人體骨骼顯微硬度研究

殷 兵，胡祖圣，李 升，王建朝，吳衛(wèi)衛(wèi)，張曉娟，劉國彬，付 蕾，張英澤

(河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院骨科，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

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·研究快報·

人體骨骼顯微硬度研究

殷 兵，胡祖圣，李 升，王建朝，吳衛(wèi)衛(wèi)，張曉娟，劉國彬，付 蕾，張英澤*

(河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院骨科，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

骨骼；人體；硬度試驗

骨骼主要是由骨細胞和鈣化的細胞外基質構成的致密結締組織，是人體最堅硬的組織之一[1]。骨密度和骨強度通常被用來評價骨骼生物力學性能，臨床上常用骨密度及定量CT(quantitative computed tomography, QCT)來評價骨質量及預測骨折風險，但其在全身廣泛應用方面仍有一定局限性。20世紀50年代Carlstrom首次提出人體骨骼顯微硬度測量方法，Boivin等[2]通過實驗證實骨顯微硬度與骨組織的礦化程度相關。之后50年間，國外學者研究發(fā)現(xiàn)骨骼在不同狀態(tài)(含水量、溫度)、不同解剖位置和是否存在微骨折等條件下硬度均有不同，但均為零散報道且大部分為獸類骨骼的研究，缺乏系統(tǒng)性及對臨床工作的指導意義。為此，張英澤教授帶領其團隊率先提出人體骨骼硬度系統(tǒng)研究計劃[3]，以人體全身骨骼為框架，運用維氏顯微硬度測量儀測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，尋找每塊骨骼最強硬度區(qū)域。在此基礎上進一步探究骨硬度與骨密度、骨代謝、骨微觀結構及理化成分、骨強度、彈性模量以及螺釘把持力等因素之間的相關關系。

1 資料與方法

1.1標本制作 本研究所采用骨骼標本均取自同一尸體標本，對新鮮冰凍尸體標本進行骨密度掃描排除骨質疏松的診斷，取出全部左側肢體長管狀骨(肱骨、尺橈骨、股骨和脛腓骨)，剔除軟組織，按照AO原則將長骨分為近端、骨干、遠端3個節(jié)段，并用微型臺鋸及高精慢速鋸(美國標樂公司BUEHLER11-1280-250型慢速鋸，圖1)于骨骼的各個節(jié)段垂直其長軸進行切割，將骨骼制成若干厚3 mm的試樣，固定在載玻片上并進行標記。用碳化硅粒依次為800、1 000、1 200、2 000、4 000目的砂紙打磨標本，置于-20 ℃冰箱保存。以脛骨為例，將脛骨分為近端、骨干、遠端3個節(jié)段(圖2)，并于各個節(jié)段截取若干骨骼試樣，選取不同區(qū)域進行硬度測量(圖3～5)。

1.2檢測方法 標本從冰箱取出后放至常溫下解凍。應用德國KB-5型顯微維氏硬度儀測試骨骼試樣不同區(qū)域硬度值(圖6～8)，在骨骼近端和遠端，分別測量松質與皮質的硬度值，在骨干部位僅測量皮質骨的硬度，同一區(qū)域選取5個有效值，將全體有效值的平均值作為該部位的硬度值，并計算某一骨節(jié)段的骨硬度值。本研究采用50 g力加載50 s、維持12 s標準操作方法[4]測定，并根據(jù)解剖位置準確記錄硬度值。本研究實驗標本的來源及所有操作步驟均已獲得倫理委員會批準。

圖1 美國標樂公司BUE-HLER11-1280-250型慢速鋸

圖2 脛骨近端、骨干、遠端3個節(jié)段

圖3 脛骨近端截面測量區(qū)域模式圖

圖4 脛骨干截面測量區(qū)域模式圖

圖5 脛骨遠端截面測量區(qū)域模式圖

圖6 KB-5顯微硬度測試儀

圖7 KB-5顯微硬度測試儀測試骨骼試樣

圖8 顯微鏡視野下骨骼試樣微觀壓痕

1.3統(tǒng)計學方法 應用SPSS 15.0統(tǒng)計學軟件處理數(shù)據(jù)，計量資料比較分別采用單因素方差分析和SNK-q檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結 果

本研究共采集四肢長骨(肱骨、尺橈骨、股骨、脛腓骨)骨骼試樣101個，其中肱骨試樣19個，尺骨6個，橈骨7個，股骨41個，脛骨14個，腓骨14個。不同長骨均表現(xiàn)為骨干部位硬度值較大，近端、遠端硬度值較小，且骨干硬度與近端、遠端相比差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。肱骨、尺骨和股骨近端骨硬度與遠端相比，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，肱骨遠端骨硬度大于近端，尺骨近端骨硬度大于遠端，股骨近端骨硬度大于遠端。脛腓骨和橈骨近端骨硬度與遠端相比，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表1。

