人體骨骼顯微硬度及其相關(guān)因素初步研究

?

·研究快報(bào)·

人體骨骼顯微硬度及其相關(guān)因素初步研究

胡祖圣，李升，劉國彬，王建朝，殷兵，張曉娟，吳衛(wèi)衛(wèi)，張英澤*(河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院骨科，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

[關(guān)鍵詞]人體；骨骼；顯微硬度；相關(guān)因素

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.01.032

人體骨骼是一種由無機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料，骨組織按照成分分類主要是由礦物質(zhì)、Ⅰ型膠原蛋白和水組成的結(jié)締組織，前兩者決定了其硬度和韌性。骨骼的生物力學(xué)性能一直是研究的重要課題。骨骼硬度指的是骨骼局部抵抗硬物壓入其表面的能力[1]。骨骼硬度一直被認(rèn)為是評(píng)價(jià)骨骼質(zhì)量的重要指標(biāo)。早在1929年Lexer首次描述人體骨骼宏觀硬度這一重要概念，1954年Carlstr?m首次應(yīng)用硬度測(cè)試儀測(cè)試人體骨骼顯微硬度并指出顯微硬度與骨組織的礦化程度相關(guān)。1958年Amprino[2]、1966年Weaver[3]則利用顯微壓痕方法測(cè)量鳥類和水牛微觀骨硬度并探討骨骼在干燥、加熱的處理?xiàng)l件下骨骼顯微硬度變化情況。通過檢索并復(fù)習(xí)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)到目前為止，國內(nèi)、外尚未見到有關(guān)人體骨骼硬度的系統(tǒng)研究報(bào)告，河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院張英澤教授在國內(nèi)率先提出人體骨骼硬度系統(tǒng)研究計(jì)劃，以人體骨骼為框架，運(yùn)用維氏顯微硬度測(cè)量?jī)x測(cè)量人體全身骨骼顯微硬度值，并描繪出人體全身骨骼硬度圖，尋找每塊骨骼最強(qiáng)硬度區(qū)域，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究骨硬度與骨密度、骨代謝、骨微觀結(jié)構(gòu)及理化成分、骨強(qiáng)度、彈性模量以及螺釘把持力等因素之間相關(guān)關(guān)系。

1研究方法

1.1QCT及顯微硬度值測(cè)定取出同一尸體(來自尸體捐獻(xiàn)者)的全身與骨科相關(guān)骨骼(上肢骨、下肢骨和脊椎骨盆軀干骨)，首先行全部骨骼X線及QCT檢測(cè)，先用微型臺(tái)鋸及高精慢速鋸將骨骼制成厚3 mm的試樣固定在載玻片上并標(biāo)記。用碳化硅粒依次為800、1 000、1 200、2 000、4 000目砂紙打磨標(biāo)本，表面給予拋光，置于-20 ℃冰箱冷藏。標(biāo)本從冰箱取出后放至常溫下解凍。應(yīng)用德國KB-5型顯微維氏硬度儀測(cè)試骨骼橫截面硬度值，本研究采用50 g力加載50 s、維持12 s標(biāo)準(zhǔn)操作方法測(cè)定，并根據(jù)解剖位置準(zhǔn)確記錄。

1.2骨試樣彈性模量及骨骼強(qiáng)度的測(cè)定對(duì)骨試樣進(jìn)行兩端包埋固定后，將試樣裝載于Elecroforce 3520-AT型生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上(美國Bose公司生產(chǎn)，河北省骨科研究所提供)，以0.05 mm/s的加載速度對(duì)骨試樣進(jìn)行單次力學(xué)壓縮加載，直至骨試樣屈服破壞，通過試驗(yàn)機(jī)程序采集數(shù)據(jù)得到位移-載荷曲線轉(zhuǎn)換得到應(yīng)力與應(yīng)變曲線，通過公式計(jì)算出試樣的彈性模量。本研究定義彈性模量為應(yīng)力-應(yīng)變曲線屈服點(diǎn)前最佳線性段的斜率。骨強(qiáng)度定義為根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變中出現(xiàn)拐點(diǎn)、試樣破壞需要的力。

