生物力學測試方法范文
時間：2023-11-13 17:50:21
導語：如何才能寫好一篇生物力學測試方法，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。
篇1
一、問題導學法的特點
1.以提出問題作為教學的開始
1938年，愛因斯坦在《物理學的進化》中說：“提出一個問題往往比解決一個問題更為重要，因為解決一個問題也許是一個數學上或實驗上的技巧問題。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度看舊問題，卻需要創造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。”與其他學科相比較，生物學科兼有文、理科二者特點，是一門綜合性質的學科。學生讀懂了書上每個章節并不能完全徹底地掌握所學知識，關鍵還要對知識進行有條理的整合，在實驗的基礎上做一些練習題，在綜合練習中慢慢強化知識體系才能學好。在生物學科的教學中，教師不但要注重培養學生分析、解決問題的能力，而且要注意培養學生的質疑能力。從古至今，善于獨立思考，善于質疑的人就具有較強的創造力。所以說，增強生物課教學實效關鍵在于培養學生的質疑能力，激發學生的求知探究欲。
2.以探究問題作為有效教學的主線
引導學生對所學知識不斷質疑，學生的求知欲就會被激發出來，也有利于培養學生的創造性思維能力。問題導學法的特點是圍繞問題慢慢呈現出課本知識，而這個過程中學生對課本知識就能達到慢慢地理解和消化，最后真正內化為自己的知識。例如，在《光合作用》一節課的講授中，教師可以結合學生的生活經驗提問：“植物的發芽成長需要哪些物質？這些物質來源于哪里？植物進行光合作用需要哪些原料？在什么條件下進行？光合作用的產物是什么？植物的葉子有哪些結構與光合作用相適應？光合作用對生物界乃至整個自然界有著什么重要的意義？所以，在整個教學中使用問題導學方法，教師都在引導學生循序漸進地探究知識，教學活動始終圍繞著解決問題而不斷展開，當一堂課結束了，學生就基本掌握了所學的知識。
3.以解決問題作為教學實效的增強
教學的最終目的是提高學生的素質，培養學生解決問題的能力。問題導學法就是讓學生在初步解決問題的基礎上發現新的問題，使自己的創造性思維得到培養。例如，在《植物的主要類群》的教學中，有怎樣區別不同的植物的內容。在實施問題導學法中，教師可以選擇合作小組學習方式。首先把學生分成若干小組，讓每個小組從生活中尋找一些實驗需要的材料帶到學校。諸如，海帶、葫蘆蘚或墻蘚、鐵錢蕨、帶球果的松枝、蠶豆花及果實中選擇一到兩種，在課堂上教師可以指導學生用放大鏡觀察帶來的實驗材料，并讓學生區分、比較不同的植物的主要特征，小組討論區分、比較的結果，教師巡視、指導并參與學生的討論探究，待觀察結束后，各小組將各種植物把討論達成共識的結果寫出來。老師最后總結，得出結論。
二、問題導學法中問題創設的實施過程
1.創設情景，設置問題
“問題導學法”的中心環節是設置問題。學生學習的興趣和課堂的實效都會因問題設置的好壞而變化。問題情景設置得比較好，學生的興趣往往能夠被強烈地激發出來，學生也會積極地思考，并努力想辦法解決問題，這樣學生自主學習能力自然而然地就得到了培養。如果問題設置得不當，那么，一切都會向相反的方向發展。因此，在問題導學法實施的過程中，教師應當精心備課，吃透教材，將課本內容具體為許多個問題，通過問題的不斷拋出，從而推進和展開教學過程，實現課本內容的講授。如，《動物的主要類群》的教學，筆者用多媒體剪輯了一段“豐富多彩的動物世界”錄像片在課堂上作為導入播放，在播放之前我就告訴學生錄像中有諸多問題，要認真看，筆者要提問。學生聽了就認真觀看錄像片，不但被錄像中豐富多彩的動物世界所吸引，而且帶著問題觀看情景，激發了他們探究的欲望。而這一段錄像中就講到了自然界中的動物大約有多少種？什么動物種類最多？什么動物最小？什么動物最大？……學生興致勃勃觀看后筆者就對這些問題做了提問，在學生回答完提問之后，筆者就帶領學生進入對動物進行分類的教學內容。
2.自主探索，討論問題
