骨松质的生物力学

1.骨松质的结构　骨松质的结构类似于工程中蜂窝结构材料，但随解剖部位的不同有着较大变异。骨松质形态学描述的研究主要来自扫描电镜的资料，Whitehouse等于20世纪70年代初做了大量的工作，其研究结果表明，骨松质内骨小梁的结构、形状、大小和连接方式随解剖部位的不同而变异。1985 年Gihson阐述了骨松质的3种主要连接方式：相对密度较低的骨松质是由柱状骨小梁网状连接而构成的开放的蜂窝结构；随着相对密度的增高，骨小梁变宽变厚，形成由板-板连接而构成的较封闭蜂窝结构；介于二者之间的骨松质是由柱状骨小梁和板状骨小梁网状连接构成的半封闭蜂窝结构。因此，骨松质一般被认为是骨小梁网状连接构成的半封闭蜂窝结构。此外组织形态学和体视学研究也界定了一些特别参数，如骨小梁平均厚度、骨体积分数和各向异性百分数，定量研究了骨松质的结构。

2.骨松质的力学特性

（1）黏弹性：20世纪90年代骨松质黏弹性性质又成为研究焦点之一。Carter和Hayes发现机器加工的骨松质试件的弹性模量和强度与应变率存在着微弱相关性，在他们所拟合的模型中，骨松质的弹性模量和强度与应变率的0.06次方相关。其他学者的研究也先后证实了机加工的骨松质试件对应变率相对不敏感这一结论。1991年Linde等专门测试了应变率对骨松质的影响，他们发现弹性模量与应变率的0. 07次方相关，强度应变率的0.05次方相关，该结果与Carter和Hayes的结果无根本上的差异。在准静态载荷下，骨髓的液压效应并不对骨松质试件的力学性质产生任何影响，而随着应变率的提高则不应忽视骨髓的液压效应。Ochoa的有骨髓和无骨髓的全股骨头加载研究提示在体内可能存在骨髓的液压效应。

1993年Micllel等发现牛骨松质的疲劳行为与密质骨相似，在高频疲劳试验中，在疲劳破坏前，周期性压缩载荷只对弹性模量产生很小影响。与之相反，在低频疲劳试验中，弹性模量渐进性减小直至破坏。骨松质的蠕变特性也展示出与骨皮质蠕变相类似的特征，骨松质的蠕变分为3个典型的阶段：第一段快速蠕变，第二段缓慢蠕变和第三段快速蠕变。虽然这些试验均以牛骨松质为材料在室温下进行，但这些结果确实为今后的研究提供了方向。

（2）终应变：在连续介质水平的骨松质，其弹性模量-密度、强度-密度有着相似的关系，且有大量文献证实弹性模量与压缩强度呈密切线性相关，表明在连续介质水平终应变（屈服应变）可作为表示松质破坏的一个主要参数。骨松质的终应变与表观密度或弹性模量无关的事实支持该种说法。关于骨松质终应变的报道尚不多见。Turner报道了牛股骨远端的终应变均值加减标准差为0.74%± 0.14%，Linde报道了人胫骨近端的终应变值为2.02%±0.43%。

（3）各向异性：骨松质的各向异向性由许多文献通过弹性模量、强度对加载方向的敏感性而得以证实。Galante等对人体腰椎骨松质分3组进行了不同加载方向下的压缩试验，分别沿椎体上下，内外，前后为方向加载，结果表明沿上下向加载的强度最大，约为其余两种加载方向的2倍。

3. 影响骨松质力学特性的因素

（1）表观密度：骨松质作为多孔材料，其密度需要两种不同的概念来描述，一种为整个试件的密度称为表现密度，一种为骨基质本身的密度称为组织密度。表观密度是指单位试件体积中所含矿化组织的质量。组织密度是指矿化组织的质量除以骨髓空腔体积的骨基质体积。组织密度是关于有机质、水和矿化物的函数，它的增高主要的是矿化物含量的增多。表观密度的增高则是试件单位体积内骨体积增多或组织密度增高引起。人骨松质的组织密度较为恒定，其大致范围为1.6～2.0 g/cm3；相反，表观密度的变异较大，其变异范围为0.05～0.59 g/cm3。

弹性模量和强度与表观密度的稳定相关性是骨松质生物力学性质研究中的重要发现，然而骨松质的生物力学性质与表观密度的精确关系仍是一个悬而未决的问题。20世纪70年代初，Galante等报道强度与表观密度呈线性相关，此后Carter和Hayes报道了强度与表观密度呈二次平方关系，弹性模量与表观密度呈三次方关系。但Galante的试验结果仅来自于人椎体的骨松质，而Carter和Hayes认为骨松质和密质骨是不同密度的同一材料。他们建立模型的数据来自于人、牛的骨密质和人胫骨近端骨松质。

1991年Linde等取材于人胫骨近端，分析了骨松质力学性质与表观密度和应变率的关系，并拟合了力学参数与表观密度的线性、平方和立方模型，发现各模型间无显著差异，其P < 0.000 1。骨松质的力学性质与表观密度的广泛适应性，说明表观密度并不能很好地解释其力学性质的变异，其典型的相关系数范围为0.4～0.8。这些未能很好解释的变异主要来源于骨松质的内部结构，组织密度和不同的测试方法等因素。

（2）解剖部位：20世纪70年代关于骨松质的研究主要集中于表观密度与强度和弹性模量的关系。80年代一些学者开始描述弹性模量对解剖部位、加载方向和年龄的敏感性。骨松质具有高度的不均匀性，不同学者的研究结果表明其弹性模量的变异范围可达20～500 MPa。Goldstein等在人胫骨近端骨松质的研究中发现，在同一干骺端不同位置骨松质的弹性模量相差100倍，从而证实了骨松质的高度不均匀性。其他学者的研究证实了在其他部位的骨松质也存在高度均匀性。这些发现从侧面证实了Wolff定律，即不同解剖部位骨松质的不同功能直接影响了其本身的结构和力学性质。

（3）年龄相关性：Mosekilde等对年龄与人腰椎强度和弹性模量的定量关系进行了系列报道，表明在沿椎体纵向加载条件下，20岁个体的弹性模量约120 MPa，而80岁个体的弹性模量约为20 MPa；即人体腰椎骨松质的弹性模量以每10年17%的速度减少，强度以每10年5%的速率减少。此外椎体骨松质强度的各向异性也随年龄的提高而增加。对于其他部位的骨松质，如股骨或胫骨近端，其弹性模量和强度随年龄的变化尚未被明确的定量表达。