肱骨近端顯微骨硬度分布特征的實驗研究

李升 王建朝 殷兵 胡祖圣 張曉娟 吳衛(wèi)衛(wèi) 劉國彬 張英澤

（河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心河北省生物力學(xué)重點實驗室，石家莊050051）

肱骨近端包括肱骨外科頸及其以上部位，肱骨近端骨折約占全身骨折的3.7%[1]，肱骨近端是肱骨最常見的骨折部位[2]，且其發(fā)病率呈逐年遞增的趨勢。肱骨近端骨折患者，尤其是質(zhì)疏松的老年患者，常因骨量缺失而影響固定的穩(wěn)定性，并且因內(nèi)固定物自身彈性模量遠高于骨組織彈性模量，缺乏生物功能適應(yīng)性，導(dǎo)致術(shù)后骨折再次移位、畸形愈合等發(fā)生[3]。Pharr等[4]與Oliver和Pharr[5]的研究顯示，生理條件下，顯微維氏骨硬度可以較好地在骨結(jié)構(gòu)單元水平評價骨組織的彈性模量及屈服應(yīng)力，但既往研究中尚缺乏關(guān)于肱骨近端顯微骨硬度分布的系統(tǒng)研究和分析。本研究旨在通過系統(tǒng)測量肱骨近端各個區(qū)域骨硬度，分析骨硬度分布規(guī)律，為生物功能適應(yīng)性內(nèi)固定物以及3D打印假體設(shè)計及內(nèi)固定策略選擇等提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

納入標準：年齡＞40歲，既往身體健康，無慢性病史。排除標準：①有代謝性骨病史者；②有影響骨代謝的藥物使用史者；③有既往肱骨或肩關(guān)節(jié)手術(shù)史者；④原發(fā)性骨腫瘤或腫瘤骨轉(zhuǎn)移者；⑤有肩關(guān)節(jié)周圍先天性畸形者；⑥有嚴重肝腎疾病者。本研究選用了3具遺體捐獻者標本，分別為62歲男性、45歲女性和58歲男性。該研究經(jīng)河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院倫理委員會批準。

1.2 標本制備與數(shù)據(jù)采集

選取3具右側(cè)肱骨近端部位的骨骼標本，使用微型臺鋸及Buehler Isomet 11-1280-250低速金剛石鋸（由美國Buehler公司提供）于肱骨肩關(guān)節(jié)盂水平及外科頸水平垂直其長軸精確切割成厚3 mm的樣品，其中肱骨肩關(guān)節(jié)盂水平共2層，每層于8個區(qū)域取點（肱骨頭前側(cè)軟骨下骨、肱骨頭前側(cè)松質(zhì)骨、肱骨頭后側(cè)軟骨下骨、肱骨頭后側(cè)松質(zhì)骨、大結(jié)節(jié)處皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、小結(jié)節(jié)處皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨）；外科頸水平共3層，每層于4個區(qū)域取點（前、后、內(nèi)、外），示意圖見圖1。標本固定于玻片上，打磨拋光標本表面，切割和拋光操作期間使用流動冷卻液冷卻樣品，避免摩擦產(chǎn)生的高溫改變骨質(zhì)表面物理性質(zhì)，將樣品-20℃恒濕密封保存。

圖1 肱骨近端骨骼標本的分層及區(qū)域劃分示意圖

使用具有維氏金剛石壓頭的顯微硬度計（KB5BVZ-Video，德國）在樣品表面進行維氏硬度測試，測量單位為kgf/mm2（HV）。根據(jù)美國實驗材料學(xué)會和既往研究的標準測試方法，采用50 gf的載荷，加載時間50 s，保載時間12 s[6,7]。每個區(qū)域隨機測量5次，只選取對角線之間差異不超過10%的壓痕以減小誤差。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行分析，組間比較采取t檢驗或單因素方差分析（One-way ANOVA），以最小統(tǒng)計學(xué)差異（LSD）和Tukey HSD進行事后檢驗。以P＜0.05為有統(tǒng)計學(xué)差異。