問題導學法是教師要不斷引導學生進入“問題”。所以，教師課下要為學生的質疑做好準備，這樣才能充分調動學生的積極性，學生才會根據教師提出的問題積極思考。在對動物進行分類的教學中，筆者也是先通過多媒體播放了蚯蚓、蝸牛、蝦、蛙、兔、丹頂鶴、海龜、北極熊等動物的圖片。這些動物有的我們身邊就可以見到，但有的只是在電視或者電影中見過，并不是很熟悉。筆者首先根據教學安排，要求學生根據自己了解的情況對這些動物進行簡單的分類。然后提出以下問題：
（1）能否根據生活環境合理地將這些動物分成不同類群？
（2）能否根據生活方式將上述動物合理地分為不同的類群？
（3）能否根據形態結構的不同將他們分為不同的類群？
（4）無脊椎動物和脊椎動物或者有骨動物和無骨動物還能否進一步分類？
（5）你認為將上述動物合理劃分的依據是什么？
以上“問題”具有一定難度，但我們的目的是不斷引導學生積極參與教學。所以，在提問之后要做好教學的導向作用，并留給學生一定的時間，讓學生積極地去思考。
3.提問檢查，鞏固問題
學習效果到底如何？這是我們教師很關心的一個問題。檢驗學習效果的最好教學方法也是使用提問的方式來解決。對學生進行提問很容易，但回答問題的對象教師要做到心中有數，否則會打擊學生學習的積極性。一般情況下，教師可以讓基礎不夠好或者學習成績不夠理想的學生回答一些較容易的問題；有一定難度的問題，可以讓學習成績優秀的學生回答。同時，教師要做好評價。對學生正確的回答，及時肯定和表揚；對局部正確者應肯定其正確部分，并加以適當鼓勵。
4.掌握方法，解決問題
提問檢查中我們總會發現一些問題學生掌握得不夠好。因此，我們教師就要對學生普遍沒有理解的問題進行再次輔導。同時，教師要給學生適當地介紹一些學習方法以及相關的思維方式、手段等，使學生不由自主地對比、檢查自己的學習方法還存在什么問題，從而有效培養學生的自主學習能力。
三、問題導學法中問題創設的原則
在教學活動中，問題導學法作為一種教學方法，教師主要以此為線索，創設問題情境，目的是引起學生積極思考，從而獨立地解決問題，發展其自主學習的能力。因此，教師在應用“問題導學法”進行教學時，應遵循以下基本原則：
1.探究性原則
在教學中使用“問題導學法”，教師要從培養學生學習興趣，激發學生探求欲望著手。所以，在整個“問題導學法”實施中，教師要根據學生現有的知識水平以及學習能力，吃透教材，把課本知識轉化為一些精心準備的“問題”而實施教學。“問題導學法”的目的是讓學生通過質疑掌握解決問題的方法，我們就要以“質疑”為基礎而展開教學，這樣才能讓學生產生強烈的好奇心，并在這種好奇心的驅使下，自己去不斷思考、探索，解決問題。所以，“問題導學法”實施中，教師創設疑問情境一定要注意探究性，情境設計的探究性強，長期鍛煉培養，學生探究問題的能力就會得到提高。
2.啟發性原則
眾所周知，人的興趣、求知欲望以及好奇心實際是人表現出來的一種積極的主觀生活態度或者學習態度，在平時的教學中，學生的問題多起碼說明學生在積極思考。所以，在教學過程中，教師要注意培養學生的興趣，激發學生的好奇心。“問題導學法”的實質是設置問題，但也是啟發學生積極思考的過程。所以，教師創設的問題情境要具有一定的啟發性。問題情境啟發性強，設計得巧妙，就能讓學生隨著老師的思路不斷思考，這樣學生也才能得到較大進步。如果教師的問題具有很大的啟發性，那么，學生接受知識就自然而然地主動了。所以，問題導學法一定要堅持問題設計的啟發性原則，這樣對于實現教學的實效性具有很大幫助。
篇2
【摘要】 目的 研究人髕腱密度與其生物力學的關系,尋找能于前交叉韌帶重建術前檢測髕腱移植物生物力學性質的方法。方法 對20例不成對人體髕腱(男10例,女10例)進行單軸拉伸試驗,來研究供者性別及髕腱密度對其生物力學性質的影響, 髕腱密度根據其所測得體積和質量計算出。結果 髕腱的生物力學性質基于性別上的差異均無顯著性, 而與其密度呈正相關。密度>1.68g/cm3(n=8)的髕腱的最大抗張強度比質量密度<1.68g/cm3(n=12)者明顯要高。結論 髕腱密度可以用來評價該髕腱的質量, 因此,可利用術前測量活體內髕腱的密度來決定該前交叉韌帶重建是用異體移植物還是自體移植物。
