股骨皮质骨生物力学特性研究✳
2012-10-09吴淑琴
吴淑琴
(中北大学 机械工程与自动化学院 ,山西 太原 030051)
骨组织材料属性的准确设置,对于不同部位骨骼的有限元建模分析有重要的影响[1-2].一般采用力学加载的方法研究骨在外加载荷(如拉伸、压缩等)影响下的力学特征(如强度、应变、杨氏模量等)的变化情况,计算了分析骨骼材料的强度和刚度,以获取更多有关骨力学的完整信息,为临床上对骨质进行准确评定提供了有效手段[3-4].由于骨材料受种族、解剖部位、表观密度等因素的影响,测试试样的统一性很难保证,国内对皮质骨的研究相对较少,且大都对同一批试样只采取单一加载的测试方式[5],因此缺乏对材料力学特性的全面获取.为此,本文对正常人股骨干皮质骨在股骨干纵向取样,对制备的同一批股骨试样分别进行了轴向拉伸、压缩和三点弯曲试验这三种不同的力学加载试验测试,同时获得同批骨试样抗拉、抗压以及抗弯的力学性能指标,使其结果更具有说服力[6-8].另外,对皮质骨试样的取样位置、尺寸设计和试验方法等进行了研究,并成功摸索出了一套标准骨试样加工制备的工艺方法,为进一步深入研究皮质骨的力学性质,满足临床医学要求以及骨材料力学试验的标准化制定打下了基础.
1 测试材料和方法
1.1 试验材料
试验所用材料来源于北京积水潭医院提供的正常国人新鲜尸体股骨6根,保留完整股骨干及股骨头部分,去除骨表面的肌肉、韧带等组织.所有尸骨材料以浸有生理盐水的棉纱布包裹,装入塑封袋中,密封后置于 -20℃下低温冷冻保存.试验前取出材料,在常温下解冻备用.
1.2 方 法
测试样本的设计与制备:在材料测试中,取样的原则是假定试样在本身的尺寸下其本身性质均匀和稳定.股骨是长骨,形状较为规则,易于得到外形标准且骨量较大的骨试样,但由于骨骼本身连续变化的特点,试样尺寸不应太大.另外,应满足试样的连续性假设,即试样包含至少5个连续的骨小梁,因此试样尺寸也不能太小.为此,一方面参考国内外文献中试样的几何尺寸[9-10],另一方面通过 CT扫描图片掌握股骨干内部的骨厚分布情况,来确定骨试样的几何外形尺寸以及具体的取样位置[11-13].
研究表明:随着尺寸与纵横比的增加,骨试样的随机误差减小,但是由于股骨皮质骨剖面呈圆环状,受到尺寸限制,故骨样件的横截面壁厚一般小于 6 mm.而 F.Linde等人研究认为[14]:当纵横比达到 2∶1时,骨试样试验精度达到最高.根据以上结论,考虑到拉伸与三点弯曲试验中试样的有效长度小于试样本身尺寸,将尺寸规格定为5 mm×5 mm×30 mm;压缩试样的尺寸则使用5 mm×5 mm×10 mm.另外,在取材位置选择上,根据 CT图像以及相关文献研究,本文选择的位置为股骨小转子底部以远 20~ 140 mm.在每段股骨小转子底部以下 20 mm处,向股骨干远端方向依次取下长度均为 30 mm的连续股骨环段 4段,计为区段 A,B,C,D,如图1所示.
图1 骨试样取样位置Fig.1 Bone specimen sampling position
在骨试样样条具体加工制备的过程中,切割工具选用数控精密切割机,冷冻切割.材料切割进给系统使用二自由度运动控制平台,步进电机驱动丝杠实现精确定位,设定程序后切割过程自动进行.切割精度达 0.1 mm,以保证骨试样的尺寸符合标准.共获得 60个标准骨试样,其中:20个 5 mm× 5 mm× 30 mm拉伸件,20个5 mm×5 mm× 30 mm弯曲件,以及20个 5 mm×5 mm×10 mm压缩件(图2).
图2 骨试样加工Fig.2 Bone specimens p rocessing
利用游标卡尺对每个骨试样的几何尺寸进行多次测量,求均值并记录,尺寸为 4.95 mm×4.93 mm× 29.91 mm和 4.97 mm× 4.97 mm×10.09 mm,精度符合要求.试验前使用分析天平测量每个骨试样的湿重,计算求得试样密度为1.89 g/cm3和 1.86 g/cm3,与皮质骨的平均密度1.8 g/cm3较为接近.
2 股骨皮质骨材料力学性能试验
2.1 股骨干皮质骨材料拉伸试验
股骨干皮质骨拉伸试验在岛津 AG-IS自动控制电子万能材料试验机上进行.将试样两端装夹于试验机板状夹具内,夹头采用气动控制,夹板上增加斜向纹路以增大摩擦.在试验中对两端装夹部分缠裹纱布避免端面被夹坏造成试验失败.骨试样总尺寸为 5 mm×5 mm×30 mm,有效长度为 10 mm,纵横比为 2∶1.载荷由力学载荷传感器传递,位移由光电编码器传递,通过材料试验机自带软件程序记录载荷信息与位移信息.
试验中加载速度的设定是参考 S.M.Synder[15]对皮质骨试验的推荐测试条件,选择设定为 0.6 mm/min,即应变率为 0.01,符合人体在正常活动时骨应变的变化范围.测试过程中使骨试样保持湿润.首先进行加载速度为0.6 mm/min,加载力为 0~30 N,循环次数为3次的预加载试验,使骨试样处于良好的力学性能状态;接下来以 0.6 mm/min的加载速度进行单次破坏力学加载,直至骨试样被破坏.
