老年胸腰椎松質骨的扭轉力學特性

老年胸腰椎松質骨的扭轉力學特性

吳丹凱李新穎1李鵬2

(吉林大學第二醫院，吉林長春130025)

摘要〔〕目的對正常國人青年和老年新鮮尸體腰椎松骨進行扭轉實驗，確定老年尸體松質骨和青年尸體腰椎松質骨是否具有不同的扭轉力學性質。方法死后1 h之內解剖取出死者腰椎T12～L2標本，將T12-L2標本沿縱向切成長30 mm，寬5 mm，高5 mm的試樣，每組各20個試樣。在扭轉試驗機上以2/s的實驗速度對試樣進行扭轉實驗。結果青年組胸腰椎松質骨最大扭矩值為(12.4±1.9)N·cm，最大扭轉角為(8.2±1.2)°，扭轉切應力為(4.8±0.7)MPa，老年組胸腰椎松質骨最大扭矩值為(9.5±2.0)N·cm，最大扭轉角為(5.2±1.0)°，扭轉切應力為(3.6±0.8)MPa。青年組腰椎松質骨最大扭矩值，扭轉角和扭轉切應力顯著大于老年組(P<0.05)。結論青年組脊柱腰椎松質骨和老年組脊柱腰椎松質骨具有不同的扭轉力學特性，老年組試樣由于骨質疏松，扭轉力學特性發生改變。

關鍵詞〔〕腰椎；松質骨；扭矩；切應力

中圖分類號〔〕R318.01〔

通訊作者：李鵬(1980-)，男，碩士，工程師，主要從事生物醫學工程與生物力學研究。

1吉林大學中日聯誼醫院2吉林大學南嶺校區工程力學系

第一作者：吳丹凱(1973-)，男，博士，副主任醫師，主要從事骨科臨床和生物力學的研究。

骨力學是生物學的重要分支，研究骨組織在外力作用下的力學特性和骨受力后的生物效應，是對骨質進行平定的一種可靠方法。近年由于骨質疏松、重建、骨再造、矯形外科開展的人工關節置換術等都需要了解松質骨的力學特性〔1〕。高明等〔2〕報道了對正常國人青年和老年新鮮尸體腰椎松質骨進行沖擊實驗研究,結果表明老年組腰椎松質骨的沖擊力學特性因老年性骨質疏松發生一定變化,其沖擊力學性能顯著降低。呂雅平等〔1〕報道了對老年尸體松質骨和青年尸體腰椎松質骨剪切實驗研究，結果表明青年組脊柱腰椎松質骨和老年組具有不同的剪切力學特性。臧虎等〔3〕報道了對正常國人青年和老年新鮮尸體胸椎松骨進行沖擊實驗研究，分析胸椎松質骨的沖擊力學性質，結果表明，青年組胸椎松質骨沖擊功、沖擊韌性均顯著大于老年組。胸椎松質骨沖擊實驗斷口多數為粉碎性斷口，少數為橫斷口或斜斷口。宏觀觀察青年組腰椎松質骨骨小梁排列細密，老年組腰椎松質骨骨小梁排列稀疏，孔隙較大，呈現出老年骨質疏松的表現形式，認為青年組脊柱胸椎松質骨和老年組脊柱胸椎松質骨具有不同的沖擊力學特性，老年組試樣由于骨質疏松導致沖擊力學特性發生改變的結論。以往研究〔1～3〕多以研究青年和老年尸體胸腰椎松質骨沖擊、剪切力學特性居多，而老齡對胸腰椎松質骨扭轉力學特性研究鮮有報道。本研究對比青年和老年尸體腰椎松質骨扭轉力學的特性差異，以明確青年尸體和老年尸體腰椎松質骨受多大扭矩、扭轉剪應力，會引起損傷，損傷后兩組試樣斷口形貌如何，為揭示腰椎松質骨扭轉損傷的機制提供理論依據。

1材料與方法

1.1材料取正常國人新鮮尸體4具，年齡22～70歲。人死亡后1 h之內，解剖尸體取出腰段脊柱T12～L2標本。立即裝入塑料袋中密封后置于-20℃冰箱內保存。標本存放了3 d后，取出標本，在常溫下解凍后，以骨據沿T12～L2標本縱向切割試樣，每組各20個試樣，試樣長30 mm，試樣寬5 mm，試樣高5 mm，利用讀數顯微鏡測量試樣的長度、寬度和高度。由于試樣短，為能實現實驗，分別將每個試樣兩端置于直徑為8 mm，長為30 mm的模具內，向模具填充以牙托水稀釋的牙托粉固化待用。