【關鍵詞】 髕腱;密度;移植物質量;生物力學性質
The mechanical properties of the human patellar tendon correlated to its mass density
【Abstract】 Objective To study the effects of tissue mass density on the mechanical properties of the patellar tendon and find out predictors of the mechanical properties of the patellar tendon, used as grafts in anterior cruciate ligament reconstruction surgeries.Methods Uniaxial tension tests were performed to determine the effects of donor sex and mass density of the tissue on the mechanical properties of twenty unpaired human patellar tendons(10 male and 10 female).Mass density of the patellar tendon was determined by measuring its volume and mass.Results No evidence of sex-based differences in any of the mechanical properties of the patellar tendon was found.The mechanical properties of the patellar tendon were significantly correlated to its mass density.The tensile strength were significantly higher for those patellar tendons having a mass density greater than 1.68g/cm3.Conclusion The mass density of the patellar tendon may be considered as an indicator of mechanical properties of the patellar tendon or graft quality.In vivo measurement of the mass density of the patellar tendon,prior to surgery,can be used to decide if a particular ACL reconstruction should be carried out with an allograft or an autograft.
【Key words】 patellar tendon;mass density;graft quality;mechnical properties
自體髕腱復合體曾被作為移植重建前交叉韌帶的金標準,目前仍為外科醫生重建手術的首選。學者們對髕腱的生物力學性質進行了廣泛研究,希望找到能于移植前有效評價移植腱質量的客觀變量,為臨床選擇肌腱提供依據。筆者對人髕腱的密度及其生物力學性質進行研究,希望確定供體髕腱密度對其生物力學性質的影響。
1 資料與方法
1.1 一般資料 從國人新鮮尸體中獲取20例不成對的膝關節(男10例,女10例),冷凍在-20℃,直到試驗日為止。膝關節均在供者死亡后12h內冷凍。冷凍時間1~12個月不等。死者排除以下情況:(1)年齡>50歲;(2)骨骼未發育完全者(女性<16歲,男性<19歲);(3)有膝關節手術史;(4)有膝關節炎病史。在取髕腱標本之前,先將膝關節在室溫中解凍。將髕腱連同全部髕骨和脛骨的一部分(包含有脛骨結節)從膝關節中分割出來。脛骨部分修整成楔形,取髕腱的中央部分(平均5mm寬),用手術刀沿著腱束的長軸將腱的內外側修理成直的平面。小心操作以避免將腱束橫行切斷。用游標卡尺在不同截面測量髕腱的寬和厚,取其均值,并測量髕腱的長,用以計算髕腱的體積。
