人体骨骼显微硬度研究

殷 兵，胡祖圣，李 升，王建朝，吴卫卫，张晓娟，刘国彬，付 蕾，张英泽

(河北医科大学第三医院骨科，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)



·研究快报·

人体骨骼显微硬度研究

殷 兵，胡祖圣，李 升，王建朝，吴卫卫，张晓娟，刘国彬，付 蕾，张英泽*

(河北医科大学第三医院骨科，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)

骨骼；人体；硬度试验

骨骼主要是由骨细胞和钙化的细胞外基质构成的致密结缔组织，是人体最坚硬的组织之一[1]。骨密度和骨强度通常被用来评价骨骼生物力学性能，临床上常用骨密度及定量CT(quantitative computed tomography, QCT)来评价骨质量及预测骨折风险，但其在全身广泛应用方面仍有一定局限性。20世纪50年代Carlstrom首次提出人体骨骼显微硬度测量方法，Boivin等[2]通过实验证实骨显微硬度与骨组织的矿化程度相关。之后50年间，国外学者研究发现骨骼在不同状态(含水量、温度)、不同解剖位置和是否存在微骨折等条件下硬度均有不同，但均为零散报道且大部分为兽类骨骼的研究，缺乏系统性及对临床工作的指导意义。为此，张英泽教授带领其团队率先提出人体骨骼硬度系统研究计划[3]，以人体全身骨骼为框架，运用维氏显微硬度测量仪测量人体全身骨骼显微硬度值，并描绘出人体全身骨骼硬度图，寻找每块骨骼最强硬度区域。在此基础上进一步探究骨硬度与骨密度、骨代谢、骨微观结构及理化成分、骨强度、弹性模量以及螺钉把持力等因素之间的相关关系。

1 资料与方法

1.1标本制作 本研究所采用骨骼标本均取自同一尸体标本，对新鲜冰冻尸体标本进行骨密度扫描排除骨质疏松的诊断，取出全部左侧肢体长管状骨(肱骨、尺桡骨、股骨和胫腓骨)，剔除软组织，按照AO原则将长骨分为近端、骨干、远端3个节段，并用微型台锯及高精慢速锯(美国标乐公司BUEHLER11-1280-250型慢速锯，图1)于骨骼的各个节段垂直其长轴进行切割，将骨骼制成若干厚3 mm的试样，固定在载玻片上并进行标记。用碳化硅粒依次为800、1 000、1 200、2 000、4 000目的砂纸打磨标本，置于-20 ℃冰箱保存。以胫骨为例，将胫骨分为近端、骨干、远端3个节段(图2)，并于各个节段截取若干骨骼试样，选取不同区域进行硬度测量(图3～5)。

1.2检测方法 标本从冰箱取出后放至常温下解冻。应用德国KB-5型显微维氏硬度仪测试骨骼试样不同区域硬度值(图6～8)，在骨骼近端和远端，分别测量松质与皮质的硬度值，在骨干部位仅测量皮质骨的硬度，同一区域选取5个有效值，将全体有效值的平均值作为该部位的硬度值，并计算某一骨节段的骨硬度值。本研究采用50 g力加载50 s、维持12 s标准操作方法[4]测定，并根据解剖位置准确记录硬度值。本研究实验标本的来源及所有操作步骤均已获得伦理委员会批准。

图1 美国标乐公司BUE-HLER11-1280-250型慢速锯

图2 胫骨近端、骨干、远端3个节段

图3 胫骨近端截面测量区域模式图

图4 胫骨干截面测量区域模式图

图5 胫骨远端截面测量区域模式图

图6 KB-5显微硬度测试仪

图7 KB-5显微硬度测试仪测试骨骼试样

图8 显微镜视野下骨骼试样微观压痕

1.3统计学方法 应用SPSS 15.0统计学软件处理数据，计量资料比较分别采用单因素方差分析和SNK-q检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

