肱骨近端显微骨硬度分布特征的实验研究

李升 王建朝 殷兵 胡祖圣 张晓娟 吴卫卫 刘国彬 张英泽

（河北医科大学第三医院创伤急救中心河北省生物力学重点实验室，石家庄050051）

肱骨近端包括肱骨外科颈及其以上部位，肱骨近端骨折约占全身骨折的3.7%[1]，肱骨近端是肱骨最常见的骨折部位[2]，且其发病率呈逐年递增的趋势。肱骨近端骨折患者，尤其是质疏松的老年患者，常因骨量缺失而影响固定的稳定性，并且因内固定物自身弹性模量远高于骨组织弹性模量，缺乏生物功能适应性，导致术后骨折再次移位、畸形愈合等发生[3]。Pharr等[4]与Oliver和Pharr[5]的研究显示，生理条件下，显微维氏骨硬度可以较好地在骨结构单元水平评价骨组织的弹性模量及屈服应力，但既往研究中尚缺乏关于肱骨近端显微骨硬度分布的系统研究和分析。本研究旨在通过系统测量肱骨近端各个区域骨硬度，分析骨硬度分布规律，为生物功能适应性内固定物以及3D打印假体设计及内固定策略选择等提供依据。

1 资料与方法

1.1 临床资料

纳入标准：年龄＞40岁，既往身体健康，无慢性病史。排除标准：①有代谢性骨病史者；②有影响骨代谢的药物使用史者；③有既往肱骨或肩关节手术史者；④原发性骨肿瘤或肿瘤骨转移者；⑤有肩关节周围先天性畸形者；⑥有严重肝肾疾病者。本研究选用了3具遗体捐献者标本，分别为62岁男性、45岁女性和58岁男性。该研究经河北医科大学第三医院伦理委员会批准。

1.2 标本制备与数据采集

选取3具右侧肱骨近端部位的骨骼标本，使用微型台锯及Buehler Isomet 11-1280-250低速金刚石锯（由美国Buehler公司提供）于肱骨肩关节盂水平及外科颈水平垂直其长轴精确切割成厚3 mm的样品，其中肱骨肩关节盂水平共2层，每层于8个区域取点（肱骨头前侧软骨下骨、肱骨头前侧松质骨、肱骨头后侧软骨下骨、肱骨头后侧松质骨、大结节处皮质骨、松质骨、小结节处皮质骨、松质骨）；外科颈水平共3层，每层于4个区域取点（前、后、内、外），示意图见图1。标本固定于玻片上，打磨抛光标本表面，切割和抛光操作期间使用流动冷却液冷却样品，避免摩擦产生的高温改变骨质表面物理性质，将样品-20℃恒湿密封保存。

图1 肱骨近端骨骼标本的分层及区域划分示意图

使用具有维氏金刚石压头的显微硬度计（KB5BVZ-Video，德国）在样品表面进行维氏硬度测试，测量单位为kgf/mm2（HV）。根据美国实验材料学会和既往研究的标准测试方法，采用50 gf的载荷，加载时间50 s，保载时间12 s[6,7]。每个区域随机测量5次，只选取对角线之间差异不超过10%的压痕以减小误差。

1.3 统计学方法

应用SPSS 22.0对数据进行分析，组间比较采取t检验或单因素方差分析（One-way ANOVA），以最小统计学差异（LSD）和Tukey HSD进行事后检验。以P＜0.05为有统计学差异。

2 结果

2.1 肱骨近端硬度总体分布

每具遗体标本选取肱骨肩关节盂水平两个平行层面，每层面8个部位共计16个部位，每个部位取值5个共计80个有效测量值；外科颈水平3个平行层面，每个层面4个部位共计12个部位，每个部位取值5个共计60个有效测量值。3具标本合计84个部位，420个测量值。测得肱骨近端骨硬度分布：肱骨近端区域总体硬度（37.62±8.82）HV，其中肱骨外科颈内侧部分硬度最大（45.82±5.55）HV，其次为外科颈外侧以及后侧，此3处骨硬度明显高于肱骨近端其他部位（P＜0.05）；硬度最小处为大结节处松质骨（28.32±4.35）HV。

从解剖部位来看，肱骨近端硬度分布外科颈硬度大于肱骨头及大、小结节区硬度（P＜0.001），大结节区硬度最小（P＜0.01），见表1、图2。

表1 肱骨近端不同区域硬度值比较

图2 肱骨近端硬度总体分布图

2.2 肱骨近端肩关节盂水平骨硬度分布

肱骨近端关节盂水平整体硬度（32.78±7.10）HV，硬度最大处为肱骨小结节皮质骨（38.27±8.56）HV，硬度最小处为肱骨大结节松质骨（28.32±4.35）HV。肱骨小结节皮质骨、肱骨头前半部软骨下骨、肱骨头前半部松质骨，此三处硬度大于肱骨近端其他部位（P＜0.001），见表2、图3。

分析此层面可见，骨硬度分布前方硬度大，后方硬度小，即肱骨头前半部硬度（35.11±6.82）HV大于后半部硬度（32.10±6.17）HV，小结节硬度（34.34±8.26）HV大于大结节硬度（29.56±5.68）HV，有统计学差异（P＜0.05），见图4。