1.3螺釘把持力的測(cè)定顯微硬度測(cè)量后的試樣接著行螺釘把持力測(cè)定。通過該研究旨在闡明骨骼顯微硬度值與螺釘把持力大小的相關(guān)關(guān)系。

1.4人體骨的微觀結(jié)構(gòu)分析在顯微硬度測(cè)量的基礎(chǔ)上，選擇全身骨骼有代表性、硬度值差異部位骨組織進(jìn)行掃描電鏡下觀察，觀察其微觀結(jié)構(gòu)間差異。嘗試從骨的微觀結(jié)構(gòu)闡述人體骨骼硬度分布規(guī)律。

1.5人體骨骼理化成分分析采用骨組織成分分析方法分析人體不同部位骨骼成分(骨礦含量、膠原含量等)構(gòu)成，重點(diǎn)研究骨骼硬度差異部位的成分間異同，試圖從人體骨骼的理化構(gòu)成層面揭示骨骼顯微硬度的分布規(guī)律。

1.6骨代謝相關(guān)指標(biāo)、性激素測(cè)定采集臨床不同年齡組骨科手術(shù)患者術(shù)中骨組織標(biāo)本，測(cè)定其顯微硬度，根據(jù)患者性激素水平、骨代謝相關(guān)指標(biāo)檢測(cè)、體質(zhì)量指數(shù)、腰臀圍等以及QCT結(jié)果分析人體骨骼顯微硬度與骨代謝之間相關(guān)關(guān)系。

2討論

2.1骨顯微硬度與骨組織微觀結(jié)構(gòu)及理化成分據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，骨組織是一種具有7級(jí)復(fù)雜等級(jí)結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)材料，主要由羥基磷灰石、Ⅰ型膠原和水組成，具有很好的硬度和強(qiáng)度，其生物力學(xué)性質(zhì)取決于其物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)，骨組織礦物含量決定其硬度[4]。骨組織礦物質(zhì)又稱骨鹽，主要成分是磷酸鈣、碳酸鈣、檸檬酸鈣及磷酸氫二鈉等。它們以結(jié)晶的羥基磷灰石和無定形的膠體磷酸鈣的形式分布在骨基質(zhì)中。羥基磷灰石結(jié)晶呈片狀，約40 nm×20 nm×5 nm大小，分子式為Ca10(PO4)6(OH)2。鈣、磷晶體排列呈小柱狀，環(huán)繞著哈佛系統(tǒng)排列，通常認(rèn)為骨的堅(jiān)硬程度取決于骨基質(zhì)中羥基磷灰石晶體排列。有機(jī)質(zhì)的主要成分是骨膠原纖維，占有機(jī)細(xì)胞間質(zhì)的90%。骨膠原纖維的直徑約為50 nm，組成骨的Ⅰ型膠原分子平行排列連接形成膠原微纖維，膠原微纖維的直徑約為100 nm，微纖維之間軸向連接，并具約30 nm 的空隙，鈣、磷晶體嵌插在這些空隙中形成礦化膠原纖維；礦化膠原有序平行排列集結(jié)成束，礦化膠原束組合有平行排列、纖維交織結(jié)構(gòu)、夾合板結(jié)構(gòu)、纖維放射狀排列4種形式[4]，其中平行排列是最常見的排列模式，膠原纖維在板層骨內(nèi)環(huán)繞血管間隙呈同心圓排列，在骨松質(zhì)內(nèi)與骨小粱呈縱軸平行排列。同時(shí)也有許多膠原纖維穿過板間區(qū)以增加骨對(duì)機(jī)械應(yīng)力的抵抗。

