基于生物醫(yī)學工程發(fā)展史的骨骼結(jié)構(gòu)詮釋

杜柏儒

【摘 要】 生物醫(yī)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(chǔ)理論的發(fā)展，還是工程技術(shù)的研發(fā)，都需要從整體的角度和動態(tài)的角度研究人體系統(tǒng)的變化規(guī)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(tǒng)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(jié)構(gòu)進行了詮釋。

【關(guān)鍵詞】 生物醫(yī)學工程 骨骼結(jié)構(gòu) 力學角度 材料學角度

骨骼系統(tǒng)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(guān)技術(shù)去認知人體骨骼、肌肉、韌帶和軟骨的物質(zhì)成分性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征和系統(tǒng)功能。它在生物科學、醫(yī)學、工業(yè)技術(shù)等領(lǐng)域建立了無數(shù)具有劃時代意義的貢獻，在我們?nèi)粘Ｉ睢⒖祻椭委煛㈥P(guān)節(jié)治療和預防保健等方面已發(fā)揮了重要的作用，為生物醫(yī)學工程這個新興發(fā)展的學科奠定了基石。

1 力學角度對骨骼結(jié)構(gòu)的詮釋

現(xiàn)在推行的“力學生物學”理念，正是需要我們以骨骼結(jié)構(gòu)本身為理所當然的存在體，在力的作用下，對骨骼結(jié)構(gòu)、材料、系統(tǒng)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(tài)與結(jié)構(gòu)。

大量研究表明骨的重建活動與骨上增加的載荷關(guān)聯(lián)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(zhì)變壞，如臨床上，長期臥床或局部長期石膏固定的病人，表現(xiàn)出全身或局部骨質(zhì)疏松。

解剖學家 Meyer 和工程師 Culmann 于 1866 年發(fā)現(xiàn)起重機的軌線（主應力軌跡）與股骨頭部的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)有驚人的相似性，為證實松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)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(zhì)骨結(jié)構(gòu)是否在靜力狀態(tài)下形成的？

（2）使這些結(jié)構(gòu)如此適應于功能的內(nèi)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(jié)構(gòu)嗎？

幾年后，德國的 Wolff 對此進行了思考，并對密質(zhì)骨和松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)提出了自己的觀點，他認為松質(zhì)骨和密質(zhì)骨的形成可根據(jù)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(zhì)骨，相反，軌線密度低的地方僅需要松質(zhì)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(xiàn)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(jù)此，便可以解釋宇航員長時間承擔飛行任務(wù)后，會引起小梁骨體積的降低。

在生物體正?；顒又校歉惺艿酵獠凯h(huán)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(nèi)液體的流動伴隨著流體剪應力和黏滯力的產(chǎn)生，骨細胞發(fā)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(yǎng)成分的運輸和新陳代謝，骨液流動以及產(chǎn)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(jié)構(gòu)水平發(fā)生，受載歷史引發(fā)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(jié)構(gòu)發(fā)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(jié)構(gòu)的詮釋

問題的不斷涌現(xiàn)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(chǎn)生，是什么應力狀態(tài)（壓應力、拉力還是剪力）從功能上刺激而產(chǎn)生松質(zhì)骨的如此結(jié)構(gòu)？對于這個問題，Evans 分析了各種不同觀點后認為，“關(guān)于應力和應變在骨的形成和結(jié)構(gòu)中所起的作用大多數(shù)是理論性的，需要實驗數(shù)據(jù)來證實，另一方面，已有大量實驗數(shù)據(jù)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(zhì)骨和密質(zhì)骨的區(qū)別是不夠的，還需要了解其微結(jié)構(gòu)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(zhì)到達多功能細胞，多功能細胞接收信號產(chǎn)生變異，進而導致骨結(jié)構(gòu)與形狀的自組織演化過程，對于相關(guān)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(wù)，確切的說，是研究外加環(huán)境下骨的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和幾何性質(zhì)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(zhì)有著局部解剖學差異。

Messerer 設(shè)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(zhuǎn)、壓縮和彎曲。他發(fā)現(xiàn)，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(zhì)》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(zhì)的影響，但其中沒有關(guān)照到方向性和局部解剖的差異，以及微結(jié)構(gòu)與功能等方面，實屬遺憾。此外，Evans 已意識到各種骨外科手術(shù)所施加的力對骨確定性的影響，就在關(guān)節(jié)置換物的可靠性問題還未得到解決，便又涌現(xiàn)出一個更加復雜問題，即人工關(guān)節(jié)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(nèi)部結(jié)構(gòu)功能聯(lián)系起來。

Fukada 和 Yasuda 發(fā)現(xiàn)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(gòu)造了四個有關(guān)聯(lián)的骨結(jié)構(gòu)層次模型，發(fā)現(xiàn)呈正交各向異性的叢狀骨彈性剛度常數(shù)明顯大于橫觀各向同性哈氏骨的對應值。

3 結(jié)語

骨骼系統(tǒng)的復雜性決定了其多功能性，大量有著因果聯(lián)系的物理、化學和反饋過程，體現(xiàn)了這個大系統(tǒng)具有的特性。在宏觀上與骨的力學性質(zhì)和幾何性質(zhì)相關(guān)。骨作為一個系統(tǒng)研究的觀點，隨著科學技術(shù)的發(fā)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(tǒng)的行為，則仍有很多問題需要解決。

參考文獻

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