正常與病態股骨頭應力松弛蠕變流變特性研究

李 恒，于巍紅，李井杰，韓忠寶

（1．吉林大學朝陽校區醫院，吉林 長春130026；2．吉林大學中日聯誼醫院；3．吉林大學前衛校區醫院）

生物力學是一門日益受到廣泛重視和應用的邊緣學科，涉及生物學、解剖學、生理學、臨床醫學、力學、數學和工程學等多個方面。其內容主要是以力學的觀點解釋生物運動的各種現象，并以力學知識去解決醫學和體育運動中存在的各種問題。近年來的實踐證明，生物力學是了解生命現象、分析人體運動、研究疾病原因、設計各種人工假體和臟器、改進假肢乃至發展體育運動學、人類學、宇航學等不可缺少的基礎科學［1］。

目前國內外生產的人工假體不斷增加，材料不斷更新，生產工藝及手術技術不斷進步，但是手術后出現假體松動、下沉等并發癥也日漸突出，不僅使假體的壽命受到限制，而且也給病人造成疼痛，功能障礙，二次手術等痛苦，探討原因其和手術技術，人工假體設計，人工假體選材有關。國內外學者從股骨上端生物力學、解剖學、影像學等方面做了大量的研究［2］。

骨力學是生物力學的重要分支，它研究骨和骨骺體系的力學問題，骨的組織結構十分復雜，對這種生物材料力學問題的研究無疑是具有重要的理論意義的。

股骨頭和人體的其它組織一樣，均為生物粘彈性固體，具有粘彈性流變特性，這種粘彈性流變特性是人的生理功能所需要的，股骨頭的粘彈性流變特性對于維持髖關節穩定具有重要作用。搞清股骨頭壞死、股骨頭的粘彈性流變特性、對于人工假體新材料的研究和設計具有重要意義。

本研究的宗旨在于為人工關節材料研究，為人工關節的設計，為人工關節置換術，為研究骨再造，骨重建提供生物力學理論基礎。

1 材料與方法

1．1 材料

本實驗所用正常組8個標本均取自正常國人急性頭部外傷致死的成年男性尸體，年齡19－28歲，股骨頭壞死標本8個標本均為男性，年齡58－70歲。正常組標本于死者死亡后1－2小時之內解剖取下股骨頭。病態標本取自老年置換人工關節壞死股骨頭，正常組與病態標本取下后用生理鹽水浸透的沙布包裹，裝入塑料袋中密封后置于－20℃水箱內保存。實驗前取出標本在常溫下解凍后待用。以萬能工具顯微鏡測量標本的高度和直經，標本的高度為34．2－42．6mm，直經為31．6－40．2mm。

1．2 實驗器材

日本島津AG－10TA自動控制電子萬能試驗機。載荷由載荷傳感器傳遞，應變由機器的應變單元傳遞，試驗結束后計算機自動輸出應力松弛、蠕變數據和曲線。該機具有自動控制應力、應變增加速度和使應力或應變保持恒定的功能。

1．3 統計學方法

各組應力松弛、實驗數據和歸一化應力松弛函數、數據經計算機以均數±標準差表示、并進行統計學比較，對實驗數據以一元線性回歸分析的方法進行回歸分析，得出了回歸系數。

對數據采用spss11．0進行統計分析計數資料以均值±標準差表示，采用隨機分組設計的單因素方差分析（ANOVA），采用DunnettT3方法進行比較配對檢驗。檢驗顯著性水平P＜0．05或P＜0．01。

1．4 各組應力松弛實驗結果

取正常組，病態組各8個標本進行壓縮應力松弛實驗。將試驗樣的原始尺寸輸入到控制機器的計算機內。

計算機程序設定從時間t（0）開始采集數據，每0．6S采集一個數據，采集10次；之后每10S采集一個數據，采集40次之后每136S采集一個數據，采集50個數據；共采集100個數據，歷時7200S。達到設定的時間后，打印機自動打印出實驗數據和曲線。

