金成春 綜述， 王德平， 馬 輝 審校

(1. 海軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院骨科，上海 201805; 2. 同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804)

應(yīng)力性骨折亦稱疲勞性骨折，是由于小于骨骼強度極限的反復(fù)循環(huán)應(yīng)力、持續(xù)作用于骨骼某一部位，使骨小梁骨折和骨骼內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，長期積累造成應(yīng)力性骨折[1]。骨由骨密質(zhì)和骨松質(zhì)組成，后者由骨小梁構(gòu)成，骨所承受的張力和壓力的方向與骨小梁的排列一致，因此骨小梁能承受較大的外載荷面積及骨局部承受的應(yīng)變能力也不盡相同。骨組織在低負荷持續(xù)刺激下，骨強度降低；在最大載荷作用下，則由彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗔研巫?，從而?dǎo)致骨的疲勞斷裂。而斷裂力學(xué)是研究含裂紋構(gòu)件裂紋的平衡、擴展和失穩(wěn)規(guī)律的一門科學(xué)。斷裂力學(xué)在航空、機械、化工、造船、交通和軍工等領(lǐng)域里都有廣泛的應(yīng)用前景，是一門具有高度實用價值的學(xué)科。20世紀60年代以來，國外開始應(yīng)用斷裂力學(xué)觀點研究骨折的原理，認為斷裂力學(xué)對研究骨的破壞是有意義的，斷裂力學(xué)試驗方法同樣適用于骨的斷裂研究?；跀嗔蚜W(xué)研究骨骼的疲勞裂紋擴展逐漸成為研究的熱點之一，因此有必要就斷裂力學(xué)在應(yīng)力性骨折中的研究進展進行綜述。

1 發(fā)病機制

1.1 應(yīng)力學(xué)說

斷裂力學(xué)主要從宏觀力學(xué)角度出發(fā)，研究缺陷或裂紋的物體在外界條件(如負荷、高溫、中子輻射等)作用下微觀裂紋的擴展、結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)定和止裂等規(guī)律，是半個世紀來逐漸發(fā)展的一門新的學(xué)科。斷裂力學(xué)的原理同樣適合應(yīng)力性骨折，其中裂紋生長阻力曲線給出對裂紋起始的內(nèi)在阻力的度量，基于斷裂力學(xué)的韌性測量為評估人皮質(zhì)骨的機械完整性提供了一個有價值的框架[2]。

構(gòu)件單位面積上所承受的附加內(nèi)力稱為應(yīng)力。物體承受應(yīng)力值的大小取決于材料的彈性強度[3]。依據(jù)Wolf定律，骨受外力刺激會引起骨的形變和骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，從而導(dǎo)致骨內(nèi)組織結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力性改變。在一定范圍內(nèi)，骨內(nèi)應(yīng)變力隨應(yīng)力的增加而增加。隨著負荷作用次數(shù)的增加，顯微骨折逐漸明顯，以致骨質(zhì)斷裂。應(yīng)力性骨折的好發(fā)部位正是骨在不同運動狀態(tài)下的應(yīng)力集中區(qū)，這就說明反復(fù)、持續(xù)的應(yīng)力集中所致的骨破壞是應(yīng)力性骨折的病理學(xué)基礎(chǔ)。

1.2 微損傷積聚學(xué)說

1960年，有學(xué)者首次提出骨微損傷的概念，即因反復(fù)、持續(xù)骨疲勞而引發(fā)的活體骨內(nèi)長度30～100μm的顯微裂隙[4]。骨微損傷集聚學(xué)說由Ostlie等[5]在2001年正式提出，其發(fā)生機制為: 在較小應(yīng)力反復(fù)、持續(xù)作用下，骨小梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，當這些損傷不斷積累，一旦超過機體的修復(fù)能力時便可導(dǎo)致受損部位骨折。造成骨微損傷的機制有兩種: 一是持續(xù)的負荷造成的慢性疲勞損傷；另一種是外力撞擊、假體或螺釘植入等機械性損傷所造成的應(yīng)力損傷。骨微損傷的類型包括線性微裂紋、彌散性微損傷、束狀微損傷、染色性交叉岔折和顯微骨折等，其中最常見的是線性微裂紋和彌散性微損傷，是目前研究的主要方向。需要注意的是，彌散性微損傷和線性微裂紋并不是同一損傷的不同階段，二者不能相互轉(zhuǎn)換；它們獨立出現(xiàn)在不同的骨樣本區(qū)域，是兩種完全不同的微損傷類型。

