正常与病态股骨头应力松弛蠕变流变特性研究

李 恒，于巍红，李井杰，韩忠宝

（1．吉林大学朝阳校区医院，吉林 长春130026；2．吉林大学中日联谊医院；3．吉林大学前卫校区医院）

生物力学是一门日益受到广泛重视和应用的边缘学科，涉及生物学、解剖学、生理学、临床医学、力学、数学和工程学等多个方面。其内容主要是以力学的观点解释生物运动的各种现象，并以力学知识去解决医学和体育运动中存在的各种问题。近年来的实践证明，生物力学是了解生命现象、分析人体运动、研究疾病原因、设计各种人工假体和脏器、改进假肢乃至发展体育运动学、人类学、宇航学等不可缺少的基础科学［1］。

目前国内外生产的人工假体不断增加，材料不断更新，生产工艺及手术技术不断进步，但是手术后出现假体松动、下沉等并发症也日渐突出，不仅使假体的寿命受到限制，而且也给病人造成疼痛，功能障碍，二次手术等痛苦，探讨原因其和手术技术，人工假体设计，人工假体选材有关。国内外学者从股骨上端生物力学、解剖学、影像学等方面做了大量的研究［2］。

骨力学是生物力学的重要分支，它研究骨和骨骺体系的力学问题，骨的组织结构十分复杂，对这种生物材料力学问题的研究无疑是具有重要的理论意义的。

股骨头和人体的其它组织一样，均为生物粘弹性固体，具有粘弹性流变特性，这种粘弹性流变特性是人的生理功能所需要的，股骨头的粘弹性流变特性对于维持髋关节稳定具有重要作用。搞清股骨头坏死、股骨头的粘弹性流变特性、对于人工假体新材料的研究和设计具有重要意义。

本研究的宗旨在于为人工关节材料研究，为人工关节的设计，为人工关节置换术，为研究骨再造，骨重建提供生物力学理论基础。

1 材料与方法

1．1 材料

本实验所用正常组8个标本均取自正常国人急性头部外伤致死的成年男性尸体，年龄19－28岁，股骨头坏死标本8个标本均为男性，年龄58－70岁。正常组标本于死者死亡后1－2小时之内解剖取下股骨头。病态标本取自老年置换人工关节坏死股骨头，正常组与病态标本取下后用生理盐水浸透的沙布包裹，装入塑料袋中密封后置于－20℃水箱内保存。实验前取出标本在常温下解冻后待用。以万能工具显微镜测量标本的高度和直经，标本的高度为34．2－42．6mm，直经为31．6－40．2mm。

1．2 实验器材

日本岛津AG－10TA自动控制电子万能试验机。载荷由载荷传感器传递，应变由机器的应变单元传递，试验结束后计算机自动输出应力松弛、蠕变数据和曲线。该机具有自动控制应力、应变增加速度和使应力或应变保持恒定的功能。

1．3 统计学方法

各组应力松弛、实验数据和归一化应力松弛函数、数据经计算机以均数±标准差表示、并进行统计学比较，对实验数据以一元线性回归分析的方法进行回归分析，得出了回归系数。

对数据采用spss11．0进行统计分析计数资料以均值±标准差表示，采用随机分组设计的单因素方差分析（ANOVA），采用DunnettT3方法进行比较配对检验。检验显著性水平P＜0．05或P＜0．01。

1．4 各组应力松弛实验结果

取正常组，病态组各8个标本进行压缩应力松弛实验。将试验样的原始尺寸输入到控制机器的计算机内。

计算机程序设定从时间t（0）开始采集数据，每0．6S采集一个数据，采集10次；之后每10S采集一个数据，采集40次之后每136S采集一个数据，采集50个数据；共采集100个数据，历时7200S。达到设定的时间后，打印机自动打印出实验数据和曲线。

