體外脫鈣對(duì)牛股骨松質(zhì)骨拉伸和斷裂性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

關(guān)鍵詞： 牛股骨松質(zhì)骨; 體外脫鈣; 拉伸性能; 斷裂性能; 孔隙率; 分形維數(shù)

中圖分類號(hào)： TB9; R318 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）02–0046–09

0引言

因骨質(zhì)疏松引發(fā)的相關(guān)臨床疾病已嚴(yán)重危害人類身體健康，加重了社會(huì)和家庭的負(fù)擔(dān)。對(duì)松質(zhì)骨的力學(xué)性能研究，可為松質(zhì)骨疾病預(yù)防和治療以及骨組織工程提供力學(xué)依據(jù)。目前，已建立了多種有效可靠的骨質(zhì)疏松動(dòng)物模型[1-2]。

自1892年Wollf發(fā)表著名的Wollf定律以來，骨力學(xué)性能研究已有100多年的歷史。高明等[3]研究了老年性骨質(zhì)疏松對(duì)腰椎松質(zhì)骨沖擊力學(xué)性能的影響。魏朝磊等[4] 對(duì)新鮮豬股骨松質(zhì)骨進(jìn)行了單軸壓縮下的蠕變?cè)囼?yàn)。王尚城等[5] 對(duì)人骨進(jìn)行了拉伸和壓縮的力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)骨組織的拉壓測(cè)試容易受試樣制備、測(cè)試方法、環(huán)境條件和數(shù)據(jù)處理的影響。在研究骨骼的斷裂機(jī)制時(shí)，研究者多采用強(qiáng)度或臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子來表征骨的斷裂性能。為了考慮骨折前塑性變形所消耗的能量，Li 等[6] 使用J 積分表征牛皮質(zhì)骨不同裂紋方向的斷裂韌性，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)骨組織斷裂韌性具有各向異性。Phelps等[7]考慮了骨骼的橫縱向斷裂韌性、孔隙率、骨的顯微硬度、骨密度等參數(shù)與年齡的關(guān)系，研究了與年齡相關(guān)的骨骼變化。Granke 等[8] 評(píng)估了礦化不均一性、骨組織年齡、孔隙度和面積分?jǐn)?shù)對(duì)皮質(zhì)骨斷裂韌性的相對(duì)貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)孔隙度和骨面積的貢獻(xiàn)最大。

雖然目前針對(duì)松質(zhì)骨的力學(xué)性能已開展了較多研究，但有關(guān)松質(zhì)骨拉伸、斷裂性能與松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系研究仍較為缺乏。本文對(duì)牛股骨松質(zhì)骨進(jìn)行體外脫鈣處理，獲得不同骨質(zhì)疏松程度的牛股骨松質(zhì)骨并開展拉伸和斷裂試驗(yàn)，研究不同骨質(zhì)疏松程度及松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)牛股骨松質(zhì)骨力學(xué)性能的影響。

1試樣制備

1.1制樣過程

收集新鮮成年牛股骨，除去覆蓋其上的肌肉和骨膜，保留牛股骨下端，并在靠近骨髓端的松質(zhì)骨區(qū)域集中取樣。先將取樣區(qū)域進(jìn)行切塊，再制成厚度合適的切片，按圖1加工拉伸和斷裂試樣。制樣流程如圖2所示。其中拉伸試樣厚度為4mm，三點(diǎn)彎曲試樣厚度為5mm。

因松質(zhì)骨具有特定生理方向，沿不同生理方向具有不同的力學(xué)特性，因此制備拉伸試樣時(shí)使其拉伸方向沿骨小梁生長(zhǎng)方向，制備三點(diǎn)彎曲試樣時(shí)使裂紋方向垂直于骨小梁生長(zhǎng)方向。制樣過程中為防止因灼燒破壞骨組織結(jié)構(gòu)，在切削過程全程采用緩水流澆灌切口，并以水磨方式打磨試樣。為保證試件的生物活性，制作好的試樣用浸泡過生理鹽水（0.9% Nacl溶液）的紗布包裹，并保存在–20℃ 的環(huán)境中。

1.2體外脫鈣

本文參考文獻(xiàn)[9] 的脫鈣方法，采用螯合脫鈣劑建立體外骨質(zhì)疏松模型，文獻(xiàn)中利用乙二胺四乙酸二鈉鹽（ EDTA-Na2）對(duì)豬腰胸椎體進(jìn)行體外脫鈣模擬骨質(zhì)疏松，試劑濃度為0.4916mmol/L。本文為使脫鈣效果更顯著，分別采用該文獻(xiàn)所用試劑的50倍、100倍和400倍濃度，并分別對(duì)試樣浸泡1～3d，由此獲得不同骨質(zhì)疏松程度的試驗(yàn)樣本，各組試樣工況如表1所示。

2試驗(yàn)與分析方法

2.1拉伸與斷裂試驗(yàn)