研究表明，骨微損傷是一把雙刃劍，一方面骨微損傷能夠分散應(yīng)力以抵抗脆性骨折的發(fā)生(也稱作“韌化機制”)[6]；Fyhrie等[7]在一項椎體應(yīng)力學(xué)研究中指出，除去致壓因素后壓縮的椎體可以恢復(fù)到原有94%的高度，說明顯微裂紋可以分散能量從而保護骨小梁結(jié)構(gòu)和功能的完整性。另一方面，一旦骨修復(fù)能力跟不上微損傷的速度，微損傷將會在原有基礎(chǔ)上不斷疊加累積，形成正反饋(即“弱化骨作用”)，最終導(dǎo)致骨折。

1.3 肌肉牽扯學(xué)說

骨骼肌功能性收縮本身也是在應(yīng)力性損傷的機制之一。疲勞性骨折絕大部分是因為輕度損傷的累積從而導(dǎo)致慢性損傷的形成，常見于過度負荷的運動訓(xùn)練或者長時間的小負荷運動[8]。疲勞性骨折最初只是在骨骼的某一個應(yīng)力點上產(chǎn)生的只有在顯微鏡下才能發(fā)現(xiàn)的裂隙，稱為“顯微鏡下骨折”，如果損傷裂隙不能及時修復(fù)，進一步發(fā)展成骨膜下裂痕，稱為“裂痕骨折”。在各個層次上，骨骼高度適應(yīng)習(xí)慣性負荷，施加在骨骼上的最大力來自肌肉收縮，有關(guān)這些力在如何影響骨骼的整個壽命方面已經(jīng)取得了實質(zhì)性進展[9]。

2 發(fā)病規(guī)律及其影響因素

2.1 疲勞性骨折發(fā)生的結(jié)構(gòu)特征

骨局部承受應(yīng)變能力的大小與骨的截面積和幾何形狀有關(guān)，Clansey等[10]的一項研究指出: 骨的壓縮強度與骨半徑的2次方呈正比，彎曲強度和扭轉(zhuǎn)強度與骨半徑的4次方呈正比，所以骨骼結(jié)構(gòu)的細微變化會到導(dǎo)致骨承載能力的更大變化。骨組織在接受持續(xù)低負荷刺激后骨強度降低，在最大負荷持續(xù)作用下，骨組織由彈性形變最終轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗔研巫?，從而引發(fā)疲勞性骨折[11]。國內(nèi)外學(xué)者一致認為: 在小負荷應(yīng)力反復(fù)作用下，首先出現(xiàn)骨小梁的損傷破壞，并不斷累積增加，一旦超過機體的修復(fù)能力時最終導(dǎo)致疲勞性骨折[5，12]。

2.2 疲勞性骨折發(fā)生的材料力學(xué)機制

骨結(jié)構(gòu)力學(xué)特性既受骨的幾何形狀的影響，還與骨組織本身的力學(xué)性能有關(guān)。研究表明，皮質(zhì)骨的疲勞強度大于松質(zhì)骨，皮質(zhì)骨具有較強的抗壓力疲勞能力，大于其抗旋轉(zhuǎn)屈曲和單軸拉壓載荷下的疲勞強度，這符合皮質(zhì)骨主要承受壓力載荷的生理功能[13]。