2 结果

蠕变实验结果

正常组、病态组8个试样蠕变原始数据，正常组、病态组8个试样归一的b．蠕变函数计算结果

（a）、（b）式分别代表正常组和病态组股骨头的蠕变特性。

3 讨论

骨是运动系统重要组成部分，由骨细胞、胶原纤维和基质构成，坚韧而且有弹性。

骨的化学成分中包含有机物和无机盐类，股骨干内的有机物包含骨胶原纤维和粘多糖蛋白，约占骨总量的30－40%，粘多糖蛋白含有硫酸软骨素、硫酸角质、透明质酸等大分子物质（多糖类），电镜下：骨胶原纤维位于骨板中成层状排列，这些特点决定了股骨具有弹性和韧性。

既往关于松质骨力学性质的研究颇多，但是由于松质骨由骨小梁以各种方式排列而成，对不同的动物在不同的骨骼和部位，骨小梁的排列方式有很大差异，因此其力学性质也有很大的区别。

应力松弛、蠕变试验结果表明，无论是正常还是病态组，最初600s变化较大，之后应力缓慢下降，应变缓慢上升。应力松弛曲线是以对数关系变化的，蠕变曲线是以指数关系变化的。

正常组股骨头7 200s应力松弛量为0．209 MPa，病态组7 200s应力松弛量为0．151MPa，正常组7 200s应力松弛量显著大于病态组（P＜0．05）．正常组股骨头7 200s蠕变量为0．664%，病态组股骨头7 200s蠕变量为0．392%，正常组7 200s蠕变量显著大于病态组（P＜0．05）．病态组的初始应力，初始应变均低于正常对照组，且达到相对平衡点的时间长。

近年来对胶原纤维的排列方向及结构与力学性能之间的相关性研究进一步提示，胶原纤维是一个影响骨力学性能极为重要的因素［3］。这是由于胶原纤维是基质的主要成分，羟基磷灰石一般沉积与胶原纤维头尾之间的空隙内，换言之，胶原纤维的排列方向决定了羟基磷灰石沉积位置，二者高度有序的结合使骨具有良好力学性能［4］。胶原纤维使胶原组织具有一定的强度和刚度，弹性纤维使胶原组织具有一定的延伸能力。分析认为病态组松质骨由于股骨头坏死，作用于股骨头的应力分布改变，过高的应力使松质骨胶原组织的弹性纤维、胶原纤维、网状纤维均遭到一定破坏，并且排列紊乱，所以其应力松弛，蠕变量丢失，达到相对平衡时间也长。

分析认为病态组由于股骨头坏死，作用于股骨头的应力改变，过高的应力使弹性纤维、胶原纤维、网状纤维遭到破坏，所以其应力松弛量，蠕变量降低，应力松弛、蠕变速度慢，达到相对平衡点时间长。

股骨头粘弹性与年龄密切相关，年龄越大应力或应变变化更加缓慢，尤其是50岁以上表现更为突出，分析认为50岁以上年龄段都伴有一定的骨质疏松，所以其粘弹性更差。

本文从生物力学的观点研究了正常和病态股骨头的粘弹性流变特征，得出了粘弹性指标、应力松弛、蠕变与时间的变化规律，为新型人工关节材料研究和设计提供了粘弹性指标。

由于骨源紧张的原因，本试验的样本还不够十分的多，又由于生物材料个体差异的原因，实验数据有一定离散，今后将在此基础上做进一步的研究，可做动物实验，进一步研究股骨头坏死对骨粘弹性的影响。

4 结论

（1）应力松弛实验：正常组7 200s应力松弛量大于病态组7 200s应力松弛量（P＜0．05）

（2）蠕变实验：正常组7 200s蠕变量大于病态组7 200s蠕变量（P＜0．05）

（3）在相同应力作用下，病态组初始应变小于正常对照组。

（4）应力松弛曲线是以对数关系变化的。

（5）蠕变曲线是以指数关系变化的。

（6）预实验结果显示，股骨头为各向异性材料具有各向异性的粘弹性力学性质。

（7）股骨头为粘弹性固体生物材料。

［1］victor H．Frankel Margareta Nordin主编 戴克戎、王以进、周健男等译．骨骼系统的生物力学基础［M］．吉林科技出版社，1986．1．

［2］于 涛．保留股骨颈解剖型股骨上端假体的生物力学研究［D］．吉林大学博士学位论文，2003．1．