2 結果

蠕變實驗結果

正常組、病態組8個試樣蠕變原始數據，正常組、病態組8個試樣歸一的b．蠕變函數計算結果

（a）、（b）式分別代表正常組和病態組股骨頭的蠕變特性。

3 討論

骨是運動系統重要組成部分，由骨細胞、膠原纖維和基質構成，堅韌而且有彈性。

骨的化學成分中包含有機物和無機鹽類，股骨干內的有機物包含骨膠原纖維和粘多糖蛋白，約占骨總量的30－40%，粘多糖蛋白含有硫酸軟骨素、硫酸角質、透明質酸等大分子物質（多糖類），電鏡下：骨膠原纖維位于骨板中成層狀排列，這些特點決定了股骨具有彈性和韌性。

既往關于松質骨力學性質的研究頗多，但是由于松質骨由骨小梁以各種方式排列而成，對不同的動物在不同的骨骼和部位，骨小梁的排列方式有很大差異，因此其力學性質也有很大的區別。

應力松弛、蠕變試驗結果表明，無論是正常還是病態組，最初600s變化較大，之后應力緩慢下降，應變緩慢上升。應力松弛曲線是以對數關系變化的，蠕變曲線是以指數關系變化的。

正常組股骨頭7 200s應力松弛量為0．209 MPa，病態組7 200s應力松弛量為0．151MPa，正常組7 200s應力松弛量顯著大于病態組（P＜0．05）．正常組股骨頭7 200s蠕變量為0．664%，病態組股骨頭7 200s蠕變量為0．392%，正常組7 200s蠕變量顯著大于病態組（P＜0．05）．病態組的初始應力，初始應變均低于正常對照組，且達到相對平衡點的時間長。

近年來對膠原纖維的排列方向及結構與力學性能之間的相關性研究進一步提示，膠原纖維是一個影響骨力學性能極為重要的因素［3］。這是由于膠原纖維是基質的主要成分，羥基磷灰石一般沉積與膠原纖維頭尾之間的空隙內，換言之，膠原纖維的排列方向決定了羥基磷灰石沉積位置，二者高度有序的結合使骨具有良好力學性能［4］。膠原纖維使膠原組織具有一定的強度和剛度，彈性纖維使膠原組織具有一定的延伸能力。分析認為病態組松質骨由于股骨頭壞死，作用于股骨頭的應力分布改變，過高的應力使松質骨膠原組織的彈性纖維、膠原纖維、網狀纖維均遭到一定破壞，并且排列紊亂，所以其應力松弛，蠕變量丟失，達到相對平衡時間也長。

分析認為病態組由于股骨頭壞死，作用于股骨頭的應力改變，過高的應力使彈性纖維、膠原纖維、網狀纖維遭到破壞，所以其應力松弛量，蠕變量降低，應力松弛、蠕變速度慢，達到相對平衡點時間長。

股骨頭粘彈性與年齡密切相關，年齡越大應力或應變變化更加緩慢，尤其是50歲以上表現更為突出，分析認為50歲以上年齡段都伴有一定的骨質疏松，所以其粘彈性更差。

本文從生物力學的觀點研究了正常和病態股骨頭的粘彈性流變特征，得出了粘彈性指標、應力松弛、蠕變與時間的變化規律，為新型人工關節材料研究和設計提供了粘彈性指標。

由于骨源緊張的原因，本試驗的樣本還不夠十分的多，又由于生物材料個體差異的原因，實驗數據有一定離散，今后將在此基礎上做進一步的研究，可做動物實驗，進一步研究股骨頭壞死對骨粘彈性的影響。

4 結論

（1）應力松弛實驗：正常組7 200s應力松弛量大于病態組7 200s應力松弛量（P＜0．05）

（2）蠕變實驗：正常組7 200s蠕變量大于病態組7 200s蠕變量（P＜0．05）

（3）在相同應力作用下，病態組初始應變小于正常對照組。

（4）應力松弛曲線是以對數關系變化的。

（5）蠕變曲線是以指數關系變化的。

（6）預實驗結果顯示，股骨頭為各向異性材料具有各向異性的粘彈性力學性質。

（7）股骨頭為粘彈性固體生物材料。

［1］victor H．Frankel Margareta Nordin主編 戴克戎、王以進、周健男等譯．骨骼系統的生物力學基礎［M］．吉林科技出版社，1986．1．

［2］于 濤．保留股骨頸解剖型股骨上端假體的生物力學研究［D］．吉林大學博士學位論文，2003．1．