老年胸腰椎松质骨的扭转力学特性

老年胸腰椎松质骨的扭转力学特性

吴丹凯李新颖1李鹏2

(吉林大学第二医院，吉林长春130025)

摘要〔〕目的对正常国人青年和老年新鲜尸体腰椎松骨进行扭转实验，确定老年尸体松质骨和青年尸体腰椎松质骨是否具有不同的扭转力学性质。方法死后1 h之内解剖取出死者腰椎T12～L2标本，将T12-L2标本沿纵向切成长30 mm，宽5 mm，高5 mm的试样，每组各20个试样。在扭转试验机上以2/s的实验速度对试样进行扭转实验。结果青年组胸腰椎松质骨最大扭矩值为(12.4±1.9)N·cm，最大扭转角为(8.2±1.2)°，扭转切应力为(4.8±0.7)MPa，老年组胸腰椎松质骨最大扭矩值为(9.5±2.0)N·cm，最大扭转角为(5.2±1.0)°，扭转切应力为(3.6±0.8)MPa。青年组腰椎松质骨最大扭矩值，扭转角和扭转切应力显著大于老年组(P<0.05)。结论青年组脊柱腰椎松质骨和老年组脊柱腰椎松质骨具有不同的扭转力学特性，老年组试样由于骨质疏松，扭转力学特性发生改变。

关键词〔〕腰椎；松质骨；扭矩；切应力

中图分类号〔〕R318.01〔

通讯作者：李鹏(1980-)，男，硕士，工程师，主要从事生物医学工程与生物力学研究。

1吉林大学中日联谊医院2吉林大学南岭校区工程力学系

第一作者：吴丹凯(1973-)，男，博士，副主任医师，主要从事骨科临床和生物力学的研究。

骨力学是生物学的重要分支，研究骨组织在外力作用下的力学特性和骨受力后的生物效应，是对骨质进行平定的一种可靠方法。近年由于骨质疏松、重建、骨再造、矫形外科开展的人工关节置换术等都需要了解松质骨的力学特性〔1〕。高明等〔2〕报道了对正常国人青年和老年新鲜尸体腰椎松质骨进行冲击实验研究,结果表明老年组腰椎松质骨的冲击力学特性因老年性骨质疏松发生一定变化,其冲击力学性能显著降低。吕雅平等〔1〕报道了对老年尸体松质骨和青年尸体腰椎松质骨剪切实验研究，结果表明青年组脊柱腰椎松质骨和老年组具有不同的剪切力学特性。臧虎等〔3〕报道了对正常国人青年和老年新鲜尸体胸椎松骨进行冲击实验研究，分析胸椎松质骨的冲击力学性质，结果表明，青年组胸椎松质骨冲击功、冲击韧性均显著大于老年组。胸椎松质骨冲击实验断口多数为粉碎性断口，少数为横断口或斜断口。宏观观察青年组腰椎松质骨骨小梁排列细密，老年组腰椎松质骨骨小梁排列稀疏，孔隙较大，呈现出老年骨质疏松的表现形式，认为青年组脊柱胸椎松质骨和老年组脊柱胸椎松质骨具有不同的冲击力学特性，老年组试样由于骨质疏松导致冲击力学特性发生改变的结论。以往研究〔1～3〕多以研究青年和老年尸体胸腰椎松质骨冲击、剪切力学特性居多，而老龄对胸腰椎松质骨扭转力学特性研究鲜有报道。本研究对比青年和老年尸体腰椎松质骨扭转力学的特性差异，以明确青年尸体和老年尸体腰椎松质骨受多大扭矩、扭转剪应力，会引起损伤，损伤后两组试样断口形貌如何，为揭示腰椎松质骨扭转损伤的机制提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料取正常国人新鲜尸体4具，年龄22～70岁。人死亡后1 h之内，解剖尸体取出腰段脊柱T12～L2标本。立即装入塑料袋中密封后置于-20℃冰箱内保存。标本存放了3 d后，取出标本，在常温下解冻后，以骨据沿T12～L2标本纵向切割试样，每组各20个试样，试样长30 mm，试样宽5 mm，试样高5 mm，利用读数显微镜测量试样的长度、宽度和高度。由于试样短，为能实现实验，分别将每个试样两端置于直径为8 mm，长为30 mm的模具内，向模具填充以牙托水稀释的牙托粉固化待用。