參考文獻1.2扭轉實驗方法腰椎松質骨為粘彈性材料；所以必須對試樣進行預調處理，本實驗按〔4，5〕的方法對每個試樣進行預調處理后實驗。分別將2組試樣置于扭轉試驗機的夾頭內，驅動機器以2/s的實驗速度對試樣施加扭轉，試樣破壞后，通過試驗機的測扭矩度盤和測扭轉角度盤讀取試樣的最大扭矩和扭轉角值等。

1.3統計學方法采用SPSS11.0軟件行方差分析和t檢驗。

2結果

青年組胸腰椎松質骨最大扭矩值為(12.4±1.9)N·cm，最大扭轉角為(8.2±1.2)，扭轉切應力為(4.8±0.7)MPa，老年組胸腰椎松質骨最大扭矩值為(9.5±2.0)N·cm，最大扭轉角為(5.2±1.0)，扭轉切應力為(3.6±0.8)MPa。青年組腰椎松質骨最大扭矩值，扭轉角和扭轉切應力顯著大于老年組(P<0.05)。宏觀觀察青年組腰椎松質骨骨小梁排列細密，老年組腰椎松質骨骨小梁排列稀疏，孔隙較大，呈現出老年骨質疏松的表現形式。

3討論

扭轉實驗是研究生物材料扭矩作用下損傷重要方法，胸、腰椎松質骨很難加工成圓截面標準試樣，又由于試樣短，很難裝入試驗機的夾頭內。本實驗對人腰椎標本在同一方向取樣，試樣的幾何尺寸一致，所以2組試樣有可比性，將試樣兩端以牙托粉固定，解決了試樣的裝夾問題，對試樣進行預調處理，解決了實驗的關鍵問題。腰椎是人體較堅硬組織，所以只有在承受較大的載荷時才會發生損傷。臨床常見的脊柱椎骨損傷有暴力損傷，即能量較大的動載荷下造成的骨折，這種損傷造成的傷害最大，可以說是災難性損傷，還有壓縮骨折。由壓應力作用下造成的損傷，腰扭傷在臨床上更為常見，輕者軟組織等造成損傷，重者椎骨發生骨折或脊柱脫位。本實驗中腰椎松質骨扭轉實驗破壞斷口以斜形(45方向)居多，少數為橫斷口，表現出比較典型的脆性材料的斷口形貌。近年來研究表明〔6〕,骨小梁的三維微細結構的改變也影響骨的生物力學特性。老年性緩慢的骨丟失主要由于成骨的功能降低。松質骨的骨量丟失較皮質骨開始為早，并且下降速度快，國內調查結果發現〔6〕，男性在30歲開始松質骨丟失，40多歲皮質骨丟失，骨礦密度隨年齡增加，累計平均丟失率增加，65歲后的男性普遍存在不同程度的骨質疏松癥，70歲以后出現較快的骨丟失。所以老年男性應注意預防骨質疏松的發生和發展，尤其注意避免發生各種骨折。

4參考文獻

1呂雅平，李云鶴，劉軼凡,等.老齡腰椎松質骨的剪切力學變化〔J〕. 中國組織工程研究與臨床康復,2010;14(9)：1594-7.

2高明，張忠君，馬洪順.老齡對腰椎松質骨沖擊力學特性的影響〔J〕. 北京生物醫學工程,2010;29(5): 508-10.

3臧虎，張翹，馬洪順.T3-12胸椎松質骨沖擊力學特性：青年與老年的差異比較〔J〕. 中國組織工程研究與臨床康復,2010;14(9) ：1599-601.

4權鐵剛,高明,馬洪順.彎曲力學性質：青年與老年尸體肋骨的比較〔J〕.中國組織工程研究與臨床康復,2010；14(33):6113-6.

5樸成東,張延哲,陳雷,等.兩種固定器固定脊柱骨折脫位的生物力學分析〔J〕.中國組織工程研究與臨床康復,2009；13(52):10279-82.

6劉忠厚.骨質疏松學〔M〕.北京：科學出版社，1998：553.

〔2012-11-03修回〕

(編輯趙慧玲/曹夢園)