骨折的生物医学工程评价方法研究进展

杨士彩 ，潘 东 ，王爱国 ，张广明 ，王晓辉 ，朱双印

（1. 天津中医药大学第二附属医院，天津300150； 2.天津市医药科学研究所，天津300020；3.天津中医药大学，天津300193）

据人口统计学预测，到21 世纪中期，我国65岁以上人口占总人口的比例将达到30%，骨折发生数量将超过600 万例/年。年龄增长诱发的骨质疏松症、骨折及并发症等将成为严重的社会公共问题［1-4］。生物医学工程（BME）是一门结合医学、工程学等学科从事医学、卫生学等方面的学科研究，应用于疾病预防、诊断和治疗、病人康复等［5-6］。如何运用生物医学工程研究方法来评价骨折愈合过程中骨及骨折部位的力学性能、微观结构，研究骨折的愈合机制，能够系统、全面地为临床指导评价骨折康复和骨折愈合提供重要的方案参考，是当前众多生物医学工程学者从事的生物力学研究方向之一。

1 骨生物力学研究方法

骨组织是人体中一种坚硬的复杂材料，其稳固的力学特性承载着大部分身体的载荷以保护机体的器官不受冲击和破坏。在生物力学的研究过程中主要从骨的材料力学和结构力学性能方面进行。

材料力学通过实验获取材料的应力和应变之间的关系，表达材料的刚度属性。在应力-应变关系曲线中材料的屈服强度是弹性阶段和塑性阶段的分界点，在材料应力达到屈服点之前应力与应变呈线性关系。结构力学特性是由载荷-位移曲线描述的，与应力-应变曲线相似。骨组织复杂的微观结构、不均匀的材料成分使骨的力学特性具有各向异性和黏弹性［7］。结果见图1。

图1 骨的应力-应变曲线示意图

1.1 宏观尺度生物力学研究方法

1.1.1 压缩实验 该方法是骨材料宏观力学性能检测中常用的研究方法之一，力学指标包括弹性模量、极限载荷、破坏载荷等力学性能参数。

压缩实验一般在万能材料试验机（AGS-X 万能材料试验机）上进行，获得压缩位移-载荷曲线图［8］。根据材料的位移-载荷曲线可分别获得材料的弹性模量、破坏应力和极限应变。结果见图2。

材料的破坏应力σ1计算公式：

图2 位移--载荷曲线图

其中：FMAX为试件破坏载荷（N），A 为加载试件截面面积；

材料的极限应变ε 计算公式：

其中：L 为加载试件平均长度，△L 为加载试件变形大小；

材料的弹性模量E 计算公式：

1.1.2 弯曲试验 三点弯曲加载试验和四点弯曲试加载试验是常见的材料力学抗弯性能试验方法，在骨生物力学研究中常用于长骨骨干的力学性能检测。三点弯曲试验和四点弯曲试验均是将载荷加载至试件上进行弯曲性能测试，获取材料的力学性能参数。两者在加载方式上存在差别，三点弯曲是将载荷加载至弯曲试验试件的中部按照设定加压参数进行压弯动作，单点加载会使试件中部的截面产生较大的剪切应力。四点弯曲为两个载荷分别加载至距离弯曲试验试件两端的1/4处进行压弯动作，减少了试件在加载过程中的剪切应力。但是四点弯曲试验很难保证两个加载载荷满足相同的条件，操作要求比较复杂，导致检测结果容易产生较大的误差。三点弯曲试验在操作条件方面要求比较简单，所以在弯曲力学性能检测中得到广泛应用［9］。

在弯曲试验研究中通常用三点弯曲应变检测仪或电子万能试验机检测骨的骨力学性能，得到载荷－位移（F-f）关系曲线、应力－应变（σ-ε）关系曲线，并分别获取γE（弹性挠度）、Fe（弹性载荷）、γMAX（最大挠度）、FMAX（最大载荷）、σMAX（极限应力）、εMAX（极限应变）、σe（弹性应力）、εe（弹性应变）等力学参数［10-11］。通过计算可得材料的弹性模量其中L 为受载跨度，I 为材料弯矩。静态加载试验均存在加载不能循环往复的缺点，骨的简化受载环境是一个载荷不均且加载方式为循环往复的力学环境，静态加载试验不能模拟整个受力过程。动态疲劳测试能在一定程度上更科学地评价弯曲加载对骨的影响。

图3 弯曲试验的F-f 曲线

1.1.3 复合载荷加载试验 骨组织是一种有复杂结构的生物复合材料，在实际承载环境中不同载荷模式诱发不同的骨破坏形式，常见的两种载荷加载的复合载荷加载方式有压-弯加载、压-扭加载、弯-扭加载等。如果在骨力学性能研究过程中仅加载多单一载荷模式，无法客观揭示其实际承载环境下的力学响应［12］。复合载荷模式下的骨力学性能测试及变形机理研究能够为不同载荷模式下骨破坏的潜在原因追溯分析提供理论参考。

孙兴冻［13］将非接触式全场应变测量方法与显微观测方法相结合捕捉加载试件整个加载过程中应变的变化以及破坏演变，获取试件断裂破坏的断口微观形貌，从而总结分析试件表面应变规律，开展皮质骨材料宏观尺度力学性能原位测试研究。Schwiedrzik J 等［14］研究表示，生物硬组织材料力学性能的研究正在向骨板、生理环境耦合、复合载荷受载环境等更加细微、客观的层面发展。

