殷 兵，胡祖圣，李 升，王建朝，吳衛(wèi)衛(wèi)，張曉娟，劉國彬，付 蕾，張英澤

(河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院骨科，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

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·研究快報·

人體骨骼顯微硬度研究

殷 兵，胡祖圣，李 升，王建朝，吳衛(wèi)衛(wèi)，張曉娟，劉國彬，付 蕾，張英澤*

(河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院骨科，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

骨骼；人體；硬度試驗

骨骼主要是由骨細胞和鈣化的細胞外基質(zhì)構(gòu)成的致密結(jié)締組織，是人體最堅硬的組織之一[1]。骨密度和骨強度通常被用來評價骨骼生物力學性能，臨床上常用骨密度及定量CT(quantitative computed tomography, QCT)來評價骨質(zhì)量及預(yù)測骨折風險，但其在全身廣泛應(yīng)用方面仍有一定局限性。20世紀50年代Carlstrom首次提出人體骨骼顯微硬度測量方法，Boivin等[2]通過實驗證實骨顯微硬度與骨組織的礦化程度相關(guān)。之后50年間，國外學者研究發(fā)現(xiàn)骨骼在不同狀態(tài)(含水量、溫度)、不同解剖位置和是否存在微骨折等條件下硬度均有不同，但均為零散報道且大部分為獸類骨骼的研究，缺乏系統(tǒng)性及對臨床工作的指導(dǎo)意義。為此，張英澤教授帶領(lǐng)其團隊率先提出人體骨骼硬度系統(tǒng)研究計劃[3]，以人體全身骨骼為框架，運用維氏顯微硬度測量儀測量人體全身骨骼顯微硬度值，并描繪出人體全身骨骼硬度圖，尋找每塊骨骼最強硬度區(qū)域。在此基礎(chǔ)上進一步探究骨硬度與骨密度、骨代謝、骨微觀結(jié)構(gòu)及理化成分、骨強度、彈性模量以及螺釘把持力等因素之間的相關(guān)關(guān)系。

1 資料與方法

1.1標本制作 本研究所采用骨骼標本均取自同一尸體標本，對新鮮冰凍尸體標本進行骨密度掃描排除骨質(zhì)疏松的診斷，取出全部左側(cè)肢體長管狀骨(肱骨、尺橈骨、股骨和脛腓骨)，剔除軟組織，按照AO原則將長骨分為近端、骨干、遠端3個節(jié)段，并用微型臺鋸及高精慢速鋸(美國標樂公司BUEHLER11-1280-250型慢速鋸，圖1)于骨骼的各個節(jié)段垂直其長軸進行切割，將骨骼制成若干厚3 mm的試樣，固定在載玻片上并進行標記。用碳化硅粒依次為800、1 000、1 200、2 000、4 000目的砂紙打磨標本，置于-20 ℃冰箱保存。以脛骨為例，將脛骨分為近端、骨干、遠端3個節(jié)段(圖2)，并于各個節(jié)段截取若干骨骼試樣，選取不同區(qū)域進行硬度測量(圖3～5)。

1.2檢測方法 標本從冰箱取出后放至常溫下解凍。應(yīng)用德國KB-5型顯微維氏硬度儀測試骨骼試樣不同區(qū)域硬度值(圖6～8)，在骨骼近端和遠端，分別測量松質(zhì)與皮質(zhì)的硬度值，在骨干部位僅測量皮質(zhì)骨的硬度，同一區(qū)域選取5個有效值，將全體有效值的平均值作為該部位的硬度值，并計算某一骨節(jié)段的骨硬度值。本研究采用50 g力加載50 s、維持12 s標準操作方法[4]測定，并根據(jù)解剖位置準確記錄硬度值。本研究實驗標本的來源及所有操作步驟均已獲得倫理委員會批準。

圖1 美國標樂公司BUE-HLER11-1280-250型慢速鋸

圖2 脛骨近端、骨干、遠端3個節(jié)段

圖3 脛骨近端截面測量區(qū)域模式圖

圖4 脛骨干截面測量區(qū)域模式圖

圖5 脛骨遠端截面測量區(qū)域模式圖

圖6 KB-5顯微硬度測試儀

圖7 KB-5顯微硬度測試儀測試骨骼試樣

圖8 顯微鏡視野下骨骼試樣微觀壓痕

1.3統(tǒng)計學方法 應(yīng)用SPSS 15.0統(tǒng)計學軟件處理數(shù)據(jù)，計量資料比較分別采用單因素方差分析和SNK-q檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

本研究共采集四肢長骨(肱骨、尺橈骨、股骨、脛腓骨)骨骼試樣101個，其中肱骨試樣19個，尺骨6個，橈骨7個，股骨41個，脛骨14個，腓骨14個。不同長骨均表現(xiàn)為骨干部位硬度值較大，近端、遠端硬度值較小，且骨干硬度與近端、遠端相比差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。肱骨、尺骨和股骨近端骨硬度與遠端相比，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，肱骨遠端骨硬度大于近端，尺骨近端骨硬度大于遠端，股骨近端骨硬度大于遠端。脛腓骨和橈骨近端骨硬度與遠端相比，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表1。