通過研究我們提出假設(shè)，骨骼的顯微硬度與膠原纖維的排列方向有關(guān)，皮質(zhì)骨中骨板有3種構(gòu)筑方式：①哈佛系統(tǒng)，由縱向的哈佛管為骨中心管，外周環(huán)繞著近似同心圓排列的礦化的膠原板層構(gòu)成圓柱狀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)哈弗系統(tǒng)都是獨(dú)立的代謝單元，因此又稱為骨結(jié)構(gòu)單位,簡(jiǎn)稱骨單位；②間骨板，為哈弗系統(tǒng)之間形態(tài)不一、排列規(guī)則的骨板，是骨重建過程中遺留的陳舊骨單位；③內(nèi)、外環(huán)骨板，構(gòu)成皮質(zhì)骨內(nèi)外層，在長(zhǎng)骨圍繞干排列的骨板，在扁骨稱為內(nèi)、外板。我們將研究不同類型的骨板的顯微硬度差異，更好地揭示骨組織的不均質(zhì)性。在松質(zhì)骨中，骨板平行排列形成月牙形小捆狀結(jié)構(gòu)，又稱為骨捆包,相當(dāng)于半個(gè)哈弗系統(tǒng)，長(zhǎng)約1 000 μm，厚60 μm。骨捆包是松質(zhì)骨的基本組成單位。骨捆包之間進(jìn)一步連接形成三維立體骨小梁結(jié)構(gòu)。松質(zhì)骨是由大量針狀或片狀骨小梁連接而成的多孔網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同部位受力遵從Wolf定律排列，與皮質(zhì)骨一樣具有非均勻的各向異性特點(diǎn)。

有研究表明骨骼顯微硬度可能與構(gòu)成骨板的骨單位中纖維排列方向及方式、組織礦化程度以及水分含量相關(guān)。骨組織礦化程度越高，其組織硬度越強(qiáng)，我們通過研究試圖初步揭示人體骨骼顯微硬度大小分布與組織構(gòu)成及微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系。

2.2骨顯微硬度與骨密度及骨代謝骨密度又稱為骨礦密度，指的是單位面積或體積骨內(nèi)礦物質(zhì)含量。骨密度被認(rèn)為是診斷骨質(zhì)疏松癥和預(yù)測(cè)骨質(zhì)脆性的“金標(biāo)準(zhǔn)”，也被廣泛認(rèn)為是評(píng)估骨質(zhì)疏松性骨折風(fēng)險(xiǎn)的重要手段[5]。骨質(zhì)疏松癥是以骨量減少、骨組織顯微結(jié)構(gòu)退化為特征的全身性骨骼系統(tǒng)退行性疾病。骨量的減少和骨組織微觀結(jié)退化使骨折的易感性明顯增高。研究表明骨密度所能反映的骨強(qiáng)度變化是有限的。

目前骨密度仍然是評(píng)估骨質(zhì)疏松癥的主要手段，但不全面，結(jié)合骨組織組成、微觀結(jié)構(gòu)以及生物力學(xué)性能，全面地評(píng)估骨質(zhì)量對(duì)骨折的預(yù)防及治療有重要的臨床價(jià)值。在本研究中，我們應(yīng)用QCT法測(cè)量全身骨骼骨密度，并初步研究骨硬度與骨密度相關(guān)關(guān)系。我們認(rèn)為骨硬度較骨密度更能真實(shí)反映骨骼的生物力學(xué)性能。

2.3骨顯微硬度、骨強(qiáng)度與骨質(zhì)量骨強(qiáng)度指的是骨骼某一局部在不發(fā)生骨折的條件下所能承受的最大外力[6]。當(dāng)外力超過骨強(qiáng)度時(shí)骨折發(fā)生，從機(jī)械角度來看，骨強(qiáng)度不僅依賴于骨量多少，更多地依賴于骨組織各成分之間的空間構(gòu)筑，即骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前尚無精確的方法測(cè)量骨強(qiáng)度，骨密度作為一種非侵襲性檢查結(jié)果，常被用來替代骨強(qiáng)度，并作為骨折風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)工具。研究表明松質(zhì)骨的骨密度可以解釋60%~80%力學(xué)強(qiáng)度。但骨密度只是部分解釋了骨強(qiáng)度，在骨折風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)和治療效果的評(píng)估上有一定的局限性。