對(duì)不同脫鈣程度的牛股骨松質(zhì)骨進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和準(zhǔn)靜態(tài)斷裂試驗(yàn)，每種工況完成兩個(gè)試樣的試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示。試驗(yàn)在電子伺服材料試驗(yàn)機(jī)上完成，其載荷量程為5kN，傳感器精度為0.5級(jí)。采用MTS 632.29F-30應(yīng)變引伸計(jì)測(cè)量拉伸試樣的應(yīng)變， 引伸計(jì)標(biāo)距為5mm，量程為20%。采用MTS 632.03F-30引伸計(jì)測(cè)量三點(diǎn)彎曲試樣的加載線位移，引伸計(jì)標(biāo)距為5mm，量程為12mm。拉伸試驗(yàn)和斷裂試驗(yàn)均采用位移控制加載，加載速率為0.02mm/s。所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，試驗(yàn)過程中由試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)采集試樣的載荷、位移等信息。

2.2分析方法

2.2.1斷裂數(shù)據(jù)分析

已有不少文獻(xiàn)[10-12]將松質(zhì)骨當(dāng)成宏觀近似均勻材料，采用金屬材料斷裂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)推薦的相關(guān)方法對(duì)其斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。因此，本文參照ASTM E1820-20e1試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)松質(zhì)骨斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得不同骨質(zhì)疏松程度的J 積分值。

2.2.2孔隙率計(jì)算

由于試樣可能取自不同個(gè)體或同一個(gè)體的不同區(qū)域，因此制備完成的松質(zhì)骨試樣的骨小梁分布形態(tài)有相當(dāng)大的差異，孔隙率可以在一定程度上反映骨小梁的分布差異。本文采用數(shù)字圖像處理方法[13] 結(jié)合Matlab 軟件計(jì)算松質(zhì)骨孔隙率，具體步驟如下：

1） 將試樣斷面打磨平整對(duì)其進(jìn)行染色處理，使用數(shù)碼顯微鏡拍攝斷面并進(jìn)行圖像灰度化處理，如圖4（a） 所示。

2） 采用Photoshop軟件處理灰度圖片，增加斷面中骨小梁和孔洞之間的對(duì)比度。

3） 將處理后的圖像導(dǎo)入Matlab中二值化處理，并求出孔洞像素點(diǎn)與總像素點(diǎn)之比，即為該斷面孔隙率，相應(yīng)二值圖如圖4（b） 所示，其中白色為骨小梁，黑色為孔隙。

2.2.3分形維數(shù)計(jì)算

分形維數(shù)描述的是圖形的不規(guī)則度和復(fù)雜度，越復(fù)雜、結(jié)構(gòu)越紊亂的物體，其值越高。Kersh[14] 等發(fā)現(xiàn)骨小梁結(jié)構(gòu)顯示出一定的分形特性，可以用于描述骨小梁的復(fù)雜幾何形狀。Maquer[15] 等發(fā)現(xiàn)骨小梁結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)會(huì)隨著骨質(zhì)含量的變化而變化，并且分形維數(shù)可用于區(qū)分骨質(zhì)疏松骨結(jié)構(gòu)和正常骨結(jié)構(gòu)。為了更好地量化骨小梁分布差異性，本文采用分形維數(shù)來進(jìn)一步表征骨小梁結(jié)構(gòu)對(duì)松質(zhì)骨力學(xué)性能的影響。基于前述試樣斷面二值圖， 使用Matlab的第三方工具箱FracLab 來計(jì)算松質(zhì)骨的分形維數(shù)。FracLab的計(jì)算原理基于計(jì)盒維數(shù)法，其具體定義如下：

設(shè)A是Rⁿ空間的任意非空有界子集，對(duì)于任意的一個(gè)r＞0，N_r（A） 表示用來覆蓋A所需邊長(zhǎng)為r 的n 維立方體（盒子）的最小數(shù)目。如果存在非負(fù)數(shù)d，使得當(dāng)r→0時(shí)，有N_r（A）∝1/r^d，那么稱d為A的計(jì)盒維數(shù)。由定義得，存在任意k使得：

3結(jié)果與討論

3.1體外脫鈣對(duì)牛股骨松質(zhì)骨拉伸性能的影響

圖5和圖6分別給出了同一脫鈣濃度或脫鈣時(shí)間條件下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看到，相同脫鈣條件下的松質(zhì)骨拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在較大分散性。從圖6 可以看到C3-1#試樣力學(xué)性能遠(yuǎn)高于其他試樣，結(jié)合圖7試樣斷面骨小梁結(jié)構(gòu)分布圖發(fā)現(xiàn)，C3-1#試樣的骨小梁分布較為連貫密集，這可能是導(dǎo)致其力學(xué)性能較高的原因。除去由于取樣個(gè)體、取樣區(qū)域及試樣骨小梁結(jié)構(gòu)分布不同造成的試樣力學(xué)性能過高或過低，在同一脫鈣濃度下，脫鈣時(shí)間越長(zhǎng)，其拉伸性能越差。對(duì)于脫鈣時(shí)間為1d的試樣，由于試樣微結(jié)構(gòu)差異，難以判斷脫鈣濃度對(duì)其拉伸性能的影響。對(duì)于脫鈣時(shí)間為2d和3d的試樣，脫鈣濃度越高，其拉伸性能越差。