1.2 微纳米力学研究方法

1.2.1 纳米压痕技术测试原理 纳米压痕测试具有高的测试分辨率，是能在微观结构层级进行评估的一种重要技术手段，在骨的生物力学研究领域得到了成熟的应用。

纳米压痕技术测试可以揭示骨材料在纳米级层面的力学性能和骨材料与载荷的相互作用之间的相关性［15-16］。纳米压痕仪探头对骨材料表面进行加载，使表面加载区域产生塑性变形，整个加载过程中压痕位移采集分辨率达到1 nm。根据采集获取的施加载荷大小、压痕面积、压痕深度等数据计算骨材料的弹性模量（E）、硬度（H）、屈服强度（Re）、断裂韧性等［17-18］。

1.2.2 原子力显微镜（AFM）检测 AFM 是目前纳米级表面形貌检测领域一种先进的检测手段，具有高分辨率，能在纳米级结构层级进行材料表面属性评估。AFM 技术能够应用于骨生物力学领域使得骨的微纳米力学研究方法得到完善，其通过探针原子与骨表面检测材料试件原子之间的原子力作用从而获得骨材料表面纳米级形态、骨组织排列相位以及等力学参数［19-20］。

AFM 不仅可以对固体检测试件表面进行检测观察，还可以对模拟生理环境下的液基检测试件进行检测并进行高精度计算分析，因此，可以在纳米级层面更加科学客观地获取被检测材料的力学和形态参数。有研究通过AFM 技术观察骨小梁排列、羟基磷灰石分布规律及其骨折断端表面形态结构，发现骨小梁外表面的胶原纤维直径为500 nm～800 nm，羟基磷灰石颗粒尺寸约为60 nm～80 nm，胶原纤维和羟基磷灰石相互交织，呈现浓密的编织状结构［21-23］。

1.3 动态生物力学性能研究

在骨组织仿生学材料研究方面，骨仿生替代材料在体内受载环境以及生理环境中呈现的力学性能直接影响其植入活体骨后的生长和生物相容效果。如何模拟骨组织生长体内环境，随着骨组织细胞生长仿生材料的力学性能也随之变化，是动态力学性能研究主要解决的关键问题［24-25］。

当前多数学者主要对静态下骨组织力学性能进行研究，但是模拟骨组织实际承载情况实现对骨组织的动态力学性能测试是非常必要的。有学者研制了组织工程骨的力学性能测试装置，运用压电陶瓷的逆压电效应，调节控制材料压缩变形，模拟组织工程骨在体内的环境，配合压力传感器精确测量施加给骨材料的载荷。主要用于对骨材料进行静态和动态力学性能测试，分析各种骨组织工程材料的动态力学性能，得到材料的动态表观弹性模量［26］。

2 骨折的生物力学评价方法

2.1 影像学评估

范真等［27］对骨样本进行X 光扫描后进行骨折愈合影像学统计分析：按照骨折愈合过程中的结构变化，结合统计学手段将不同骨折愈合情况进行评估定性分析划归为4 个愈合阶段：愈合初期，骨折发生断面处出现血肿机化，肉芽组织开始形成；愈合中期，骨折发生处形成血肿，软骨组织逐渐形成并开始骨化形成纤维骨痂；愈合中后期，纤维骨痂发展成原始骨痂，骨折处形成骨痂的范围增大，骨痂里生成新的骨小梁数量增多，骨小梁之间排列趋于规律化；愈合后期，骨折发生处骨组织在破骨作用下骨痂逐渐被吸收，骨的结构形态逐步恢复。

2.2 基于Micro-CT 影像技术的研究方法

微计算机断层扫描技术（Micro-computed tomography，micro-CT）是一种准确构建骨组织三维微观结构的技术手段，已经成熟地运用于骨生物力学研究领域，获取宏观和微观层面骨组织材料的结构参数［28-30］。目前大量的骨组织三维模型构建以及骨折实验证明Micro-CT 影像技术在骨组织三维形态结构研究方面具有很好的可靠性。

2.3 三维数字散斑应变分析

骨组织材料是一种具有各向异性的复杂材料，从宏观到微观到纳观具有明显的层级结构，静态加载实验只能对受载试件进行整体力学响应研究，无法对加载过程中各微观局部结构形态或应变状态进行全程跟踪捕获，不能更科学客观地对骨组织材料进行力学性能分析。

三维数字散斑应变测量分析应用高精度、高速率、高灵敏性摄像机对观测场中的待检测试件进行实时散斑图像采集，通过图像算法分析待测试件表面的散斑分布重建三维空间，并对空间数据进行平滑化处理分析，捕捉加载试件整个加载过程中应变的变化以及破坏演变，获取试件断裂破坏的断口微观形貌，从而总结分析试件表面应变规律［13］。

3 总 结

骨组织的力学特性具有复杂性和特殊性，目前骨的生物力学研究多从宏观层面进行实验研究获得骨组织的力学性能参数。现代生物医学工程技术具有先进性、全面性、精确性，随着技术在骨及骨折的实验研究和评价方法的全面深入应用，势必可为临床指导骨折康复方案、评价骨折愈合提供重要的依据，对骨折治疗的发展产生深远影响。