2.3 疲勞骨折發(fā)生的骨骼肌因素

外力在骨骼上的應(yīng)力集中是疲勞骨折發(fā)生的基礎(chǔ)。這些應(yīng)力集中區(qū)由運動時人體生物力學(xué)特點和不同骨骼的解剖特點所決定[14]。另外，骨骼受力狀況與關(guān)節(jié)肌肉功能狀態(tài)有很大關(guān)系，肌肉疲勞失去對骨骼的保護和肌肉不協(xié)調(diào)收縮產(chǎn)生的張應(yīng)力也是疲勞骨折發(fā)生的原因，這就是所謂的“肌肉疲勞”理論和“過度負重理論”[15]。肌肉持續(xù)運動，力量衰竭，吸收各種震蕩的作用減弱，從而產(chǎn)生不協(xié)調(diào)收縮，骨骼產(chǎn)生明顯的張應(yīng)力，易發(fā)生疲勞骨折[16]。

2.4 影響疲勞性骨折的其他因素

疲勞骨折的發(fā)生除與上述因素有關(guān)外，還可能受下列因素影響[17]: (1) 遺傳因素，有證據(jù)表明單卵雙胞胎易出現(xiàn)疲勞性骨折；(2) 種族，黑人很少發(fā)生疲勞性骨折；(3) 其他因素，如性別差異、體型差異等。

3 斷裂力學(xué)在疲勞性骨折研究中的應(yīng)用

斷裂力學(xué)最早應(yīng)用于工程學(xué)中，不僅能預(yù)測構(gòu)件的疲勞壽命，還能制定合理的質(zhì)量驗收標準和檢修制度以及防止斷裂事故等多方面的問題。隨著斷裂力學(xué)原理的闡明，在航空、造船、機械、化工、交通和軍工等領(lǐng)域里都有了廣泛的應(yīng)用。近年來，斷裂力學(xué)的原理在應(yīng)力性骨折研究中的應(yīng)用價值越來越顯著。

3.1 斷裂力學(xué)原理在骨折研究中的應(yīng)用

20世紀60年代，國外便開始應(yīng)用斷裂力學(xué)觀點研究骨折的原理，如Pope等[18]研究了骨組織的斷裂特性，并采用單位表面積所需能量的概念來闡明彈性斷裂力學(xué)的測試方法，對骨裂紋的斷裂能進行了深入的研究。Behiri等[19]計算出牛股骨和牛脛骨的Kc(應(yīng)力強度因子)和Gc(應(yīng)變能量釋放率)值，并研究了骨密度、試件厚度及裂紋速度對Kc和Gc值的影響。我國學(xué)者[20]對人脛骨進行了斷裂力學(xué)性質(zhì)的實驗研究，認為斷裂力學(xué)對研究骨的破壞是有意義的，斷裂力學(xué)試驗方法同樣適用于骨的斷裂研究，進一步的研究采用緊湊拉伸試樣測定骨縱向裂紋的Kc，證明了骨縱向和橫向有完全不同的斷裂特征。

3.2 循環(huán)應(yīng)力對裂紋骨折的影響

在高和低循環(huán)疲勞中，模量下降程度不同揭示了裂紋是由于低應(yīng)力高循環(huán)產(chǎn)生，在高應(yīng)力低循環(huán)中產(chǎn)生顯微損傷的積累[21]。Fatihhi等[22]用二維有限元松質(zhì)骨模型進行循環(huán)載荷研究，表明低應(yīng)力高循環(huán)主要產(chǎn)生裂紋和裂紋擴展；高應(yīng)力低循環(huán)疲勞產(chǎn)生蠕動變形和骨折。