1.2 使用儀器 將樣本安裝在DCS-25T電子萬能試驗機(日本島津)上,進行單軸拉伸試驗,拉伸速度為30mm/min。以3033型X-Y函數記錄儀(四川儀表制造廠)記錄載荷―變形曲線,并進行分析,得出最大載荷、衰竭應變及彈性模量。
1.3 計算樣本密度 力學測試完畢后將樣本的腱性部分從骨的附著點上分離出來,稱重。根據前面算出的體積計算出每個樣本的密度。
1.4 統計學方法 采集所有數據,應用t檢驗來比較不同性別來源的髕腱的力學性質,進行相關性分析來判斷髕腱密度與生物力學性質間的關系。將樣本根據密度排列,再隨機選擇其中一個密度作為標準,將其上、下兩組樣本的生物力學指標用t檢驗分析,重復這個過程,檢驗是否存在一個密度值,比這個密度值大的樣本與比這個密度值小的樣本相比,其生物力學強度要高。
2 結果
樣本的平均截面積是19.47mm2(SD 8.72),髕腱的平均長度是47.83mm(SD 3.78),男性髕腱平均長49.22mm(SD 3.42),比女性髕腱[平均46.44mm(SD 3.76)]稍長一些(P=0.05)。髕腱組織混合在一起的平均密度是1.61g/cm3(SD 0.47)。男性髕腱的密度(1.68g/cm3)和女性髕腱的密度(1.54g/cm3)之間差異無顯著性(P=0.23),所測得密度范圍為0.81~2.57g/cm3。
髕腱的力學性質不依賴于供體的年齡和性別。在最大抗張強度(P=0.62,)、最大應變(P=0.61)、彈性模量(P=0.57)方面基于性別上的差異均無顯著性。因為性別和年齡對髕腱力學性質沒有任何影響,所以將樣本混合起來做密度的相關分析。樣本的最大抗張強度與其密度相關(r=0.57, P<0.02)。髕腱的彈性模量也與其密度呈正相關,盡管其相關性較弱,但亦有統計學意義(r=0.44,P<0.05)。衰竭應變與其密度無相關性(r=-0.25,P>0.1)。連續采用t檢驗分析顯示密度>1.68g/cm3(n=8)的髕腱的最大抗張強度比質量密度<1.68g/cm3(n=12)者明顯要高。
3 討論
本研究中,組織密度被作為變量進行相關性分析,通過測量其密度,就去除了組織大小對相關性分析的影響。我們發現在髕腱的生物力學性質與密度之間高度相關。較大的組織密度可能意味著較多的膠原堆積在組織中,產生較大的生物力學強度。Woo SL[1]發現經常活動的豬的伸趾肌腱質量和膠原含量增加,其最大抗張強度顯著增加。但其未做肌腱生物力學和其質量的相關性研究。我們發現了髕腱組織的一個密度值(1.68g/cm3),大于這個密度的髕腱群體,其生物力學強度顯著要高。因為高于或低于這個髕腱密度值的供者的平均年齡非常接近,所以年齡不會導致髕腱的生物力學的差異。這與Flahiff[2]報道的結果一致。
在以前的研究中,諸如樣本大小、組織儲藏方法、組織的測試條件、樣本的截面積和力學測試方法等因素都被認為是很重要的因素,并且各實驗間各不相同[3],因此,難以 做具體數據上的比較。文獻報道[3],測試過程中對樣本進行鹽水浴,讓液體從腱組織滲出,能產生更大的強度和硬度。一些研究人員觀察了髕腱生物力學的差異,猜測可能有某些內在或外在的因素與此差異性有關。例如,Flahiff[2]認為重量、活動量、健康及飲食能影響髕腱的力學性能,雖然Beynnon[4]陳述軟組織內在的未知生物學因素能導致肌腱力學性能的差異。基于我們的研究,髕腱的密度似乎是這種差異的一個原因。
