骨折的生物醫(yī)學(xué)工程評價(jià)方法研究進(jìn)展

楊士彩 ，潘 東 ，王愛國 ，張廣明 ，王曉輝 ，朱雙印

（1. 天津中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院，天津300150； 2.天津市醫(yī)藥科學(xué)研究所，天津300020；3.天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津300193）

據(jù)人口統(tǒng)計(jì)學(xué)預(yù)測，到21 世紀(jì)中期，我國65歲以上人口占總?cè)丝诘谋壤龑⑦_(dá)到30%，骨折發(fā)生數(shù)量將超過600 萬例/年。年齡增長誘發(fā)的骨質(zhì)疏松癥、骨折及并發(fā)癥等將成為嚴(yán)重的社會(huì)公共問題［1-4］。生物醫(yī)學(xué)工程（BME）是一門結(jié)合醫(yī)學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科從事醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生學(xué)等方面的學(xué)科研究，應(yīng)用于疾病預(yù)防、診斷和治療、病人康復(fù)等［5-6］。如何運(yùn)用生物醫(yī)學(xué)工程研究方法來評價(jià)骨折愈合過程中骨及骨折部位的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)，研究骨折的愈合機(jī)制，能夠系統(tǒng)、全面地為臨床指導(dǎo)評價(jià)骨折康復(fù)和骨折愈合提供重要的方案參考，是當(dāng)前眾多生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)者從事的生物力學(xué)研究方向之一。

1 骨生物力學(xué)研究方法

骨組織是人體中一種堅(jiān)硬的復(fù)雜材料，其穩(wěn)固的力學(xué)特性承載著大部分身體的載荷以保護(hù)機(jī)體的器官不受沖擊和破壞。在生物力學(xué)的研究過程中主要從骨的材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面進(jìn)行。

材料力學(xué)通過實(shí)驗(yàn)獲取材料的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，表達(dá)材料的剛度屬性。在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中材料的屈服強(qiáng)度是彈性階段和塑性階段的分界點(diǎn)，在材料應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)之前應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系。結(jié)構(gòu)力學(xué)特性是由載荷-位移曲線描述的，與應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似。骨組織復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)、不均勻的材料成分使骨的力學(xué)特性具有各向異性和黏彈性［7］。結(jié)果見圖1。

圖1 骨的應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖

1.1 宏觀尺度生物力學(xué)研究方法

1.1.1 壓縮實(shí)驗(yàn) 該方法是骨材料宏觀力學(xué)性能檢測中常用的研究方法之一，力學(xué)指標(biāo)包括彈性模量、極限載荷、破壞載荷等力學(xué)性能參數(shù)。

壓縮實(shí)驗(yàn)一般在萬能材料試驗(yàn)機(jī)（AGS-X 萬能材料試驗(yàn)機(jī)）上進(jìn)行，獲得壓縮位移-載荷曲線圖［8］。根據(jù)材料的位移-載荷曲線可分別獲得材料的彈性模量、破壞應(yīng)力和極限應(yīng)變。結(jié)果見圖2。

材料的破壞應(yīng)力σ1計(jì)算公式：

圖2 位移--載荷曲線圖

其中：FMAX為試件破壞載荷（N），A 為加載試件截面面積；

材料的極限應(yīng)變?chǔ)?計(jì)算公式：

其中：L 為加載試件平均長度，△L 為加載試件變形大小；

材料的彈性模量E 計(jì)算公式：

1.1.2 彎曲試驗(yàn) 三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試加載試驗(yàn)是常見的材料力學(xué)抗彎性能試驗(yàn)方法，在骨生物力學(xué)研究中常用于長骨骨干的力學(xué)性能檢測。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)均是將載荷加載至試件上進(jìn)行彎曲性能測試，獲取材料的力學(xué)性能參數(shù)。兩者在加載方式上存在差別，三點(diǎn)彎曲是將載荷加載至彎曲試驗(yàn)試件的中部按照設(shè)定加壓參數(shù)進(jìn)行壓彎動(dòng)作，單點(diǎn)加載會(huì)使試件中部的截面產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力。四點(diǎn)彎曲為兩個(gè)載荷分別加載至距離彎曲試驗(yàn)試件兩端的1/4處進(jìn)行壓彎動(dòng)作，減少了試件在加載過程中的剪切應(yīng)力。但是四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)很難保證兩個(gè)加載載荷滿足相同的條件，操作要求比較復(fù)雜，導(dǎo)致檢測結(jié)果容易產(chǎn)生較大的誤差。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在操作條件方面要求比較簡單，所以在彎曲力學(xué)性能檢測中得到廣泛應(yīng)用［9］。

