老年胸腰椎松質(zhì)骨的扭轉(zhuǎn)力學(xué)特性

吳丹凱李新穎1李鵬2

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院，吉林長春130025)

摘要〔〕目的對正常國人青年和老年新鮮尸體腰椎松骨進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實驗，確定老年尸體松質(zhì)骨和青年尸體腰椎松質(zhì)骨是否具有不同的扭轉(zhuǎn)力學(xué)性質(zhì)。方法死后1 h之內(nèi)解剖取出死者腰椎T12～L2標(biāo)本，將T12-L2標(biāo)本沿縱向切成長30 mm，寬5 mm，高5 mm的試樣，每組各20個試樣。在扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)上以2/s的實驗速度對試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實驗。結(jié)果青年組胸腰椎松質(zhì)骨最大扭矩值為(12.4±1.9)N·cm，最大扭轉(zhuǎn)角為(8.2±1.2)°，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為(4.8±0.7)MPa，老年組胸腰椎松質(zhì)骨最大扭矩值為(9.5±2.0)N·cm，最大扭轉(zhuǎn)角為(5.2±1.0)°，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為(3.6±0.8)MPa。青年組腰椎松質(zhì)骨最大扭矩值，扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力顯著大于老年組(P<0.05)。結(jié)論青年組脊柱腰椎松質(zhì)骨和老年組脊柱腰椎松質(zhì)骨具有不同的扭轉(zhuǎn)力學(xué)特性，老年組試樣由于骨質(zhì)疏松，扭轉(zhuǎn)力學(xué)特性發(fā)生改變。

關(guān)鍵詞〔〕腰椎；松質(zhì)骨；扭矩；切應(yīng)力

中圖分類號〔〕R318.01〔

通訊作者：李鵬(1980-)，男，碩士，工程師，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程與生物力學(xué)研究。

1吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院2吉林大學(xué)南嶺校區(qū)工程力學(xué)系

第一作者：吳丹凱(1973-)，男，博士，副主任醫(yī)師，主要從事骨科臨床和生物力學(xué)的研究。

骨力學(xué)是生物學(xué)的重要分支，研究骨組織在外力作用下的力學(xué)特性和骨受力后的生物效應(yīng)，是對骨質(zhì)進(jìn)行平定的一種可靠方法。近年由于骨質(zhì)疏松、重建、骨再造、矯形外科開展的人工關(guān)節(jié)置換術(shù)等都需要了解松質(zhì)骨的力學(xué)特性〔1〕。高明等〔2〕報道了對正常國人青年和老年新鮮尸體腰椎松質(zhì)骨進(jìn)行沖擊實驗研究,結(jié)果表明老年組腰椎松質(zhì)骨的沖擊力學(xué)特性因老年性骨質(zhì)疏松發(fā)生一定變化,其沖擊力學(xué)性能顯著降低。呂雅平等〔1〕報道了對老年尸體松質(zhì)骨和青年尸體腰椎松質(zhì)骨剪切實驗研究，結(jié)果表明青年組脊柱腰椎松質(zhì)骨和老年組具有不同的剪切力學(xué)特性。臧虎等〔3〕報道了對正常國人青年和老年新鮮尸體胸椎松骨進(jìn)行沖擊實驗研究，分析胸椎松質(zhì)骨的沖擊力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明，青年組胸椎松質(zhì)骨沖擊功、沖擊韌性均顯著大于老年組。胸椎松質(zhì)骨沖擊實驗斷口多數(shù)為粉碎性斷口，少數(shù)為橫斷口或斜斷口。宏觀觀察青年組腰椎松質(zhì)骨骨小梁排列細(xì)密，老年組腰椎松質(zhì)骨骨小梁排列稀疏，孔隙較大，呈現(xiàn)出老年骨質(zhì)疏松的表現(xiàn)形式，認(rèn)為青年組脊柱胸椎松質(zhì)骨和老年組脊柱胸椎松質(zhì)骨具有不同的沖擊力學(xué)特性，老年組試樣由于骨質(zhì)疏松導(dǎo)致沖擊力學(xué)特性發(fā)生改變的結(jié)論。以往研究〔1～3〕多以研究青年和老年尸體胸腰椎松質(zhì)骨沖擊、剪切力學(xué)特性居多，而老齡對胸腰椎松質(zhì)骨扭轉(zhuǎn)力學(xué)特性研究鮮有報道。本研究對比青年和老年尸體腰椎松質(zhì)骨扭轉(zhuǎn)力學(xué)的特性差異，以明確青年尸體和老年尸體腰椎松質(zhì)骨受多大扭矩、扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，會引起損傷，損傷后兩組試樣斷口形貌如何，為揭示腰椎松質(zhì)骨扭轉(zhuǎn)損傷的機(jī)制提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料取正常國人新鮮尸體4具，年齡22～70歲。人死亡后1 h之內(nèi)，解剖尸體取出腰段脊柱T12～L2標(biāo)本。立即裝入塑料袋中密封后置于-20℃冰箱內(nèi)保存。標(biāo)本存放了3 d后，取出標(biāo)本，在常溫下解凍后，以骨據(jù)沿T12～L2標(biāo)本縱向切割試樣，每組各20個試樣，試樣長30 mm，試樣寬5 mm，試樣高5 mm，利用讀數(shù)顯微鏡測量試樣的長度、寬度和高度。由于試樣短，為能實現(xiàn)實驗，分別將每個試樣兩端置于直徑為8 mm，長為30 mm的模具內(nèi)，向模具填充以牙托水稀釋的牙托粉固化待用。