有研究認(rèn)為骨強(qiáng)度與骨組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，縱向排列的膠原纖維可明顯增加皮質(zhì)骨的拉伸強(qiáng)度，而含有大量混合膠原纖維排列方向的骨單位具有較高的壓縮強(qiáng)度[7]。骨強(qiáng)度能全面評(píng)價(jià)骨質(zhì)疏松患者的骨質(zhì)和骨量。骨質(zhì)包括骨組織顯微空間構(gòu)筑、骨的生物力學(xué)2個(gè)方面，是對(duì)骨性質(zhì)的評(píng)價(jià)措施。骨質(zhì)量是一綜合概念，包括骨骼的顯微構(gòu)筑、膠原成分、骨基質(zhì)礦化程度、骨代謝轉(zhuǎn)換和骨骼積累性破壞(顯微骨折)及修復(fù)等總稱。相信隨著對(duì)骨骼顯微硬度研究的深入，將進(jìn)一步闡明骨強(qiáng)度與骨骼顯微硬度之間的相關(guān)關(guān)系。我們期待人體骨骼顯微硬度能夠成為評(píng)價(jià)骨強(qiáng)度的參考指標(biāo)，能更好地預(yù)測(cè)和評(píng)估骨質(zhì)量。

2.4骨顯微硬度、骨彈性模量及螺釘把持力研究表明骨骼顯微硬度與骨彈性模量相關(guān)，前者與骨組織的礦化礦化程度相關(guān)，后者與骨組織的有機(jī)成分膠原纖維相關(guān)，健康的骨組織是兩者之間形成的動(dòng)態(tài)平衡。本研究全面而系統(tǒng)地利用中國人的骨骼測(cè)量骨骼顯微硬度值分布及彈性模量，初步探討并建立骨顯微硬度與彈性模量之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究螺釘把持力大小與上述兩者間的相關(guān)關(guān)系。

目前研究認(rèn)為骨密度可作為螺釘把持力大小的預(yù)測(cè)因素，螺釘?shù)陌殉至εc螺釘骨界面組織類型及微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[8]。在此基礎(chǔ)上，我們提出假設(shè)——人體骨骼的顯微硬度值大小與螺釘把持力呈正相關(guān)關(guān)系，但尚需要用試驗(yàn)數(shù)據(jù)去證實(shí)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Lees S. A model for bone hardness[J]. J Biomech,1981,14(8):561-567.

[2]Amprino R. Investigations on some physical properties of bone tissue[J]. Acta Anat (Basel),1958,34(3):161-186.

[3]Weaver JK. The microscopic hardness of bone[J]. J Bone Joint Surg Am,1966,48 (2):273-288.

[4]Weiner S,Traub W,Wagner HD. Lamellar bone:structure-function relations [J]. J Struct Biol,1999,126(3):241-255.

[5]Partanen J,Heikkinen J,J?ms? T,et al.Characteristics of lifetime factors ,bone metabolism,and bone mineral density in patients with hip fracture[J]. J Bone Miner Metab,2002,20(6):367-375.

[6]Seeman E,Delmas PD.Bone quality--the material and structural basis of bone strength and fragility[J]. N Engl J Med,2006,354(21):2250-2261.

[7]Hoc T,Henry L,Verdier M,et al.Effect of microstructure on the mechanical properties of Haversian cortical bone[J]. Bone,2006,38(4):466-474.

[8]Brianza S,R?derer G,Schiuma D,et al.Where do locking screws purchase in the humeral head?[J]. Injury,2012,43(6):850-855.

(本文編輯：劉斯靜)

[中圖分類號(hào)]R336

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]B

[文章編號(hào)]1007-3205(2016)01-0102-03

[作者簡(jiǎn)介]胡祖圣(1979-)，男，安徽安慶人，河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院主治醫(yī)師，醫(yī)學(xué)博士研究生，從事創(chuàng)傷骨科及關(guān)節(jié)疾病診治研究。*通訊作者。E-mail：yzling_liu@163.com

[收稿日期]2015-12-24；[修回日期]2016-01-04