在彎曲試驗(yàn)研究中通常用三點(diǎn)彎曲應(yīng)變檢測儀或電子萬能試驗(yàn)機(jī)檢測骨的骨力學(xué)性能，得到載荷－位移（F-f）關(guān)系曲線、應(yīng)力－應(yīng)變（σ-ε）關(guān)系曲線，并分別獲取γE（彈性撓度）、Fe（彈性載荷）、γMAX（最大撓度）、FMAX（最大載荷）、σMAX（極限應(yīng)力）、εMAX（極限應(yīng)變）、σe（彈性應(yīng)力）、εe（彈性應(yīng)變）等力學(xué)參數(shù)［10-11］。通過計(jì)算可得材料的彈性模量其中L 為受載跨度，I 為材料彎矩。靜態(tài)加載試驗(yàn)均存在加載不能循環(huán)往復(fù)的缺點(diǎn)，骨的簡化受載環(huán)境是一個(gè)載荷不均且加載方式為循環(huán)往復(fù)的力學(xué)環(huán)境，靜態(tài)加載試驗(yàn)不能模擬整個(gè)受力過程。動(dòng)態(tài)疲勞測試能在一定程度上更科學(xué)地評價(jià)彎曲加載對骨的影響。

圖3 彎曲試驗(yàn)的F-f 曲線

1.1.3 復(fù)合載荷加載試驗(yàn) 骨組織是一種有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物復(fù)合材料，在實(shí)際承載環(huán)境中不同載荷模式誘發(fā)不同的骨破壞形式，常見的兩種載荷加載的復(fù)合載荷加載方式有壓-彎加載、壓-扭加載、彎-扭加載等。如果在骨力學(xué)性能研究過程中僅加載多單一載荷模式，無法客觀揭示其實(shí)際承載環(huán)境下的力學(xué)響應(yīng)［12］。復(fù)合載荷模式下的骨力學(xué)性能測試及變形機(jī)理研究能夠?yàn)椴煌d荷模式下骨破壞的潛在原因追溯分析提供理論參考。

孫興凍［13］將非接觸式全場應(yīng)變測量方法與顯微觀測方法相結(jié)合捕捉加載試件整個(gè)加載過程中應(yīng)變的變化以及破壞演變，獲取試件斷裂破壞的斷口微觀形貌，從而總結(jié)分析試件表面應(yīng)變規(guī)律，開展皮質(zhì)骨材料宏觀尺度力學(xué)性能原位測試研究。Schwiedrzik J 等［14］研究表示，生物硬組織材料力學(xué)性能的研究正在向骨板、生理環(huán)境耦合、復(fù)合載荷受載環(huán)境等更加細(xì)微、客觀的層面發(fā)展。

1.2 微納米力學(xué)研究方法

1.2.1 納米壓痕技術(shù)測試原理 納米壓痕測試具有高的測試分辨率，是能在微觀結(jié)構(gòu)層級進(jìn)行評估的一種重要技術(shù)手段，在骨的生物力學(xué)研究領(lǐng)域得到了成熟的應(yīng)用。

納米壓痕技術(shù)測試可以揭示骨材料在納米級層面的力學(xué)性能和骨材料與載荷的相互作用之間的相關(guān)性［15-16］。納米壓痕儀探頭對骨材料表面進(jìn)行加載，使表面加載區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，整個(gè)加載過程中壓痕位移采集分辨率達(dá)到1 nm。根據(jù)采集獲取的施加載荷大小、壓痕面積、壓痕深度等數(shù)據(jù)計(jì)算骨材料的彈性模量（E）、硬度（H）、屈服強(qiáng)度（Re）、斷裂韌性等［17-18］。

1.2.2 原子力顯微鏡（AFM）檢測 AFM 是目前納米級表面形貌檢測領(lǐng)域一種先進(jìn)的檢測手段，具有高分辨率，能在納米級結(jié)構(gòu)層級進(jìn)行材料表面屬性評估。AFM 技術(shù)能夠應(yīng)用于骨生物力學(xué)領(lǐng)域使得骨的微納米力學(xué)研究方法得到完善，其通過探針原子與骨表面檢測材料試件原子之間的原子力作用從而獲得骨材料表面納米級形態(tài)、骨組織排列相位以及等力學(xué)參數(shù)［19-20］。

AFM 不僅可以對固體檢測試件表面進(jìn)行檢測觀察，還可以對模擬生理環(huán)境下的液基檢測試件進(jìn)行檢測并進(jìn)行高精度計(jì)算分析，因此，可以在納米級層面更加科學(xué)客觀地獲取被檢測材料的力學(xué)和形態(tài)參數(shù)。有研究通過AFM 技術(shù)觀察骨小梁排列、羥基磷灰石分布規(guī)律及其骨折斷端表面形態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)骨小梁外表面的膠原纖維直徑為500 nm～800 nm，羥基磷灰石顆粒尺寸約為60 nm～80 nm，膠原纖維和羥基磷灰石相互交織，呈現(xiàn)濃密的編織狀結(jié)構(gòu)［21-23］。

