基于生物醫學工程發展史的骨骼結構詮釋

杜柏儒

【摘 要】 生物醫學工程學是一門促進生命健康的工程學科。無論是學科基礎理論的發展，還是工程技術的研發，都需要從整體的角度和動態的角度研究人體系統的變化規律，尤其是針對局部問題的解決方案，需要綜合考慮與生命系統整體的切合性。文中，筆者從力學和材料學這兩個角度對骨骼結構進行了詮釋。

【關鍵詞】 生物醫學工程 骨骼結構 力學角度 材料學角度

骨骼系統生物力學是生物力學研究中較為成熟的一個分支，研究者利用力學的原理、方法和相關技術去認知人體骨骼、肌肉、韌帶和軟骨的物質成分性質、結構特征和系統功能。它在生物科學、醫學、工業技術等領域建立了無數具有劃時代意義的貢獻，在我們日常生活、康復治療、關節治療和預防保健等方面已發揮了重要的作用，為生物醫學工程這個新興發展的學科奠定了基石。

1 力學角度對骨骼結構的詮釋

現在推行的“力學生物學”理念，正是需要我們以骨骼結構本身為理所當然的存在體，在力的作用下，對骨骼結構、材料、系統存在的合理性進行合理解釋。具體而言，是從功能所趨或外力作用的角度來解釋骨骼的形態與結構。

大量研究表明骨的重建活動與骨上增加的載荷關聯這一基本事實。承載骨的橫截面隨活動增加而增大，任何減少骨的功能性載荷都可使骨質變壞，如臨床上，長期臥床或局部長期石膏固定的病人，表現出全身或局部骨質疏松。

解剖學家 Meyer 和工程師 Culmann 于 1866 年發現起重機的軌線（主應力軌跡）與股骨頭部的松質骨結構有驚人的相似性，為證實松質骨的結構是由主應力方向確定的，他提出以下三個問題：

（1）所觀測到的松質骨結構是否在靜力狀態下形成的？

（2）使這些結構如此適應于功能的內在控制機制是怎樣的？

（3）如果綜合考慮肌肉和韌帶張力的影響，還能按照上述思路來了解結構嗎？

幾年后，德國的 Wolff 對此進行了思考，并對密質骨和松質骨的結構提出了自己的觀點，他認為松質骨和密質骨的形成可根據軌線來解釋，而軌線的密度可用以推斷靜力學的重要性和必要性，即軌線密度高的地方應力大，需要密質骨，相反，軌線密度低的地方僅需要松質骨，密度為零的地方則是髓腔。后來 Wolff 學說和 Roux 的功能適應性原理融合到一起來解釋上述的現象，稱之謂 Wolff 定律。這個定律的基本準則是“用之則強，廢用則弱”，依據此，便可以解釋宇航員長時間承擔飛行任務后，會引起小梁骨體積的降低。

在生物體正常活動中，骨感受到外部環境（主要是外部活動，如行走、運動等），骨組織感受到外界刺激的差異，導致骨液流動，骨內液體的流動伴隨著流體剪應力和黏滯力的產生，骨細胞發出重建信號并傳遞，效應細胞被激活，進而開啟重建過程，而破骨細胞、造骨細胞導致骨吸收和生成，進而改變骨的宏觀特性。信號的傳遞、營養成分的運輸和新陳代謝，骨液流動以及產生的電信號起到了重要的作用。信息傳導機制受應變感應和應變率感應等因素的影響，在微結構水平發生，受載歷史引發生物信號來促使骨細胞從骨表面沉積或消失，進而促使整個骨結構發生改變。至于骨在受力后的反饋性行為，主要是由于承受變化的載荷引起。

2 材料學角度對骨骼結構的詮釋

問題的不斷涌現始終是促動研究工作進一步深入的根源。隨后一個新的疑問產生，是什么應力狀態（壓應力、拉力還是剪力）從功能上刺激而產生松質骨的如此結構？對于這個問題，Evans 分析了各種不同觀點后認為，“關于應力和應變在骨的形成和結構中所起的作用大多數是理論性的，需要實驗數據來證實，另一方面，已有大量實驗數據指出，對于骨單元的排列方向和置換來說，力學的刺激并不是唯一的，也可能不是最重要的因素”。Evans 這一評論進一步指出，僅僅了解松質骨和密質骨的區別是不夠的，還需要了解其微結構單元，如骨單元、膠原纖維的合成等，這時需把骨看作一種多相復合材料來討論。目前，人們一般認為外部刺激通過介質到達多功能細胞，多功能細胞接收信號產生變異，進而導致骨結構與形狀的自組織演化過程，對于相關的控制機制，還需要更深入的分析研究。

當我們把骨作為一種材料來認識時，研究力學對其的響應便是主要任務，確切的說，是研究外加環境下骨的結構性質和幾何性質的演化過程。Rauber 早期的研究工作便是如此，他首先解釋了溫度和濕度對強度與彈性性能的影響，并且提出了彎曲試驗中骨對長時間加載的響應，以及骨的各向異性行為，指出了骨的性質有著局部解剖學差異。

Messerer 設計了液壓裝置來研究骨整體的破壞行為，包括對顱骨、盆骨、橈骨股骨的拉伸、扭轉、壓縮和彎曲。他發現，年齡和性別是決定整骨極限強度的重要因素，不同的斷裂、破壞模式是由于不同類型載荷引起。Evans 的《骨的力學性質》一書中，討論了溫度、濕度，加載頻率與加載速率等效應對骨力學性質的影響，但其中沒有關照到方向性和局部解剖的差異，以及微結構與功能等方面，實屬遺憾。此外，Evans 已意識到各種骨外科手術所施加的力對骨確定性的影響，就在關節置換物的可靠性問題還未得到解決，便又涌現出一個更加復雜問題，即人工關節與骨之間的相互作用問題。之后的骨生物力學的研究，是伴隨著上述的問題展開的，即尋找一個新的骨模型，使力學行為能與其內部結構功能聯系起來。

Fukada 和 Yasuda 發現了骨中的力電效應，這意味著把骨看作簡單的各向同性材料是有問題的。

Katz 及其合作者構造了四個有關聯的骨結構層次模型，發現呈正交各向異性的叢狀骨彈性剛度常數明顯大于橫觀各向同性哈氏骨的對應值。

3 結語

骨骼系統的復雜性決定了其多功能性，大量有著因果聯系的物理、化學和反饋過程，體現了這個大系統具有的特性。在宏觀上與骨的力學性質和幾何性質相關。骨作為一個系統研究的觀點，隨著科學技術的發展和研究的深入，越來越顯示其一般性。但要想透徹了解骨作為一種系統的行為，則仍有很多問題需要解決。

參考文獻

[1] 論中醫理論中的系統整體性思想[J]. 劉帶，李銳鋒. 系統科學學報. 2009（03）

[2] 生物醫學工程學概論[M]. 機械工業出版社 ， （美） 安德勒 （Enderle， 2014

[3] 科學史研究的方法論原則——從與自然科學研究的比較看[J]. 邢潤川，李鐵強. 自然辯證法研究. 2001（07）