表1 四肢長骨不同部位硬度比較

3 討 論

人體骨骼是人體運動系統(tǒng)的主要組成部分，以一定方式和力學結(jié)構(gòu)構(gòu)成人體的骨架，具有支撐人體、保護內(nèi)部器官、完成運動等重要功能。人體骨骼的生物力學性能一直是國內(nèi)外同行研究的重要課題。自20世紀20年代以來，骨組織硬度作為骨組織的生物力學性能參考指標見諸于國內(nèi)外文獻研究[5-7]，同時也成為評價骨質(zhì)量的重要指標。Weaver[5]在1966年對隨意選取的32具人體的若干骨骼進行硬度測定，然而骨骼樣本來源混亂，年齡差異明顯，部分患者患有嚴重代謝性疾病等，導(dǎo)致研究結(jié)果缺乏系統(tǒng)性及指導(dǎo)意義。之后的半個世紀國內(nèi)外鮮有人體全身骨骼硬度系統(tǒng)研究的報道。為此，河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院張英澤教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊在國內(nèi)率先提出人體骨骼硬度的系統(tǒng)研究計劃，通過對全身骨骼硬度的縱向?qū)Ρ?，繪制全身骨骼硬度圖譜，并通過橫向?qū)Ρ忍剿鞴怯捕扰c骨強度、骨密度、生物力學性能、性別、年齡、代謝性疾病等之間的關(guān)系，以填補該領(lǐng)域的空白。

本研究結(jié)果顯示人體長骨骨干的硬度均大于兩端干骺端的硬度，這一結(jié)論與Weaver[5]的發(fā)現(xiàn)一致，Ohman等[8]也指出皮質(zhì)骨的硬度比松質(zhì)骨硬度高約18%。而本研究發(fā)現(xiàn)長骨兩端干骺端的骨硬度大小在不同長骨分布不一致，肱骨遠端骨硬度大于近端，尺骨近端骨硬度大于遠端，股骨近端骨硬度大于遠端。脛腓骨和橈骨近端骨硬度與遠端相比差異無統(tǒng)計學意義，有待于進一步論證。皮質(zhì)骨主要由緊密排列的骨單位構(gòu)成(又稱哈佛系統(tǒng))，主要分布在長骨骨干和干骺端的表面。松質(zhì)骨分布于長骨干骺端的內(nèi)部，由互相交織的骨小梁排列而成，因此松質(zhì)骨的微觀骨硬度即為骨小梁的硬度。Weaver[5]對隨機選取的4具不同性別年齡的腓骨骨干進行硬度測量，得出腓骨干硬度值為29.2～56.1 Hv0.05 107Pa，平均為46.65 Hv0.05 107Pa。與本研究腓骨干硬度值49.00 Hv0.05 107Pa相近。

本研究報道了人體骨骼硬度系統(tǒng)研究計劃的初步研究成果，所選取的標本均來源于同一具尸體，以利于骨骼硬度的縱向?qū)Ρ?。擴大樣本量，增加雙側(cè)對比及不同性別、年齡間的對比為本課題下一步的研究方向，同時開展生物力學試驗等相關(guān)研究，以探索骨硬度與骨密度、骨代謝、骨微觀結(jié)構(gòu)及理化成分、骨強度、彈性模量以及螺釘把持力等因素之間的關(guān)系。

[1] 劉忠厚.骨內(nèi)科學[M].北京:化學工業(yè)出版社,2015:2-3.

[2] Boivin G,Farlay D,Bala Y,et al. Influence of remodeling on the mineralization of bone tissue[J]. Osteoporosis Int,2009,20(6):1023-1026.

[3] 胡祖圣,李升,劉國彬,等.人體骨骼顯微硬度及其相關(guān)因素初步研究[J].河北醫(yī)科大學學報,2016,37(1):102-104.

[4] Johnson WM,Rapoff AJ. Microindentation in bone:hardness variation with five independent variables[J]. J Mater Sci Mater Med,2007,18(4):591-597.

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[8] Ohman C,Zwierzak I,Baleani M,et al. Human bone hardness seems to depend on tissue type but not on anatomical site in the long bones of an old subject[J]. Pro Inst Mech Eng H，2013,227(2):200-206.

(本文編輯：許卓文)

2016-10-24；

2016-12-06

殷兵(1986-)，男，河北衡水人，河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院主治醫(yī)師，醫(yī)學博士研究生，從事創(chuàng)傷骨科疾病診治研究。

*通訊作者。E-mail：yzIing-iiu@163.com

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1007-3205(2016)12-1472-03

10.3969/j.issn.1007-3205.2016.12.028