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得到各試樣的彈性模量及抗拉強(qiáng)度，如表2 所示。松質(zhì)骨是一種典型的多孔結(jié)構(gòu)材料，松質(zhì)骨骨小梁微結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響無法忽略。圖7 示例性地給出了不同脫鈣條件下試樣斷面的骨小梁分布二值圖。可以發(fā)現(xiàn)，各試樣骨小梁分布以及結(jié)構(gòu)連通性有明顯差異。為進(jìn)一步考察骨小梁分布對(duì)松質(zhì)骨拉伸性能的影響，由試樣斷面二值圖處理得到了各試樣的孔隙率和分形維數(shù)，如表2 所示。

根據(jù)表2 繪制各試樣彈性模量及抗拉強(qiáng)度隨脫鈣程度的變化柱狀圖，如圖8和圖9所示。可以看到，相同濃度下隨著脫鈣時(shí)間的增加，松質(zhì)骨的彈性模量及抗拉強(qiáng)度有一定的下降趨勢(shì)。但在相同脫鈣時(shí)間條件下，脫鈣劑濃度的增加并未造成松質(zhì)骨彈性模量和抗拉強(qiáng)度的明顯減小，甚至還會(huì)出現(xiàn)一定程度的上升。

圖10（a） 和圖10（b） 給出了松質(zhì)骨彈性模量和抗拉強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系。可見，松質(zhì)骨的彈性模量和抗拉強(qiáng)度與孔隙率密切相關(guān)，隨著孔隙率的增加，彈性模量和抗拉強(qiáng)度均明顯下降。由于松質(zhì)骨試樣的差異性，從圖中難以判斷不同脫鈣條件對(duì)其孔隙率的影響規(guī)律。

圖10（c） 和圖10（d） 給出了松質(zhì)骨彈性模量和抗拉強(qiáng)度與分形維數(shù)的關(guān)系。可見，松質(zhì)骨的彈性模量和抗拉強(qiáng)度與分形維數(shù)密切相關(guān)。隨著分形維數(shù)的增大，彈性模量和抗拉強(qiáng)度均明顯提高。從圖中還可以看到，脫鈣劑濃度對(duì)松質(zhì)骨斷面的分形維數(shù)有顯著影響，脫鈣劑濃度越高，其分形維數(shù)越小。

3.2體外脫鈣對(duì)牛股骨松質(zhì)骨斷裂性能的影響

圖11給出了同一脫鈣濃度下不同脫鈣時(shí)間和不同脫鈣濃度下同一脫鈣時(shí)間的試樣載荷-位移曲線。可以看到，相同脫鈣條件下松質(zhì)骨三點(diǎn)彎曲試樣的載荷-位移曲線存在較大分散性。相同脫鈣濃度下，脫鈣時(shí)間越長(zhǎng)，其載荷-位移曲線越低。相同脫鈣時(shí)間下，除脫鈣處理1 天的試樣，其余試樣表現(xiàn)為脫鈣濃度越高，斷裂力學(xué)性能越差。

基于載荷-位移曲線，參照ASTM E1820-20e1試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可以處理得到不同試樣的J 積分，如表3所示。圖12示例性地給出了不同脫鈣條件下三點(diǎn)彎曲試樣斷面的骨小梁分布二值圖。可以發(fā)現(xiàn)，各試樣的骨小梁分布特征存在明顯差異，由試樣斷面二值圖得到了各試樣的孔隙率和分形維數(shù)，如表3所示。

根據(jù)表3繪制不同脫鈣程度松骨質(zhì)試樣J積分隨脫鈣程度的變化柱狀圖如圖13所示。可以看到，脫鈣濃度和脫鈣時(shí)間對(duì)松質(zhì)骨斷裂性能的影響規(guī)律難以明確判斷。

圖14給出了J積分隨試樣孔隙率及分形維數(shù)變化的散點(diǎn)圖。由圖可知，松質(zhì)骨的斷裂韌性與孔隙率和分形維數(shù)密切相關(guān)。隨著孔隙率的增大，斷裂韌性逐漸下降。隨著分形維數(shù)的增大，斷裂韌性逐漸提高。其中，孔隙率對(duì)斷裂韌性的影響強(qiáng)于分形維數(shù)。

4結(jié)束語

1）脫鈣劑濃度和脫鈣時(shí)間對(duì)牛股骨松質(zhì)骨的拉伸和斷裂性能有顯著影響，脫鈣劑濃度越高，脫鈣時(shí)間越長(zhǎng)，其力學(xué)性能越差。

2）孔隙率和分形維數(shù)能夠一定程度反映骨小梁分布特征，脫鈣劑濃度越高，試樣的分形維數(shù)越低，但孔隙率與脫鈣程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確。

3）松質(zhì)骨的彈性模量、抗拉強(qiáng)度隨著孔隙率的增加而減小，隨著分形維數(shù)的增加而增大。松質(zhì)骨的斷裂性能隨著孔隙率的增加而減小，隨著分形維數(shù)的增加而提高。

4）相比孔隙率，分形維數(shù)能夠更好地表征因脫鈣程度不同引起的牛股骨松質(zhì)骨拉伸和斷裂性能的差異。