本研究共采集四肢长骨(肱骨、尺桡骨、股骨、胫腓骨)骨骼试样101个，其中肱骨试样19个，尺骨6个，桡骨7个，股骨41个，胫骨14个，腓骨14个。不同长骨均表现为骨干部位硬度值较大，近端、远端硬度值较小，且骨干硬度与近端、远端相比差异均有统计学意义(P<0.05)。肱骨、尺骨和股骨近端骨硬度与远端相比，差异有统计学意义(P<0.05)，肱骨远端骨硬度大于近端，尺骨近端骨硬度大于远端，股骨近端骨硬度大于远端。胫腓骨和桡骨近端骨硬度与远端相比，差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。

表1 四肢长骨不同部位硬度比较

3 讨 论

人体骨骼是人体运动系统的主要组成部分，以一定方式和力学结构构成人体的骨架，具有支撑人体、保护内部器官、完成运动等重要功能。人体骨骼的生物力学性能一直是国内外同行研究的重要课题。自20世纪20年代以来，骨组织硬度作为骨组织的生物力学性能参考指标见诸于国内外文献研究[5-7]，同时也成为评价骨质量的重要指标。Weaver[5]在1966年对随意选取的32具人体的若干骨骼进行硬度测定，然而骨骼样本来源混乱，年龄差异明显，部分患者患有严重代谢性疾病等，导致研究结果缺乏系统性及指导意义。之后的半个世纪国内外鲜有人体全身骨骼硬度系统研究的报道。为此，河北医科大学第三医院张英泽教授领导的科研团队在国内率先提出人体骨骼硬度的系统研究计划，通过对全身骨骼硬度的纵向对比，绘制全身骨骼硬度图谱，并通过横向对比探索骨硬度与骨强度、骨密度、生物力学性能、性别、年龄、代谢性疾病等之间的关系，以填补该领域的空白。

本研究结果显示人体长骨骨干的硬度均大于两端干骺端的硬度，这一结论与Weaver[5]的发现一致，Ohman等[8]也指出皮质骨的硬度比松质骨硬度高约18%。而本研究发现长骨两端干骺端的骨硬度大小在不同长骨分布不一致，肱骨远端骨硬度大于近端，尺骨近端骨硬度大于远端，股骨近端骨硬度大于远端。胫腓骨和桡骨近端骨硬度与远端相比差异无统计学意义，有待于进一步论证。皮质骨主要由紧密排列的骨单位构成(又称哈佛系统)，主要分布在长骨骨干和干骺端的表面。松质骨分布于长骨干骺端的内部，由互相交织的骨小梁排列而成，因此松质骨的微观骨硬度即为骨小梁的硬度。Weaver[5]对随机选取的4具不同性别年龄的腓骨骨干进行硬度测量，得出腓骨干硬度值为29.2～56.1 Hv0.05 107Pa，平均为46.65 Hv0.05 107Pa。与本研究腓骨干硬度值49.00 Hv0.05 107Pa相近。

本研究报道了人体骨骼硬度系统研究计划的初步研究成果，所选取的标本均来源于同一具尸体，以利于骨骼硬度的纵向对比。扩大样本量，增加双侧对比及不同性别、年龄间的对比为本课题下一步的研究方向，同时开展生物力学试验等相关研究，以探索骨硬度与骨密度、骨代谢、骨微观结构及理化成分、骨强度、弹性模量以及螺钉把持力等因素之间的关系。

[1] 刘忠厚.骨内科学[M].北京:化学工业出版社,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,刘国彬,等.人体骨骼显微硬度及其相关因素初步研究[J].河北医科大学学报,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.

(本文编辑：许卓文)

2016-10-24；

2016-12-06

殷兵(1986-)，男，河北衡水人，河北医科大学第三医院主治医师，医学博士研究生，从事创伤骨科疾病诊治研究。

*通讯作者。E-mail：yzIing-iiu@163.com

R336

B

1007-3205(2016)12-1472-03

10.3969/j.issn.1007-3205.2016.12.028