本研究最有意義的成果是,髕腱密度可以用來評價該髕腱的質量。這個發現在臨床上將具有重要意義。有些學者[4]認為,在重建手術進行之前預測自體移植物的生物力學性能很重要。他們報道移植物移植后有不同程度的伸長,導致手術5年后過度的膝關節前后松弛。這些研究人員也主張,因為重建術后難以立即測量移植物的伸長量,所以有一種能預測自體移植物的生物力學性質的簡單指示器是非常必要的。基于我們的研究,自體移植物的密度能被用來預測包括彈性模量在內的生物力學性質。現代影像技術如CT掃描能無創測量移植組織的密度。利用一條組織密度與CT值的標準曲線就可以從CT掃描中得到組織密度。因此,可利用術前測量活體內髕腱的密度來決定該前交叉韌帶重建是用異體移植物還是自體移植物為好。
這里得出的結果不能應用到異體移植物。因為重建術前異體移植物經過了射線照射和凍干處理。
【參考文獻】
篇3
摘 要 運動生物力學是研究體育運動中人體的機械運動規律及其應用的科學。文章通過對運動生物力學在體育教學中的運用分析，尤其是在技術教學中運用的闡述，證明了運動生物力學在技術教學中的重要性，對提高學生掌握運動技術動作和教學效果有著積極的意義。
關鍵詞 運動生物力學 體育教學 技術教學
運動生物力學是一門理論與實踐密切結合的應用科學，研究人體運動時的力學規律以及運動狀態改變的原因，它直接為提高運動員運動技術水平和增強人類的體質服務。作為一門實踐性極強的應用學科，體育教師如果能夠運用運動生物力學的原理對學生的運動技術動作進行正確評價和傳授，便可以使學生的技術動作更合理、更有效，所以在體育教學中已受到眾多體育教師的重視和應用。
一、運動生物力學在體育教學中的地位
任何一項身體練習都由一定的動作及動作體系構成，而完成每個動作及整套動作都存在著最適合、最合理的運動技術。合理的運動技術以運動生物力學理論為依據，并富含運動生物力學原理。而運動生物力學又以其分析科學性、結構合理性為體育技術教學提供理論和方法上的指導，通過對形形體育動作千差萬別以及引起這些差別原因的分析、探討獲得良好技術的各種力學條件，從而使學生更完善地認識、學習和合理掌握運動技術動作。
要想使學生迅速并正確的掌握技術動作，不僅需要教師正確的講解和示范，而且需要合理的練習方法。技術教學中由于學生個體身體素質和能力的差異，表現在完成技術動作時或多或少地在各個環節上存在這樣或那樣的技術問題，教師如能及時向學生傳授有關生物力學原理，往往能收到事半功倍的教學效果，這種效果對于具有良好物理學基礎的大學生尤為顯著。
二、運動生物力學與技術動作的關系
運動生物力學是研究體育運動中人體及器械運動規律及與其他運動形式相互轉化規律的一門科學，它以經典力學的理論和方法為主要工具，研究體育運動中的各種力學現象。
人體在從事體育運動時，技術動作是千變萬化的，各種動作形式差別很大，包括運動的空間、時間、速度、加速度等方面。空間特征表明運動發生什么地方和運動路程的幾何形狀，時間、速度和加速度的特征對揭示人體運動的性質是比較重要的，特別是技術性強的運動項目如體操、跳水、田徑中的田賽等，對運動員的各方面都提出了極高的要求。運動員完成技術動作是否合理、是否規范、是否發揮其特點，也就是在運動中發揮人體最有效、最經濟所作的功，都是運動生物力學的一種表現。所以訓練時，如果教練員能掌握這門知識，運用運動生物力學原理，合理分析和建立運動員的技術動作，就會少走彎路，縮短技術動作定型的時間，并找到評價運動員技術優劣的標準，從而更快的提高運動員技術水平和專項運動成績。
三、運動生物力學對體育技術教學的影響
在技術教學中，及時而有針對性地向學生傳授運動生物力學原理，往往能引起學生對學習和掌握運動技術的興趣，并使復雜的技術問題簡單化，從而有利于學生及時糾正自己的錯誤動作，并防止由于錯誤動作而帶來的運動損傷。
（一）提高學生學習運動技術的興趣
新的運動技術取代舊的運動技術或高級運動技術取代低級運動技術，緣于新技術、高技術比舊技術更科學、更合理，并且更符合人體運動特點。因此，新技術總能吸引更多的人去研究和學習。在體育技術教學中，如何引起學生對新技術的興趣是學習的第一動力。比如，我們說背躍式跳高比俯臥式跳高先進，主要是背越式更趨于自然的起跳姿勢，擺動腿的屈曲上擺由于轉動慣量小，因而比直腿上擺快。因此，背越式是小緩沖的垂直起跳，使起跳的爆發力有可能直接通過人體重心，最后，背越式所形成的背弓過桿，有可能使人體重心遠離身體，從而實現身體重心從橫桿下面通過的情景，對于同一跳躍能力的人可能提高橫桿的高度。如此，通過對技術動作的分析，以及成績的進步，就會使學生對背越式跳高技術產生濃厚的興趣，提高勇于實踐的欲望，從而在技術教學上就會主動、積極地參與并思考、體會技術細節，進而縮短掌握技術動作地時數，有利于提高技術教學效果。
