胫腓骨远端骨硬度分布特征研究

王建朝 李升 刘国彬 张晓娟 殷兵 胡祖圣 吴卫卫 张英泽

（河北医科大学第三医院骨科 河北省骨科生物力学重点实验室，石家庄 050051）

胫腓骨远端是踝关节的重要组成部分。内踝是胫骨远端的凸起，外踝是腓骨远端，二者通过下胫腓前韧带、骨间韧带、下胫腓后韧带、下胫腓横韧带固定在一起形成踝穴。踝关节处于肢体远端，是骨折及运动损伤的好发部位。根据AO骨折分类原则，胫腓骨远端包含43节段及44节段的大部分，其骨折发病率占胫腓骨骨折的47.47%，全身总骨折的7.57%（按部位计）[1]。由于踝关节特殊的解剖结构和生理功能，其骨折后在治疗上的要求较其他部位更高[2]。不仅如此，由于胫腓骨下端属于通过韧带连接的微动关节，下胫腓联合失稳后使用传统拉力螺钉内固定容易出现螺钉断裂等内固定失败[3]。踝关节是人体重要的负重关节，其健康状态直接关系到运动功能，踝关节运动损伤导致的踝关节骨关节炎会显著损害人体运动能力。正常的踝关节较少发生骨关节炎，如果其生物力学功能遭到破坏，如发生结构变化或慢性不稳定等，踝关节较其他关节更易发生骨关节炎[4,5]。因此，针对胫腓骨远端的解剖及外伤后治疗策略的研究倍受重视。由于胫腓骨负重的差异导致的骨组织功能性适应，胫腓骨远端局部骨组织必然存在生物力学性能的差异。既往的研究多集中于踝关节的解剖结构[6]、韧带连接[7]、外伤治疗策略[8]及内固定前后的生物力学变化[9,10]，尚缺少对与组成踝关节近端的胫腓骨生物力学性能差异及影响的研究。另一方面，近年来随着组织工程学技术如3D 打印等的不断发展，制造更好的仿生骨需要对骨组织的生物力学性质进行更加深入的研究。针对这一现状，笔者团队使用显微压痕（micro-indentation）技术测量了胫腓骨远端骨质显微硬度分布特征，在此基础上分析胫腓骨松质骨的生物力学性质差异，为胫腓骨远端骨折发生机制、内固定策略的选择等研究提供理论基础，并为3D 打印与人体结构和功能相近的仿生骨提供数据支持。

1 资料与方法

1.1 标本制备

本研究采用的胫腓骨标本取自3位尸体捐献者，新鲜冰冻尸体标本由河北医科大学提供。3 位捐献者的年龄分别为62岁（男性，捐献者A），45岁（女性，捐献者B）和58 岁（男性，捐献者C）。对标本行X 线及CT 检查确定骨量正常，并除外影响骨量及骨骼健康的疾病。笔者团队进行的骨硬度系列研究使用了此3具标本的不同部位，本研究选取胫腓骨远端进行研究。取出右侧胫腓骨，剔除软组织，按照AO 原则将胫腓骨分为近端、骨干、远端三节段。使用微型台锯和高精度慢速锯（BUEHLER11-1280-250，Buehler，Ltd.，USA）垂直于胫骨力线，将胫腓骨远端依图1 所示取得3 mm 厚骨骼试样，固定于纯平玻片上并进行标记。使用800、1000、1200、2000目砂纸依次打磨标本，打磨后将拟行骨硬度测量的试样放入-20°C冰箱恒温密封保存。

1.2 显微硬度测量

使用德国KB-5 型显微硬度仪（Model KB5BVZVideo，Germany）配合维氏钻石压头测量骨显微硬度（HV，1 HV=1 kgf/mm2）。每次测量前，将所测量样本浸入林格液中0.5 h 再水化[11]。在每次压痕操作前，使用显微镜确定实验区域远离边缘，测量区域骨表面完整，每次测量保持足够远的距离（大于3 倍压痕对角线长度）避免相互影响。按照图1B 所示将每个待测量骨骼样本分为前、内、后、外侧4 个区域，分别以A、M、P、L表示。胫骨远端层面3位于内踝区，骨骼试样较小且形状狭长，故分为前、后侧2个区域，分别以A、P表示。每个区域进行5次有效显微硬度测量，全体有效值的平均值作为该部位的硬度值。根据以往的测量标准，2条对角线明显不等长（差异大于10%）的压痕被视为不合格，其结果不予采纳并重新测量。为消除蠕变等因素带来的误差，本研究采用50 s加载至0.49 N，维持12 s标准操作方法进行测定[12-14]。