研究表明，在人體或動物體內(nèi)的正常骨組織中存在一些微小裂紋，長度從10～1000μm，形狀為典型的橢圓形，大小為100μm×500μm[23]。這些裂紋與實際現(xiàn)象的發(fā)生有相當重要的關(guān)系，它們可逐漸引起骨折(臨床上稱為“應(yīng)力骨折”)，這種應(yīng)力骨折在人類(如運動員、舞蹈演員、軍人群體)或動物(比賽用馬、電流刺激的小雞)中是一種實際存在的現(xiàn)象[24]。如果應(yīng)力荷載過高(如訓(xùn)練過度)或者骨的機械性能降低(如骨質(zhì)疏松)，應(yīng)力骨折就會發(fā)生。眾所周知，這些裂紋不斷地被機體修復(fù)，如果這個修復(fù)過程被抑制(如藥物治療或一定的醫(yī)療行為)，應(yīng)力骨折的發(fā)生率就會增加[25]。增加應(yīng)力的荷載時間(如相對積極的生活方式)可增加骨的韌度和厚度；這個過程是如何發(fā)生的尚無答案，但是人體能察覺到損傷裂紋的存在，并采取合適的行為降低應(yīng)力水平[26]。

3.3 骨折中的裂紋擴展機制

隨著研究的深入，許多研究者去測量和描述骨材料中的微小裂紋，并了解它們擴展機制。迄今為止，大多數(shù)研究要么集中檢測活體人或動物中裂紋形成[27]，要么對尸體中骨的脆性斷裂[28]或疲勞骨折[29]的裂紋形成或擴展進行試驗研究。一些脆性斷裂研究表明，在完全斷裂之前較大的裂紋以恒定的偏向速率擴展，與此同時斷裂韌性亦增加(R-曲線表現(xiàn))[30]。

顯微觀察表明裂紋擴展和增韌的微觀結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，包括幾個不同的因素起作用，如裂紋尖端前方的微觀損傷區(qū)和橫穿裂紋表面的橋接損傷區(qū)[31]。

Burr等[32]的研究表明，金屬中的止裂發(fā)生在晶界附近，微觀結(jié)構(gòu)的特性在止裂中發(fā)揮了重要作用。其他作者在骨組織橫切面中也發(fā)現(xiàn)了同樣的情況[33]。斷裂韌度KC代表材料抗斷裂的能力，通過對骨斷裂力學(xué)行為的研究發(fā)現(xiàn)，骨的抗斷裂能力是隨方向的不同而發(fā)生變化的[18]，在縱向和橫向具有不同的斷裂特征[34]。在拉伸、剪切和撕裂等應(yīng)力條件下，均顯示不同的斷裂韌性[35]。進一步的研究表明[36-37]，皮質(zhì)骨的斷裂韌度與裂紋的擴展程度呈正比，表現(xiàn)為上升的阻力曲線(R-curve)特性，主要原因與皮質(zhì)骨的各種增韌機制相關(guān)。縱向裂紋擴展的主要增韌機制是未斷裂的骨組織產(chǎn)生的促使裂紋閉合的趨勢，而橫向裂紋擴展的增韌機制除上述趨勢以外，裂紋偏斜也是一個重要原因。當疲勞裂紋擴展量較小(<1mm)時，皮質(zhì)骨的橫向疲勞裂紋擴展速率隨著應(yīng)力強度因子幅度的增加而減小，甚至?xí)l(fā)生裂紋閉合現(xiàn)象。Bru等[37]的研究發(fā)現(xiàn)裂紋損傷后未斷裂的骨微結(jié)構(gòu)升阻現(xiàn)象是裂紋閉合的主要原因。但在實際應(yīng)用中，橫向裂紋擴展中裂紋偏斜會給上述實驗結(jié)果帶來影響[36]，非線性斷裂力學(xué)方法可以有效地避免裂紋偏斜的影響[38]。然而上述研究中，在測量斷裂韌度時仍然使用ASTM E1820提供應(yīng)力強度因子的計算公式[36-38]。由于ASTM標準只適用于各向同性的金屬材料，而皮質(zhì)骨是一種各向異性材料；另外由于受到活體皮質(zhì)骨生理結(jié)構(gòu)的限制，實際操作中也很難嚴格滿足ASTM標準的要求。