2 結(jié)果

2.1 肱骨近端硬度總體分布

每具遺體標本選取肱骨肩關(guān)節(jié)盂水平兩個平行層面，每層面8個部位共計16個部位，每個部位取值5個共計80個有效測量值；外科頸水平3個平行層面，每個層面4個部位共計12個部位，每個部位取值5個共計60個有效測量值。3具標本合計84個部位，420個測量值。測得肱骨近端骨硬度分布：肱骨近端區(qū)域總體硬度（37.62±8.82）HV，其中肱骨外科頸內(nèi)側(cè)部分硬度最大（45.82±5.55）HV，其次為外科頸外側(cè)以及后側(cè)，此3處骨硬度明顯高于肱骨近端其他部位（P＜0.05）；硬度最小處為大結(jié)節(jié)處松質(zhì)骨（28.32±4.35）HV。

從解剖部位來看，肱骨近端硬度分布外科頸硬度大于肱骨頭及大、小結(jié)節(jié)區(qū)硬度（P＜0.001），大結(jié)節(jié)區(qū)硬度最?。≒＜0.01），見表1、圖2。

表1 肱骨近端不同區(qū)域硬度值比較

圖2 肱骨近端硬度總體分布圖

2.2 肱骨近端肩關(guān)節(jié)盂水平骨硬度分布

肱骨近端關(guān)節(jié)盂水平整體硬度（32.78±7.10）HV，硬度最大處為肱骨小結(jié)節(jié)皮質(zhì)骨（38.27±8.56）HV，硬度最小處為肱骨大結(jié)節(jié)松質(zhì)骨（28.32±4.35）HV。肱骨小結(jié)節(jié)皮質(zhì)骨、肱骨頭前半部軟骨下骨、肱骨頭前半部松質(zhì)骨，此三處硬度大于肱骨近端其他部位（P＜0.001），見表2、圖3。

分析此層面可見，骨硬度分布前方硬度大，后方硬度小，即肱骨頭前半部硬度（35.11±6.82）HV大于后半部硬度（32.10±6.17）HV，小結(jié)節(jié)硬度（34.34±8.26）HV大于大結(jié)節(jié)硬度（29.56±5.68）HV，有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05），見圖4。

2.3 肱骨近端外科頸水平骨硬度分布

肱骨近端外科頸水平整體硬度（44.07±6.45）HV，外科頸水平不同層次間硬度無統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05），但外科頸前方硬度為（40.97±8.00）HV，低于其他方位（P＜0.05），見表3、圖5。

表2 肱骨近端關(guān)節(jié)盂水平各部位骨硬度比較

圖3 肱骨肩關(guān)節(jié)盂水平各部位硬度差異柱狀圖

圖4 肱骨肩關(guān)節(jié)盂水平前后部分硬度差異對比圖

表3 肱骨外科頸不同方位骨硬度比較

3 討論

圖5 肱骨外科頸各方位硬度差異對比圖

肱骨近端骨折與骨質(zhì)疏松有一定關(guān)系，對于老年患者，輕或中度暴力即可造成骨折，常見于在站立位摔傷，即患肢外展時身體向患側(cè)摔倒，患肢遠端著地，暴力向上傳導(dǎo)，導(dǎo)致肱骨近端骨折。對于年輕患者，其受傷暴力較大，多為直接暴力[8,9]。大部分無移位的肱骨近端骨折常無需手術(shù)治療，對于需要進行手術(shù)復(fù)位固定的肱骨近端骨折，其手術(shù)治療目標為解剖復(fù)位，穩(wěn)定固定。但肱骨近端骨折因涉及干骺端和骨質(zhì)疏松等問題，常因患者骨量缺失，影響固定的穩(wěn)定性[10]。內(nèi)固定不穩(wěn)定可導(dǎo)致術(shù)后骨折再移位,也可發(fā)生畸形愈合、增加肱骨頭壞死風(fēng)險[3]。肱骨近端骨折老年患者多合并骨質(zhì)疏松，骨質(zhì)與骨量的減少直接影響螺釘?shù)陌殉至11]。因此在干骺端骨質(zhì)疏松嚴重，骨折端嵌插后塌陷的患者術(shù)中常進行植骨。