1.3 统计学方法

使用SPSS 25.0统计学软件进行统计学分析。胫腓骨远端硬度值经统计学分析均符合正态分布，以表示。采用单因素方差分析分别比较胫腓骨远端各层面、各部位，各胫腓骨远端标本硬度值差异，进一步组间两两比较采用Scheffe检验；采用独立样本t检验比较胫腓骨远端总体、同一层面及同一标本胫腓骨远端硬度值差异。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

在每个胫腓骨远端标本中，分别进行有效压痕实验110 次并取得硬度值。胫腓骨远端各层面和位置硬度差异见图2。

图1 胫腓骨远端标本取样及分区

图2 胫骨远端各标本不同位置硬度分布图

2.1 胫骨远端骨硬度分布特征

胫骨远端总体硬度值为26.0～49.4 HV，平均（39.8±5.2）HV。

胫骨远端各层面硬度值比较，层面1＞层面2＞层面3。层面1、2 间硬度值差异无统计学意义，而层面1、2与层面3间硬度值差异均有统计学意义（表1）。

胫骨远端同一层面前、内、后、外侧各部位硬度值差异均无统计学意义（表2）。

2.2 腓骨远端骨硬度分布特征

腓骨远端总体硬度值为25.1～48.2 HV，平均（37.2±4.4）HV。

腓骨远端各层面硬度值比较，层面2＞层面1＞层面3（表1），且任意两层面间硬度值差异均有统计学意义。

腓骨远端层面1、2前、内、后、外侧各部位硬度值差异均无统计学意义。腓骨远端层面3 外侧硬度值均高于其他各部位，且差异均有统计学意义（表3）。

2.3 胫腓骨远端硬度值比较

胫骨远端总体平均硬度值大于腓骨远端，且差异有统计学意义（t=4.759，P＜0.001）。同一层面比较，胫骨远端层面1硬度值大于腓骨远端，层面3硬度值小于腓骨远端，且差异均有统计学意义；层面2 硬度值稍大于腓骨远端，但差异无统计学意义（表1）。

2.4 各胫腓骨远端标本硬度值比较

3 个胫腓骨远端标本硬度值差异均无统计学意义。同一标本的胫骨远端硬度值均高于腓骨远端，且差异均有统计学意义（表4）。

3 讨论

显微压痕技术测得骨显微硬度能够反映骨密度测量难以评价的骨质量[15]，其数值与骨组织的弹性模量及屈服强度有着很好的正相关性[16]。它可以反映骨组织的生物力学性质，本研究详细测量了胫腓骨远端松质骨的硬度分布，为胫腓骨远端解剖学特征提供了一定的补充。

表1 胫腓骨远端不同层面硬度值比较（，HV）

表1 胫腓骨远端不同层面硬度值比较（，HV）

注：a与胫骨远端层面3 比较，差异有统计学意义（P＜0.001）；b与腓骨远端层面2比较，差异有统计学意义（P＜0.001）；c与腓骨远端层面1比较，差异有统计学意义（P＜0.05）

