橈骨顯微骨硬度分布特征的實(shí)驗(yàn)研究

吳衛(wèi)衛(wèi) 殷兵 李升 劉國彬 張曉娟 張英澤

骨強(qiáng)度是骨量和骨質(zhì)量的總和。臨床上常采用骨密度（bone mineral density，BMD）方法來測量骨量及評(píng)估骨質(zhì)疏松，橈骨遠(yuǎn)端是骨密度測量常用部位之一。橈骨位于前臂外側(cè)，由橈骨頭頸部、橈骨干和橈骨遠(yuǎn)端構(gòu)成，主要起著旋轉(zhuǎn)功能和肘關(guān)節(jié)的屈伸功能。橈骨不同部位解剖形態(tài)各異，兩端干骺端主要由松質(zhì)骨構(gòu)成，橈骨干由皮質(zhì)骨構(gòu)成。既往文獻(xiàn)通過生物力學(xué)方法對(duì)橈骨近端的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，但未見針對(duì)橈骨不同解剖部位骨骼機(jī)械性能的描述及對(duì)比研究。骨顯微硬度的概念及測量方法于1954年首次提出［1］，它可以在組織水平直接檢測骨礦含量、骨結(jié)構(gòu)性能。骨硬度是指骨抵抗壓力并形成永久壓痕的能力，與骨礦含量、骨結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。本研究通過維氏硬度方法（vickers-hardness，HV）測量橈骨不同部位的骨顯微硬度，并通過對(duì)比分析硬度分布規(guī)律，探討其與骨折流行病學(xué)特點(diǎn)及骨折治療等的相關(guān)關(guān)系。

材料與方法

一、標(biāo)本準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)經(jīng)過河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，并且在國際臨床實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)備案。本研究所采用的橈骨標(biāo)本來自3具新鮮冰凍尸體（男，62歲；男，58歲；女，45歲），均通過X線檢查排除影響骨骼質(zhì)量的相關(guān)疾病。分別于3具尸體標(biāo)本取出右側(cè)橈骨［2-4］，仔細(xì)剔除軟組織后，按照AO解剖原則將橈骨分割為橈骨近端、橈骨干和橈骨遠(yuǎn)端3節(jié)段。之后，用高精慢速鋸（美國標(biāo)樂公司BUEHLER11-1280-250型慢速鋸）將各個(gè)節(jié)段垂直其長軸切取3 mm厚的骨組織切片。其中，橈骨近端于橈骨頭、橈骨頸、橈骨粗隆共切取3片骨組織切片；于橈骨干由近及遠(yuǎn)切取9片切片；于橈骨遠(yuǎn)端切取2片切片（圖1、2）。慢速鋸在操作過程中，持續(xù)用冷凝液來降低骨骼表面的溫度，防止過高的溫度引起骨組織變性。將切取的骨組織切片固定在載玻片上并進(jìn)行標(biāo)記，經(jīng)碳化硅粒依次為800、1000、1200、2000、4000目砂紙打磨后冰凍在-20℃的冰箱中保存［3］。

二、顯微硬度測量

硬度測量前，將標(biāo)本在生理鹽水中浸泡1 h，以恢復(fù)骨組織因脫水產(chǎn)生的變化［5］。本研究采用德國KB-5型維氏硬度測量儀將維氏顯微硬度探頭壓到濕潤的骨骼表面［4］，通過測量壓痕對(duì)角線的長度來計(jì)算該部位的硬度值。硬度的單位用HV 或kgf/mm2表示。每片骨組織切片于前、后、內(nèi)、外4個(gè)部位各選取5個(gè)測量點(diǎn)，共20個(gè)測量點(diǎn)。根據(jù)既往文獻(xiàn)，采取50 g力加載12 s的方法測量硬度值［6］，壓痕對(duì)角線長度差異大于10%的數(shù)據(jù)被剔除［7］，記錄全部有效值。

圖2 顯微硬度測量位點(diǎn)的選取

三、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS19.0軟件處理數(shù)據(jù)，橈骨顯微骨硬度值符合正態(tài)分布，方差齊用fs表示。各部位顯微骨硬度差異的比較用單因素方差分析。事后多重比較中方差齊的組間采用Tukey檢驗(yàn)，P＜0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

本研究于3具橈骨標(biāo)本的橈骨頭、橈骨頸、橈骨粗隆、橈骨干和橈骨遠(yuǎn)端共5個(gè)部位，切取42個(gè)骨組織切片，共取840個(gè)測量點(diǎn)測量骨硬度。橈骨骨硬度分布特征如下：

橈骨總體硬度分布范圍（19.10～60.40）HV，平均為39.70 HV，橈骨硬度值最大部位位于橈骨干下段（橈骨干8），硬度值為（43.822f5.20）HV，硬度值最小部位位于橈骨頭，硬度值為（33.30f3.60）HV。具體各部位硬度值見表1和圖3。 3具橈骨標(biāo)本總體硬度中,橈骨最硬處位于橈骨干下段，橈骨近、遠(yuǎn)端硬度相近，都低于橈骨干。橈骨干骨硬度最大，硬度值為（42.54f5.59）HV，高于橈骨近端（34.15f6.48）HV及遠(yuǎn)端（35.24f5.17）HV，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），具體硬度值比較見表2和圖4。橈骨近端與遠(yuǎn)端骨硬度基本一致，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。橈骨近端，橈骨干，橈骨遠(yuǎn)端前、后、內(nèi)、外硬度值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，硬度值見表3。