参考文献1.2扭转实验方法腰椎松质骨为粘弹性材料；所以必须对试样进行预调处理，本实验按〔4，5〕的方法对每个试样进行预调处理后实验。分别将2组试样置于扭转试验机的夹头内，驱动机器以2/s的实验速度对试样施加扭转，试样破坏后，通过试验机的测扭矩度盘和测扭转角度盘读取试样的最大扭矩和扭转角值等。

1.3统计学方法采用SPSS11.0软件行方差分析和t检验。

2结果

青年组胸腰椎松质骨最大扭矩值为(12.4±1.9)N·cm，最大扭转角为(8.2±1.2)，扭转切应力为(4.8±0.7)MPa，老年组胸腰椎松质骨最大扭矩值为(9.5±2.0)N·cm，最大扭转角为(5.2±1.0)，扭转切应力为(3.6±0.8)MPa。青年组腰椎松质骨最大扭矩值，扭转角和扭转切应力显著大于老年组(P<0.05)。宏观观察青年组腰椎松质骨骨小梁排列细密，老年组腰椎松质骨骨小梁排列稀疏，孔隙较大，呈现出老年骨质疏松的表现形式。

3讨论

扭转实验是研究生物材料扭矩作用下损伤重要方法，胸、腰椎松质骨很难加工成圆截面标准试样，又由于试样短，很难装入试验机的夹头内。本实验对人腰椎标本在同一方向取样，试样的几何尺寸一致，所以2组试样有可比性，将试样两端以牙托粉固定，解决了试样的装夹问题，对试样进行预调处理，解决了实验的关键问题。腰椎是人体较坚硬组织，所以只有在承受较大的载荷时才会发生损伤。临床常见的脊柱椎骨损伤有暴力损伤，即能量较大的动载荷下造成的骨折，这种损伤造成的伤害最大，可以说是灾难性损伤，还有压缩骨折。由压应力作用下造成的损伤，腰扭伤在临床上更为常见，轻者软组织等造成损伤，重者椎骨发生骨折或脊柱脱位。本实验中腰椎松质骨扭转实验破坏断口以斜形(45方向)居多，少数为横断口，表现出比较典型的脆性材料的断口形貌。近年来研究表明〔6〕,骨小梁的三维微细结构的改变也影响骨的生物力学特性。老年性缓慢的骨丢失主要由于成骨的功能降低。松质骨的骨量丢失较皮质骨开始为早，并且下降速度快，国内调查结果发现〔6〕，男性在30岁开始松质骨丢失，40多岁皮质骨丢失，骨矿密度随年龄增加，累计平均丢失率增加，65岁后的男性普遍存在不同程度的骨质疏松症，70岁以后出现较快的骨丢失。所以老年男性应注意预防骨质疏松的发生和发展，尤其注意避免发生各种骨折。

4参考文献

1吕雅平，李云鹤，刘轶凡,等.老龄腰椎松质骨的剪切力学变化〔J〕. 中国组织工程研究与临床康复,2010;14(9)：1594-7.

2高明，张忠君，马洪顺.老龄对腰椎松质骨冲击力学特性的影响〔J〕. 北京生物医学工程,2010;29(5): 508-10.

3臧虎，张翘，马洪顺.T3-12胸椎松质骨冲击力学特性：青年与老年的差异比较〔J〕. 中国组织工程研究与临床康复,2010;14(9) ：1599-601.

4权铁刚,高明,马洪顺.弯曲力学性质：青年与老年尸体肋骨的比较〔J〕.中国组织工程研究与临床康复,2010；14(33):6113-6.

5朴成东,张延哲,陈雷,等.两种固定器固定脊柱骨折脱位的生物力学分析〔J〕.中国组织工程研究与临床康复,2009；13(52):10279-82.

6刘忠厚.骨质疏松学〔M〕.北京：科学出版社，1998：553.

〔2012-11-03修回〕

(编辑赵慧玲/曹梦园)