表2 胫骨远端同一层面不同部位硬度值比较（，HV）

表2 胫骨远端同一层面不同部位硬度值比较（，HV）

注：“-”表示无数据

表3 腓骨远端同一层面不同部位硬度值比较（，HV）

表3 腓骨远端同一层面不同部位硬度值比较（，HV）

注：a与腓骨远端层面3外侧比较，差异有统计学意义（P＜0.01）

表4 不同胫腓骨远端标本硬度值比较（，HV）

表4 不同胫腓骨远端标本硬度值比较（，HV）

骨的外形和材料性质受到基因和承重历史的双重调节[17,18]，局部承受应力/应变的改变可以改变骨的形状及材料性质。Curry等[19]研究认为，日常活动中承受应力/应变更高的部位骨组织硬度会增大以适应局部的力学环境。而骨的功能性适应理论认为，局部应力/应变较高的区域骨组织矿化增加，硬度增大[20]。Rantalainen等[21]研究发现，胫腓骨所处的生物力学环境存在着相当的差异，此差异导致了胫腓骨骨矿含量（定量CT 测得）的不同。本研究中，胫骨和腓骨远端的平均硬度值分别为（39.8±5.2）和（37.2±4.4）HV，胫骨硬度大于腓骨。胫骨骨组织硬度更高，屈服强度更大，只有高能量损伤时（垂直压力）才会导致Pilon 骨折。另一方面，肢体远端主要承受压应力，故而胫腓骨远端对压力耐受性高于其他方向受力，踝关节更容易因扭伤（弯曲和扭转）出现骨折及韧带损伤。

踝关节承受身体大部分负荷，下胫腓联合是踝关节的重要稳定结构，它属于微动关节，可随踝关节运动而发生复杂的三维活动。一般认为腓骨负重占下肢整体负重的6%～19%[22]，由于胫腓骨各层面负重大小及方式的不同，其骨材料的生物力学性质也会有相当的差异。

在下胫腓联合近端的层面1，胫腓骨的骨组织平均硬度分别为（42.2±4.0）、（37.0±4.0）HV，胫骨硬度大于腓骨与胫骨承受较大应力有关。在这一层面，胫腓骨主要承受压应力，胫骨作为主要承重结构承受了较大的应力。在下胫腓联合水平的层面2，胫腓骨硬度差异减小，分别为（41.0±3.4）、（39.9±3.7）HV。在此层面，腓骨相对于胫骨的运动和相对位置能够调节胫腓骨负重比例，并维持踝关节的力学稳定[23]，由于韧带的限制作用，腓骨在腓距关节的推动下承受了部分非垂直方向应力及扭转应力，其硬度增大与其承受的应力变化有关。此结果与踝关节有限元研究相符，认为距骨传递给胫腓骨的力会首先施加于腓骨，腓骨承受了较大的应力[24]。在此层面，胫骨硬度较近端减小与胫骨远端膨大以分散应力、保护软骨有关。

在下胫腓联合以下的层面3，胫腓骨的硬度分别为（32.5±3.1）、（34.8±4.1）HV。在踝关节内侧，坚强的三角韧带是限制踝关节外翻和外旋的主要结构[25]，内踝承受应力较小是其骨硬度较低的主要原因。虽然内踝骨组织硬度较低，但由于它较外踝短约1 cm，只有在踝关节严重失稳距骨倾斜后才容易受累而出现骨折。腓骨远端层面3外侧硬度值高于其他位，且差异均有统计学意义，分析原因可能与此处在步态周期中受到较高的应力有关。在踝关节背伸时，腓骨远端在距骨推动下会发生后移和外旋[23,26]。在步态周期的第二阶段，即在整个步态周期进行到40%时踝关节背伸程度达到最大，同时踝关节承重达到最大值，约为身体重量的4.5倍[25]。此时，距骨推动腓骨远端使其后移和外旋，在此合力的力矩作用下，腓骨远端外侧骨质承受较大的压应力。应力变化会导致此处的骨组织发生功能性适应，骨硬度增加。

骨显微硬度与骨材料的弹性模量有着很好的正相关性，因此本研究结果可为3D 打印技术提供一定的补充。3D打印技术能够根据患者不同骨骼的具体解剖数据，逐层将生物材料堆集并形成与目标组织一致的三维生物材料结构，可快速精确地重建骨缺损，还可以打印生物支架促进骨骼再生[27,28]。但3D打印的植入物通常为均质材料，难于与正常骨组织的弹性模量/刚度相匹配，可能造成植入物周围骨吸收等问题，导致植入物松动。理想的3D 打印骨植入物的生物力学特性（如弹性模量及屈服强度等）应尽可能与原生骨一致，以减少植入后不良事件如植入物松动、断裂等的发生。本研究得到的胫腓骨远端骨组织显微硬度分布特征，为制造与人体骨骼弹性模量一致的仿生骨/生物支架提供了详尽可靠的数据，为3D打印技术提供了新的视角。