（二）使復雜的動作技術簡單化
在我們以往的教學中，當教師對某一項較為復雜的技術過程講解時，學生常會因為技術太復雜而影響學習，但如果教師能用適當的力學知識加以分析，往往能使學生“頓悟”，從而激發學生的學習積極性。如：排球飄球是一項較復雜的技術動作，且飄球形成的力學原因也極為復雜，但根據“飄球不轉”、“轉球不飄”的力學現象，我們只要在擊球過程中，保證打擊力通過球心，即沒有形成使球轉動的打擊力矩，便為飄球的產生創造了條件。如此講授，復雜的技術問題簡單化了，學生學習發飄球也會格外認真，能極快又好地掌握飄球技術動作，教學效果明顯。同樣，對足球“香蕉球”也是大學生足球愛好者非常向往的，如果我們在踢球的實施過程中，能保證給球施加極大的偏心力，便可能使足球在向前飛的過程中，因為偏心力使足球高速轉動，從而使球體相對應的兩側形成壓強差，進而使足球劃出香蕉狀的弧線軌跡。因此，對復雜的技術動作稍加力學分析，便可使復雜問題簡單化，便于學生理解并提高教學效果。
（三）診斷并改進動作技術問題
技術診斷工作在國際上非常普及，許多體育強國都在他們的訓練基地裝備了生物力學測試儀器，經常性進行技術改進工作并取得了顯著的成績。在我國這一工作正在開展，生物力學技術診斷逐漸成為教練員和運動員科學訓練的得力工具，也為體育教師對學生進行動作技術教學提供了科學依據。
運用運動力學的基本原理對技術動作的簡單力學分析，可以診斷技術上存在的力學問題，從而對癥下藥，改進技術，便會收到良好的效果。如：用皮尺、秒表可以測得某學生某次推鉛球的遠度S，鉛球出手高度H和鉛球在空中的飛行時間T，用適當的運動學公式可以方便的求得鉛球出手速度V和出手角度θ。在一定的出手速度V和出手高度H時存在著某一最佳出手角度θ′，比較實際出手角度θ和最佳出手角度θ′，便可診斷出手角度的合理性，從而指導教學、訓練乃至比賽，并提高鉛球成績。
但在運用運動生物力學原理對學生進行動作技術指導的過程中，體育教師應重視學生的個體特點。運動技術的生物力學原理只是從生物力學角度反映了各項動作技術帶有共性的普遍規律，而每個學生的身體形態和身體素質不同，因此在動作技術教學過程中，體育教師應經過實踐逐步了解每個學生個人身體、素質及心理特點，實施有針對性的教學，這是運用運動生物力學動作技術原理指導體育技術教學的生命力所在。
（四）建立動作技術模式，提高教學效果
結合體育技術教學的需要，將學生按不同水平、不同技術特點分組，選擇若干要素，運用生物力學測試方法，獲取動作技術數據，經統計學處理，再運用運動生物力學原理分析，找出動作技術的一般規律和完成某個動作技術的合理方法，建立起正確的動作技術模式，并將其運用于一般專項運動訓練和體育教學，這將會有利于專項技術和教學水平的提高。
（五）減少運動損傷的概率
合理的運動技術首先應符合人體解剖的結構特征，其次應符合力學原理。由于學生在學習運動技術中常形成一些多余動作乃至錯誤動作，違反了運動力學原理，從而可能導致運動損傷的出現。如：在擲標槍時，有的學生會出現屈肘或肘低于肩的錯誤動作，從而給肘關節造成扭轉負荷，超出關節周圍肌肉群的承受閾，進而使肘關節內側肌肉等軟組織損傷。因此，教學前，教師應對肘關節的結構以及力學負荷加以必要的力學分析，使學生明確合理的動作技術的基本要素，從而避免或減少運動損傷。
四、小結
體育教學不僅是一個學科，更是一門科學。其中的分支——運動生物力學在我們的體育訓練和教學工作中更是起著重要的作用，它在體育技術教學中的獨特地位，是什么都無法代替的。因為我們參與的每一個技術動作無不可以從力學的角度去分析研究，所以在體育技術教學中不但要知其然，更要知其所以然，只有這樣以才可以改進教學水平，提高教學質量，讓學生受益，讓體育老師教學相長，提高自我、完善自我。
參考文獻：
[1] 石玉琴.運動生物力學[M].北京：人民體育出版社.1999.12.