表1 橈骨各部位顯微硬度分布（HV,fs）

表1 橈骨各部位顯微硬度分布（HV,fs）

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圖3 橈骨各部位顯微硬度分布

表2 橈骨近端、橈骨干、橈骨遠(yuǎn)端硬度值比較（HV,fs）

表2 橈骨近端、橈骨干、橈骨遠(yuǎn)端硬度值比較（HV,fs）

注：HV為硬度值；P值1為橈骨近端與橈骨干比較；P值2為橈骨遠(yuǎn)端與橈骨干比較；P值3為橈骨近端與橈骨遠(yuǎn)端比較

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圖4 橈骨近端、橈骨干、橈骨遠(yuǎn)端硬度值比較

表3 橈骨前后內(nèi)外側(cè)硬度值（HV,fs）

表3 橈骨前后內(nèi)外側(cè)硬度值（HV,fs）

注：HV為硬度值

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討 論

本研究通過測量3具新鮮的橈骨的骨顯微硬度，得出橈骨骨硬度的分布規(guī)律。橈骨骨硬度由近端至遠(yuǎn)端呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。最大硬度值位于橈骨干8取材部位，為43.82 HV。橈骨兩端硬度值小，其中硬度最小的部位位于橈骨頭，為33.31 HV。3具橈骨標(biāo)本中，橈骨干硬度均大于兩端干骺端，符合長管狀骨的骨硬度分布特征及皮質(zhì)骨松質(zhì)骨的硬度差異。既往研究得出的一致性結(jié)論，長管狀骨骨干硬度大于干骺端，且皮質(zhì)骨硬度大于松質(zhì)骨［8-9］。橈骨干硬度值較干骺端大，考慮主要與橈骨干由皮質(zhì)骨構(gòu)成，干骺端由松質(zhì)骨構(gòu)成，骨成分和骨結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致的。

橈骨近端骨折主要是橈骨頭骨折，占全身骨折的0.8%，橈骨小頭骨折最常見的損傷方式是肘伸直位摔倒，手掌撐地時(shí)外力使橈骨小頭外翻與肱骨小頭撞擊而產(chǎn)生骨折。對(duì)于復(fù)雜粉碎的橈骨小頭骨折，橈骨小頭假體置換效果優(yōu)于橈骨小頭重建或切除［10］，并最大限度恢復(fù)肘關(guān)節(jié)功能［11-13］。臨床上常用的橈骨小頭假體多為均質(zhì)金屬假體，外形符合人體正常橈骨小頭的解剖特點(diǎn)，但內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)或機(jī)械性能等有差異，其中金屬假體硬度及彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體正常橈骨小頭。本研究的結(jié)果可為制備符合人體正常生理結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能的橈骨小頭假體提供了前瞻性的數(shù)據(jù)支持。

橈骨遠(yuǎn)端骨折是指橈骨遠(yuǎn)端3 cm以內(nèi)的骨折，屬臨床常見的骨折之一，任何年齡段人群均有較高的發(fā)病率。此處為橈骨解剖外形由長管狀變?yōu)闄M截面近似四邊形的移行區(qū)，同時(shí)也是橈骨干皮質(zhì)骨與橈骨遠(yuǎn)端松質(zhì)骨的交界區(qū)，人跌倒時(shí)手腕著地，應(yīng)力易集中于此處。本研究中，橈骨顯微硬度在橈骨干與橈骨遠(yuǎn)端交界處的陡然下降，也應(yīng)視為橈骨遠(yuǎn)端骨折高發(fā)的因素之一。骨硬度的差異還可指導(dǎo)骨折內(nèi)固定術(shù)中接骨板放置的位置，螺釘?shù)倪x擇和置入方向及螺釘長度等。本研究中，橈骨干下段硬度高于上段，橈骨干總體硬度高于近端和遠(yuǎn)端，但橈骨前、后、內(nèi)、外側(cè)硬度近似。因此，骨科醫(yī)師在內(nèi)固定治療橈骨骨折時(shí)，應(yīng)充分考慮到橈骨骨硬度的不同，在硬度低的橈骨干骺端，可適當(dāng)增加螺釘?shù)臄?shù)量、密度等；在硬度高的橈骨干，可酌情減少螺釘以最大限度保護(hù)軟組織,促進(jìn)骨折愈合。

結(jié)論：本研究首次運(yùn)用維氏硬度方法測量了橈骨顯微硬度，并分析其分布規(guī)律。橈骨最硬處位于橈骨干下段，橈骨近、遠(yuǎn)端硬度相近，都低于橈骨干。橈骨遠(yuǎn)端骨折高發(fā)除與解剖外形和損傷機(jī)制有關(guān)外，此處硬度驟降也應(yīng)視為因素之一。本研究揭示了橈骨顯微硬度的分布規(guī)律，也為通過3D打印制備符合人體生理特點(diǎn)橈骨小頭假體提供了數(shù)據(jù)支持。