1.3 動(dòng)態(tài)生物力學(xué)性能研究

在骨組織仿生學(xué)材料研究方面，骨仿生替代材料在體內(nèi)受載環(huán)境以及生理環(huán)境中呈現(xiàn)的力學(xué)性能直接影響其植入活體骨后的生長和生物相容效果。如何模擬骨組織生長體內(nèi)環(huán)境，隨著骨組織細(xì)胞生長仿生材料的力學(xué)性能也隨之變化，是動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究主要解決的關(guān)鍵問題［24-25］。

當(dāng)前多數(shù)學(xué)者主要對靜態(tài)下骨組織力學(xué)性能進(jìn)行研究，但是模擬骨組織實(shí)際承載情況實(shí)現(xiàn)對骨組織的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測試是非常必要的。有學(xué)者研制了組織工程骨的力學(xué)性能測試裝置，運(yùn)用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，調(diào)節(jié)控制材料壓縮變形，模擬組織工程骨在體內(nèi)的環(huán)境，配合壓力傳感器精確測量施加給骨材料的載荷。主要用于對骨材料進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測試，分析各種骨組織工程材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，得到材料的動(dòng)態(tài)表觀彈性模量［26］。

2 骨折的生物力學(xué)評價(jià)方法

2.1 影像學(xué)評估

范真等［27］對骨樣本進(jìn)行X 光掃描后進(jìn)行骨折愈合影像學(xué)統(tǒng)計(jì)分析：按照骨折愈合過程中的結(jié)構(gòu)變化，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)手段將不同骨折愈合情況進(jìn)行評估定性分析劃歸為4 個(gè)愈合階段：愈合初期，骨折發(fā)生斷面處出現(xiàn)血腫機(jī)化，肉芽組織開始形成；愈合中期，骨折發(fā)生處形成血腫，軟骨組織逐漸形成并開始骨化形成纖維骨痂；愈合中后期，纖維骨痂發(fā)展成原始骨痂，骨折處形成骨痂的范圍增大，骨痂里生成新的骨小梁數(shù)量增多，骨小梁之間排列趨于規(guī)律化；愈合后期，骨折發(fā)生處骨組織在破骨作用下骨痂逐漸被吸收，骨的結(jié)構(gòu)形態(tài)逐步恢復(fù)。

2.2 基于Micro-CT 影像技術(shù)的研究方法

微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（Micro-computed tomography，micro-CT）是一種準(zhǔn)確構(gòu)建骨組織三維微觀結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段，已經(jīng)成熟地運(yùn)用于骨生物力學(xué)研究領(lǐng)域，獲取宏觀和微觀層面骨組織材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)［28-30］。目前大量的骨組織三維模型構(gòu)建以及骨折實(shí)驗(yàn)證明Micro-CT 影像技術(shù)在骨組織三維形態(tài)結(jié)構(gòu)研究方面具有很好的可靠性。

2.3 三維數(shù)字散斑應(yīng)變分析

骨組織材料是一種具有各向異性的復(fù)雜材料，從宏觀到微觀到納觀具有明顯的層級結(jié)構(gòu)，靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)只能對受載試件進(jìn)行整體力學(xué)響應(yīng)研究，無法對加載過程中各微觀局部結(jié)構(gòu)形態(tài)或應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行全程跟蹤捕獲，不能更科學(xué)客觀地對骨組織材料進(jìn)行力學(xué)性能分析。

三維數(shù)字散斑應(yīng)變測量分析應(yīng)用高精度、高速率、高靈敏性攝像機(jī)對觀測場中的待檢測試件進(jìn)行實(shí)時(shí)散斑圖像采集，通過圖像算法分析待測試件表面的散斑分布重建三維空間，并對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑化處理分析，捕捉加載試件整個(gè)加載過程中應(yīng)變的變化以及破壞演變，獲取試件斷裂破壞的斷口微觀形貌，從而總結(jié)分析試件表面應(yīng)變規(guī)律［13］。

3 總 結(jié)

骨組織的力學(xué)特性具有復(fù)雜性和特殊性，目前骨的生物力學(xué)研究多從宏觀層面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究獲得骨組織的力學(xué)性能參數(shù)?，F(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)具有先進(jìn)性、全面性、精確性，隨著技術(shù)在骨及骨折的實(shí)驗(yàn)研究和評價(jià)方法的全面深入應(yīng)用，勢必可為臨床指導(dǎo)骨折康復(fù)方案、評價(jià)骨折愈合提供重要的依據(jù)，對骨折治療的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。