表1 四肢長骨不同部位硬度比較

3 討 論

人體骨骼是人體運動系統(tǒng)的主要組成部分，以一定方式和力學結構構成人體的骨架，具有支撐人體、保護內部器官、完成運動等重要功能。人體骨骼的生物力學性能一直是國內外同行研究的重要課題。自20世紀20年代以來，骨組織硬度作為骨組織的生物力學性能參考指標見諸于國內外文獻研究[5-7]，同時也成為評價骨質量的重要指標。Weaver[5]在1966年對隨意選取的32具人體的若干骨骼進行硬度測定，然而骨骼樣本來源混亂，年齡差異明顯，部分患者患有嚴重代謝性疾病等，導致研究結果缺乏系統(tǒng)性及指導意義。之后的半個世紀國內外鮮有人體全身骨骼硬度系統(tǒng)研究的報道。為此，河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院張英澤教授領導的科研團隊在國內率先提出人體骨骼硬度的系統(tǒng)研究計劃，通過對全身骨骼硬度的縱向對比，繪制全身骨骼硬度圖譜，并通過橫向對比探索骨硬度與骨強度、骨密度、生物力學性能、性別、年齡、代謝性疾病等之間的關系，以填補該領域的空白。

本研究結果顯示人體長骨骨干的硬度均大于兩端干骺端的硬度，這一結論與Weaver[5]的發(fā)現(xiàn)一致，Ohman等[8]也指出皮質骨的硬度比松質骨硬度高約18%。而本研究發(fā)現(xiàn)長骨兩端干骺端的骨硬度大小在不同長骨分布不一致，肱骨遠端骨硬度大于近端，尺骨近端骨硬度大于遠端，股骨近端骨硬度大于遠端。脛腓骨和橈骨近端骨硬度與遠端相比差異無統(tǒng)計學意義，有待于進一步論證。皮質骨主要由緊密排列的骨單位構成(又稱哈佛系統(tǒng))，主要分布在長骨骨干和干骺端的表面。松質骨分布于長骨干骺端的內部，由互相交織的骨小梁排列而成，因此松質骨的微觀骨硬度即為骨小梁的硬度。Weaver[5]對隨機選取的4具不同性別年齡的腓骨骨干進行硬度測量，得出腓骨干硬度值為29.2～56.1 Hv0.05 107Pa，平均為46.65 Hv0.05 107Pa。與本研究腓骨干硬度值49.00 Hv0.05 107Pa相近。

本研究報道了人體骨骼硬度系統(tǒng)研究計劃的初步研究成果，所選取的標本均來源于同一具尸體，以利于骨骼硬度的縱向對比。擴大樣本量，增加雙側對比及不同性別、年齡間的對比為本課題下一步的研究方向，同時開展生物力學試驗等相關研究，以探索骨硬度與骨密度、骨代謝、骨微觀結構及理化成分、骨強度、彈性模量以及螺釘把持力等因素之間的關系。

[1] 劉忠厚.骨內科學[M].北京:化學工業(yè)出版社,2015:2-3.

[2] Boivin G,Farlay D,Bala Y,et al. Influence of remodeling on the mineralization of bone tissue[J]. Osteoporosis Int,2009,20(6):1023-1026.

[3] 胡祖圣,李升,劉國彬,等.人體骨骼顯微硬度及其相關因素初步研究[J].河北醫(yī)科大學學報,2016,37(1):102-104.

[4] Johnson WM,Rapoff AJ. Microindentation in bone:hardness variation with five independent variables[J]. J Mater Sci Mater Med,2007,18(4):591-597.

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

[6] Hodgskinson R,Currey J,Evans GP. Hardness,an indicator of the mechanical competence of cancellous bone[J]. J Orthop Res,1989,7(5):754-758.

[7] Evans G,Behiri J,Currey J,et al. Microhardness and Young's modulus in cortical bone exhibiting a wide range of mineral volume fractions,and in a bone analogue[J]. J Mater Sci Mater Med,1990,1(1):38-43.

[8] Ohman C,Zwierzak I,Baleani M,et al. Human bone hardness seems to depend on tissue type but not on anatomical site in the long bones of an old subject[J]. Pro Inst Mech Eng H，2013,227(2):200-206.

(本文編輯：許卓文)

2016-10-24；

2016-12-06

殷兵(1986-)，男，河北衡水人，河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院主治醫(yī)師，醫(yī)學博士研究生，從事創(chuàng)傷骨科疾病診治研究。

*通訊作者。E-mail：yzIing-iiu@163.com

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1007-3205(2016)12-1472-03

10.3969/j.issn.1007-3205.2016.12.028