图3 拉伸试验载荷-位移曲线Fig.3 Load-displacement curv e of tensile test
骨试样破坏后,计算机输出时间、载荷-位移曲线等试验数据(图3),拉伸弹性模量 E l由记录曲线弹性段采集数据而求出,具体数据处理采用J.C.Lotz[16]提出的方法.股骨干皮质骨拉伸试验结果见表1.
经过计算分析,股骨拉伸样件的平均密度为1.94± 0.07 g/cm3,可承受的最大拉伸载荷为1.06±0.18 k N,强度极限为 44.05±8.81 MPa.拉伸弹性模量为 0.36±0.06 GPa.
表1 股骨皮质骨拉伸试验结果Tab.1 Test results of femoral cortical bone tensile
2.2 股骨干皮质骨材料压缩试验
股骨干皮质骨压缩试验也在岛津材料试验机上进行,载荷由力学载荷传感器传递,位移由光电编码器传递,通过材料试验机自带软件程序记录载荷信息与位移信息.压头选用自适应压头,其特点是能在一定角度范围内调整压头平面,使其和试样上表面紧密贴合,从而减小试验误差.
在试验过程中,利用生理盐水湿润试样.采取先进行加载速度为 0.6 mm/min,加载力为 0~30 N,循环次数为3次的预加载试验;再进行单次破坏加载,加载速度为 0.6 mm/min.试验结束后计算机自动输出试验结果.从记录曲线和所测参数求出压缩弹性模量 Ey,试验结果见表2.
表2 股骨皮质骨压缩试验结果Tab.2 Comp ression test results of femoral cortical bone
图4 压缩试验载荷-位移曲线Fig.4 Load-displacement curve of compression test
骨试样破坏后,计算机输出时间、载荷-位移曲线等试验数据(如图4所示),计算分析得出股骨压缩样件的平均密度为 1.86±0.02 g/cm3,可以承受的最大压缩载荷为 3.63±0.16 kN,强度极限为 146.56±5.22 MPa.压缩弹性模量为3.50±0.11 GPa.
2.3 股骨干皮质骨材料三点弯曲试验
由于很多情况下骨折与弯曲载荷有关,因此有必要掌握骨在弯曲载荷下的力学性质.股骨干皮质骨三点弯曲试验也在岛津材料试验机上进行,试验方法采用金属脆性材料的测试方法.将骨试样置于材料试验机自带的三点弯曲卡具上,卡具跨距为 20 mm.在试验过程中要保证骨试样湿润,采取先进行加载速度为 0.3 mm/min,加载力为0~ 30 N,循环次数为 3次的预加载试验;再进行单次破坏加载,加载速度为 0.3 mm/min.实验结束后计算机自动输出试验结果.股骨干皮质骨三点弯曲试验结果见表3.
表3 股骨皮质骨三点弯曲试验结果Tab.3 Three point bending experiment results of femoral cortical bone
图5 弯曲试验载荷-位移曲线Fig.5 Load-displacement curve of bending test
骨试样破坏后,计算机输出时间、载荷-位移曲线等试验数据(图5),计算分析得出股骨三点弯曲样件的平均密度为 1.90±0.04 g/cm3,可承受的最大载荷为 0.58± 0.03 k N,强度极限为141.53±7.46 MPa.弯曲弹性模量为 6.86±0.53 GPa,表面硬度为 2 137.6±159.8 N/mm.
进一步比较骨样件密度与弯曲弹性模量之间的关系,以弹性模量为纵坐标,骨密度为横坐标作散点图进行一次线性拟合,结果见图6.不同试验组的比较分析见图7.
由图6知,随着骨密度的增加,骨的弹性模量随之变大,并存在一定的比例关系.
图6 三点弯曲模量与密度的线性拟合Fig.6 Linear fitting of modulus and d ensity of three point bending test
图7 不同实验组的比较分析Fig.7 Comparative analysis of different experimental groups
3 讨 论
根据尸骨材料本身设计制备满足试验要求的标准骨试样是非常重要的.本文既参考了文献又基于材料的实际情况确定了取样位置及试样尺寸,摸索出了一套加工制备骨试样的方法,制备出了符合标准几何外形的试样,并成功地完成了全部试验,获得了较好的试验数据,表明该方法具有一定的合理性,为后续的研究工作提供了基础.
每种力学试验总共测试 20个试样,按照 A,B,C,D 4个区段划分为 4组,每组包含 5个试样.由表1~表3可知,试样在组内、组间以及不同试验的范围下,其密度和横截面积都表现出了极高的相似性,波动范围很小,表明试样的原材料与加工制备都具有很高的统一性.
在本实验中,拉伸弹性模量为0.360 1 GPa,压缩弹性模量为 3.499 1 GPa,三点弯曲的弹性模量为 6.860 9 GPa.压缩实验结果和文献 [3]结果相符,但略低于皮质骨的平均杨氏模量(约20 GPa).
从试验数据可知,股骨干皮质骨抗压强度大于抗拉强度,抗弯强度与抗压强度近似.压缩弹性模量大于拉伸弹性模量,弯曲弹性模量大于压缩弹性模量(图7).比较骨样件密度与弯曲弹性模量之间的关系可知,随着骨密度的增加,骨的弹性模量随之变大,并存在一定的比例关系.
影响皮质骨力学性质的因素很多,在尽量减少外源性影响的前提下,能够对同一试样获得尽可能多的力学性能信息是十分有意义并且是必要的.国内外的研究者们采取的方法各不相同,因此制定一个骨材料试验的国际标准是十分必要的,本文的工作希望为标准的制定能提供一些参考.
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