肱骨近端骨折Neer分型依據(jù)解剖部位、骨折塊數(shù)量和骨折塊移位程度進行不同組合，可涵蓋大部分肱骨近端骨折類型[12]。肱骨近端骨折切開復(fù)位常使用鎖定接骨板內(nèi)固定，可以為骨質(zhì)疏松性骨折提供穩(wěn)定支撐。接骨板放置位置要考量維持肱骨近端45°頸干角和20°后傾角，術(shù)中注意勿切開關(guān)節(jié)囊，囊外固定，使肩周損傷減少到最少[13]。接骨板近端的多向螺釘孔使得螺釘方向選擇更廣泛，釘板間的牢固鎖定起到內(nèi)部支撐作用，尤其適用于骨質(zhì)疏松患者[14,15]。

由于生理負荷的不同，肱骨近端不同區(qū)域骨量、骨組織在空間的分布形式和骨組織內(nèi)在成分構(gòu)成有明顯的不均一性。骨骼硬度受骨骼礦化程度的影響[16]。骨的礦化過程中礦物鹽結(jié)晶數(shù)量增加、尺寸變大[17,18]。礦化是骨顯微硬度、骨組織彈性模量變化的重要原因[19]。骨骼礦化與骨骼的功能適應(yīng)相關(guān)聯(lián)。肌肉力量的牽拉，骨骼負重等情況均可影響上述過程。由于人體肩關(guān)節(jié)近似的生理結(jié)構(gòu)與功能，故個體間骨骼硬度的分布狀況具有規(guī)律性。肱骨近端不同硬度區(qū)域的骨骼彈性模量各異，相同應(yīng)力作用下發(fā)生的應(yīng)變具有差異性，因此能為置入螺釘提供的把持力也不盡相同，根據(jù)本次實驗數(shù)據(jù)，肱骨頭前半部及小結(jié)節(jié)區(qū)域骨硬度較大，因此可作為螺釘置入的優(yōu)先選擇區(qū)域，既往研究表明螺釘打入關(guān)節(jié)面軟骨下方（距關(guān)節(jié)面5 mm）時獲得最大的螺釘把持力[20]，繼續(xù)深入螺釘時，因肱骨頭軟骨下骨硬度與肱骨頭松質(zhì)骨并無明顯差異，并不能為其提供更大把持力，反而容易導(dǎo)致螺釘穿出關(guān)節(jié)面，骨質(zhì)疏松患者上更易發(fā)生此類情況[21]。小結(jié)節(jié)區(qū)域皮質(zhì)骨具有較大硬度，故靠近此區(qū)域的螺釘應(yīng)當盡量深入靠近皮質(zhì)，以獲得更大的固定穩(wěn)定性。肱骨關(guān)節(jié)盂水平處大結(jié)節(jié)區(qū)域骨硬度較小，同時大結(jié)節(jié)的外側(cè)壁及后壁是骨皮質(zhì)的薄弱區(qū)域[22]，故此處可選擇螺紋大、螺距寬的螺釘進行固定增加穩(wěn)定性。

肱骨近端骨折，無論采用何種固定材料，亦或使用骨水泥等材料填充肱骨近端空腔，都會對周圍骨骼或骨-水泥交界區(qū)域的骨中產(chǎn)生應(yīng)力遮蔽效應(yīng)[23]，導(dǎo)致植入物周圍的骨吸收，從而導(dǎo)致內(nèi)固定失敗和骨折不愈合[24]。類似的，3D打印作為一項優(yōu)勢技術(shù)，發(fā)展迅速。目前3D打印植入物基本上依賴于其框架結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)，用于提供機械支撐和骨長入條件，其應(yīng)用中同樣面臨打印植入物不能與正常骨組織硬度及彈性模量相匹配的問題。本實驗中肱骨近端骨硬度分布規(guī)律，以及硬度和彈性模量的相關(guān)關(guān)系，可為設(shè)計、應(yīng)用梯度彈性模量內(nèi)固定物與生物功能適應(yīng)骨水泥提供指導(dǎo)，與骨組織彈性模量相協(xié)調(diào)，可望解決上述問題。

本實驗研究尚存在一些不足之處，如樣本數(shù)量較小，且對于骨強度的評價需綜合骨質(zhì)量及骨量共同影響，對于分析骨折的發(fā)生尚需考量骨骼材料的斷裂韌性等指標。綜上，本研究借助維氏顯微硬度的方式，測量并分析了肱骨近端骨硬度分布規(guī)律特征，為肱骨近端骨折內(nèi)固定策略的選擇、新型內(nèi)固定物以及3D打印的設(shè)計與材料研究提供了詳實可靠的數(shù)據(jù)。