傳感器傳遞,位移由光電編碼器傳遞,通過材料試驗機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,從而減小試驗誤差.

在試驗過程中,利用生理鹽水濕潤試樣.采取先進行加載速度為 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;再進行單次破壞加載,加載速度為 0.6 mm/min.試驗結(jié)束后計算機自動輸出試驗結(jié)果.從記錄曲線和所測參數(shù)求出壓縮彈性模量 Ey,試驗結(jié)果見表2.

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

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

骨試樣破壞后,計算機輸出時間、載荷-位移曲線等試驗數(shù)據(jù)(如圖4所示),計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)骨材料三點彎曲試驗

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)骨三點彎曲試驗也在島津材料試驗機上進行,試驗方法采用金屬脆性材料的測試方法.將骨試樣置于材料試驗機自帶的三點彎曲卡具上,卡具跨距為 20 mm.在試驗過程中要保證骨試樣濕潤,采取先進行加載速度為 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;再進行單次破壞加載,加載速度為 0.3 mm/min.實驗結(jié)束后計算機自動輸出試驗結(jié)果.股骨干皮質(zhì)骨三點彎曲試驗結(jié)果見表3.

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

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

骨試樣破壞后,計算機輸出時間、載荷-位移曲線等試驗數(shù)據(jù)(圖5),計算分析得出股骨三點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,骨密度為橫坐標作散點圖進行一次線性擬合,結(jié)果見圖6.不同試驗組的比較分析見圖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 不同實驗組的比較分析Fig.7 Comparative analysis of different experimental groups

3 討 論

根據(jù)尸骨材料本身設(shè)計制備滿足試驗要求的標準骨試樣是非常重要的.本文既參考了文獻又基于材料的實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,制備出了符合標準幾何外形的試樣,并成功地完成了全部試驗,獲得了較好的試驗數(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)試驗總共測試 20個試樣,按照 A,B,C,D 4個區(qū)段劃分為 4組,每組包含 5個試樣.由表1～表3可知,試樣在組內(nèi)、組間以及不同試驗的范圍下,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.

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

從試驗數(shù)據(jù)可知,股骨干皮質(zhì)骨抗壓強度大于抗拉強度,抗彎強度與抗壓強度近似.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.國內(nèi)外的研究者們采取的方法各不相同,因此制定一個骨材料試驗的國際標準是十分必要的,本文的工作希望為標準的制定能提供一些參考.

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