3.4 皮質(zhì)骨的斷裂力學(xué)性質(zhì)

骨骼在不同水平應(yīng)力下具有不同的疲勞壽命，這適用于研究和解釋運動員疲勞性骨折的一系列問題。研究表明，在縱向裂紋擴展的初始階段(裂紋擴展量<1mm)，裂紋的疲勞擴展速率隨著裂紋長度的增加而減?。欢诜€(wěn)定階段，皮質(zhì)骨的疲勞裂紋擴展性質(zhì)符合Paris定律[39]。Zaremski等[40]全面研究了皮質(zhì)骨的縱向和橫向裂紋擴展的行為性能，結(jié)果表明，皮質(zhì)骨的斷裂韌度隨著裂紋的擴展而增大，具有上升的阻力曲線特性；橫向裂紋擴展的斷裂韌度要大于縱向裂紋擴展的斷裂韌度，最終得出了皮質(zhì)骨具有各向異性的斷裂力學(xué)性質(zhì)。

4 展 望

斷裂力學(xué)的研究既要解決工程機械構(gòu)件的使用安全問題，也就是通過構(gòu)件的物理模型與數(shù)學(xué)表達公式，估算構(gòu)件的疲勞壽命(使用年限)或剩余壽命(剩余年限)；又要將研究的理論用于構(gòu)件設(shè)計與制造，合理選擇設(shè)計參數(shù)，以期獲得較長使用期限。這個同樣適用于人體骨的疲勞研究，根據(jù)不同人群的運動特點，估算骨的疲勞壽命，以指導(dǎo)或干預(yù)人的運動行為，防止疲勞性骨折的發(fā)生。目前，疲勞性骨折的研究成果很多，但在以下幾個方面尚不盡如人意。(1) 當作用骨的載荷小于骨的屈服強度時，靜載下不發(fā)生疲勞骨折，而在循環(huán)動態(tài)荷載下卻容易發(fā)生骨折，至今缺乏比較公認的解釋；(2) 在疲勞裂紋擴展研究及疲勞壽命推算的諸多公式只適用裂紋擴展的某些階段，缺乏適合于整個裂紋擴展過程的公式；(3) 在現(xiàn)有的公式中，常含有通過特定試驗才能確定的材料常數(shù)，造成應(yīng)用范圍難以推廣，具有一定的局限性。另外，公式中也常常有許多難以闡明的參數(shù)，這影響了計算結(jié)果的精度。因此，尚缺乏各系數(shù)意義明確、計算方法清晰的計算公式；(4) 骨由無機和有機成分組成，然而，由于目前的定量限制，礦化組織仍然是骨強度的主要測量手段，并且是骨骼健康狀態(tài)下和負載狀態(tài)下力學(xué)性能的主要檢測手段。然而在臨床研究中，膠原纖維(骨骼的有機成分)仍然幾乎被忽略，超出了目前應(yīng)用有限的系統(tǒng)生物標記物的檢測。骨骼的斷裂韌性和彈性特性突出了有機材料作為骨骼強度、延展性和韌性的關(guān)鍵驅(qū)動力的顯著地位，這需要在健康和疾病狀態(tài)以及骨折病因?qū)W和修復(fù)方面進一步探索；(5) 雖然高分辨率成像設(shè)備可以觀察諸如骨小梁數(shù)量、裂紋結(jié)構(gòu)、增韌結(jié)構(gòu)等特征，但獲得的皮質(zhì)孔隙率和體積分數(shù)仍然稀少，并且尚未在臨床和研究中獲得顯著的成果；(6) 最后，準確估計或直接量化人體內(nèi)特定部位的機械載荷內(nèi)部分布的能力仍然復(fù)雜。因此，各種各樣的機械加載方式和編程變量(體積、強度、頻率、分布、和修復(fù))的多種效應(yīng)的可用證據(jù)在人體的應(yīng)用仍處于起步階段，在文獻中也很少報道。