參考文獻(xiàn)1.2扭轉(zhuǎn)實驗方法腰椎松質(zhì)骨為粘彈性材料；所以必須對試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)處理，本實驗按〔4，5〕的方法對每個試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)處理后實驗。分別將2組試樣置于扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)的夾頭內(nèi)，驅(qū)動機(jī)器以2/s的實驗速度對試樣施加扭轉(zhuǎn)，試樣破壞后，通過試驗機(jī)的測扭矩度盤和測扭轉(zhuǎn)角度盤讀取試樣的最大扭矩和扭轉(zhuǎn)角值等。

1.3統(tǒng)計學(xué)方法采用SPSS11.0軟件行方差分析和t檢驗。

2結(jié)果

青年組胸腰椎松質(zhì)骨最大扭矩值為(12.4±1.9)N·cm，最大扭轉(zhuǎn)角為(8.2±1.2)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為(4.8±0.7)MPa，老年組胸腰椎松質(zhì)骨最大扭矩值為(9.5±2.0)N·cm，最大扭轉(zhuǎn)角為(5.2±1.0)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為(3.6±0.8)MPa。青年組腰椎松質(zhì)骨最大扭矩值，扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力顯著大于老年組(P<0.05)。宏觀觀察青年組腰椎松質(zhì)骨骨小梁排列細(xì)密，老年組腰椎松質(zhì)骨骨小梁排列稀疏，孔隙較大，呈現(xiàn)出老年骨質(zhì)疏松的表現(xiàn)形式。

3討論

扭轉(zhuǎn)實驗是研究生物材料扭矩作用下?lián)p傷重要方法，胸、腰椎松質(zhì)骨很難加工成圓截面標(biāo)準(zhǔn)試樣，又由于試樣短，很難裝入試驗機(jī)的夾頭內(nèi)。本實驗對人腰椎標(biāo)本在同一方向取樣，試樣的幾何尺寸一致，所以2組試樣有可比性，將試樣兩端以牙托粉固定，解決了試樣的裝夾問題，對試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)處理，解決了實驗的關(guān)鍵問題。腰椎是人體較堅硬組織，所以只有在承受較大的載荷時才會發(fā)生損傷。臨床常見的脊柱椎骨損傷有暴力損傷，即能量較大的動載荷下造成的骨折，這種損傷造成的傷害最大，可以說是災(zāi)難性損傷，還有壓縮骨折。由壓應(yīng)力作用下造成的損傷，腰扭傷在臨床上更為常見，輕者軟組織等造成損傷，重者椎骨發(fā)生骨折或脊柱脫位。本實驗中腰椎松質(zhì)骨扭轉(zhuǎn)實驗破壞斷口以斜形(45方向)居多，少數(shù)為橫斷口，表現(xiàn)出比較典型的脆性材料的斷口形貌。近年來研究表明〔6〕,骨小梁的三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的改變也影響骨的生物力學(xué)特性。老年性緩慢的骨丟失主要由于成骨的功能降低。松質(zhì)骨的骨量丟失較皮質(zhì)骨開始為早，并且下降速度快，國內(nèi)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)〔6〕，男性在30歲開始松質(zhì)骨丟失，40多歲皮質(zhì)骨丟失，骨礦密度隨年齡增加，累計平均丟失率增加，65歲后的男性普遍存在不同程度的骨質(zhì)疏松癥，70歲以后出現(xiàn)較快的骨丟失。所以老年男性應(yīng)注意預(yù)防骨質(zhì)疏松的發(fā)生和發(fā)展，尤其注意避免發(fā)生各種骨折。

4參考文獻(xiàn)

1呂雅平，李云鶴，劉軼凡,等.老齡腰椎松質(zhì)骨的剪切力學(xué)變化〔J〕. 中國組織工程研究與臨床康復(fù),2010;14(9)：1594-7.

2高明，張忠君，馬洪順.老齡對腰椎松質(zhì)骨沖擊力學(xué)特性的影響〔J〕. 北京生物醫(yī)學(xué)工程,2010;29(5): 508-10.

3臧虎，張翹，馬洪順.T3-12胸椎松質(zhì)骨沖擊力學(xué)特性：青年與老年的差異比較〔J〕. 中國組織工程研究與臨床康復(fù),2010;14(9) ：1599-601.

4權(quán)鐵剛,高明,馬洪順.彎曲力學(xué)性質(zhì)：青年與老年尸體肋骨的比較〔J〕.中國組織工程研究與臨床康復(fù),2010；14(33):6113-6.

5樸成東,張延哲,陳雷,等.兩種固定器固定脊柱骨折脫位的生物力學(xué)分析〔J〕.中國組織工程研究與臨床康復(fù),2009；13(52):10279-82.

6劉忠厚.骨質(zhì)疏松學(xué)〔M〕.北京：科學(xué)出版社，1998：553.

〔2012-11-03修回〕

(編輯趙慧玲/曹夢園)