2.3 肱骨近端外科颈水平骨硬度分布

肱骨近端外科颈水平整体硬度（44.07±6.45）HV，外科颈水平不同层次间硬度无统计学差异（P＜0.05），但外科颈前方硬度为（40.97±8.00）HV，低于其他方位（P＜0.05），见表3、图5。

表2 肱骨近端关节盂水平各部位骨硬度比较

图3 肱骨肩关节盂水平各部位硬度差异柱状图

图4 肱骨肩关节盂水平前后部分硬度差异对比图

表3 肱骨外科颈不同方位骨硬度比较

3 讨论

图5 肱骨外科颈各方位硬度差异对比图

肱骨近端骨折与骨质疏松有一定关系，对于老年患者，轻或中度暴力即可造成骨折，常见于在站立位摔伤，即患肢外展时身体向患侧摔倒，患肢远端着地，暴力向上传导，导致肱骨近端骨折。对于年轻患者，其受伤暴力较大，多为直接暴力[8,9]。大部分无移位的肱骨近端骨折常无需手术治疗，对于需要进行手术复位固定的肱骨近端骨折，其手术治疗目标为解剖复位，稳定固定。但肱骨近端骨折因涉及干骺端和骨质疏松等问题，常因患者骨量缺失，影响固定的稳定性[10]。内固定不稳定可导致术后骨折再移位,也可发生畸形愈合、增加肱骨头坏死风险[3]。肱骨近端骨折老年患者多合并骨质疏松，骨质与骨量的减少直接影响螺钉的把持力[11]。因此在干骺端骨质疏松严重，骨折端嵌插后塌陷的患者术中常进行植骨。

肱骨近端骨折Neer分型依据解剖部位、骨折块数量和骨折块移位程度进行不同组合，可涵盖大部分肱骨近端骨折类型[12]。肱骨近端骨折切开复位常使用锁定接骨板内固定，可以为骨质疏松性骨折提供稳定支撑。接骨板放置位置要考量维持肱骨近端45°颈干角和20°后倾角，术中注意勿切开关节囊，囊外固定，使肩周损伤减少到最少[13]。接骨板近端的多向螺钉孔使得螺钉方向选择更广泛，钉板间的牢固锁定起到内部支撑作用，尤其适用于骨质疏松患者[14,15]。

由于生理负荷的不同，肱骨近端不同区域骨量、骨组织在空间的分布形式和骨组织内在成分构成有明显的不均一性。骨骼硬度受骨骼矿化程度的影响[16]。骨的矿化过程中矿物盐结晶数量增加、尺寸变大[17,18]。矿化是骨显微硬度、骨组织弹性模量变化的重要原因[19]。骨骼矿化与骨骼的功能适应相关联。肌肉力量的牵拉，骨骼负重等情况均可影响上述过程。由于人体肩关节近似的生理结构与功能，故个体间骨骼硬度的分布状况具有规律性。肱骨近端不同硬度区域的骨骼弹性模量各异，相同应力作用下发生的应变具有差异性，因此能为置入螺钉提供的把持力也不尽相同，根据本次实验数据，肱骨头前半部及小结节区域骨硬度较大，因此可作为螺钉置入的优先选择区域，既往研究表明螺钉打入关节面软骨下方（距关节面5 mm）时获得最大的螺钉把持力[20]，继续深入螺钉时，因肱骨头软骨下骨硬度与肱骨头松质骨并无明显差异，并不能为其提供更大把持力，反而容易导致螺钉穿出关节面，骨质疏松患者上更易发生此类情况[21]。小结节区域皮质骨具有较大硬度，故靠近此区域的螺钉应当尽量深入靠近皮质，以获得更大的固定稳定性。肱骨关节盂水平处大结节区域骨硬度较小，同时大结节的外侧壁及后壁是骨皮质的薄弱区域[22]，故此处可选择螺纹大、螺距宽的螺钉进行固定增加稳定性。

肱骨近端骨折，无论采用何种固定材料，亦或使用骨水泥等材料填充肱骨近端空腔，都会对周围骨骼或骨-水泥交界区域的骨中产生应力遮蔽效应[23]，导致植入物周围的骨吸收，从而导致内固定失败和骨折不愈合[24]。类似的，3D打印作为一项优势技术，发展迅速。目前3D打印植入物基本上依赖于其框架结构和孔隙结构，用于提供机械支撑和骨长入条件，其应用中同样面临打印植入物不能与正常骨组织硬度及弹性模量相匹配的问题。本实验中肱骨近端骨硬度分布规律，以及硬度和弹性模量的相关关系，可为设计、应用梯度弹性模量内固定物与生物功能适应骨水泥提供指导，与骨组织弹性模量相协调，可望解决上述问题。

本实验研究尚存在一些不足之处，如样本数量较小，且对于骨强度的评价需综合骨质量及骨量共同影响，对于分析骨折的发生尚需考量骨骼材料的断裂韧性等指标。综上，本研究借助维氏显微硬度的方式，测量并分析了肱骨近端骨硬度分布规律特征，为肱骨近端骨折内固定策略的选择、新型内固定物以及3D打印的设计与材料研究提供了详实可靠的数据。