[2] 李建設，顧亮.運動生物力學的研究與展望[J].浙江體育科技.1999（2）.
[3] 馬輝，馬雪蓮等.將運動生物力學融入高校體育教育實踐的研究[J].中國成人教育.2009（16）：133-134.
篇4
【關鍵詞】 椎弓根螺釘
摘要：［目的］從生物力學角度評價腰骶椎弓根螺釘翻修及強化固定的穩定性。［方法］采用7具新鮮成人尸體L5S1椎體標本，于L5椎體首先置入5．5mm／45mm椎弓根螺釘，然后再置入7．0mm／55mm螺釘翻修，最后應用骨水泥強化固定；S1椎弓根置入初始螺釘為6．25mm／35mm、翻修螺釘為8．0mm／45mm、最后同樣行骨水泥強化固定。在858MiniMTS生物力學實驗機上分別測試各狀態軸向最大拔出力及最大扭力矩。［結果］(1)在L5，初始、翻修及骨水泥強化固定狀態的最大把持力分別為（1680．7±242．8）N、（2410．3±366．1）N、（3273．0±688．5）N(P
關鍵詞：腰椎；骶椎；椎弓根螺釘；翻修；生物力學
Biomechanical stabilization in the revision and augmentation for lumbar and sacral pedicle screws
Abstract：［Objective］ To evaluate the biomechanical stabilization of augmentation and revision of L5 and S1 pedicle screws.［Method］Seven lumbosacral spines from fresh adult cadavers were harvested，and dismembered into single vertebrae before testing. 5.5mm/45mm screws were implanted in L5 pedicles as control initially， then 7.0mm/55mm screws were used for the revision， and finally， the failed pedicles were augmented by cement.The original screws implanting in S1 pedicles were 6.25mm/35mm， the revision screws were 8.0mm/45mm， and also cement was used to salvage failed pedicles finally.The maximum pullout strength and insertional torque in all groups was tested on 858MiniMTS.［Result］（1）For L5 vertebrae， the screw pullout strength in control， revision and augmented groups were （1 680.7±242.8）N， （2410.3±366.1）N and （3273.0±688.5）N，respectively with significant difference(P
Key words：Lumbar vertebrae; Sacram;Pedicle; Revision;Biomechanics
隨著經椎弓根內固定技術的廣泛應用和發展，改進椎弓根螺釘置入技術及提高椎弓根螺釘翻修術是當前人們探討的課題之一［1］，而L5S1的椎弓根內固定有其特殊性，翻修術更為困難。本實驗擬對腰骶椎弓根螺釘翻修的不同方法進行生物力學評估，為臨床應用提供依據。
1 材料與方法
1．1 材料
1．1．1 標本準備
7具新鮮健康青壯年尸體腰骶椎標本，實驗前經X線片檢查排除先天性畸形、骨折、腫瘤、骨質疏松等脊柱疾患。清除椎體周圍的軟組織，自椎間盤處離斷，L5游離成單個椎體、骶骨修整過程中保留S1椎體的完整，雙層塑料袋密封，放入-20℃超低溫冰箱中冷凍保存。測試前24h將標本取出，室溫下自然解凍。
1．1．2 椎弓根螺釘
華杰豪公司提供，有5．5mm／45mm、7．0mm／55mm、6．25mm／35mm及8．0mm／45mm4種規格，螺釘尾部加長，以利實驗中夾具固定。螺紋間距為1．2mm、深度1mm(圖1)。
1．1．3 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥
天津市合成材料工業研究所提供，由甲基丙烯酸酯／苯乙烯共聚酚與甲基丙烯酸甲酯單體組成的室溫自凝劑。
1．2 方法
1．2．1 椎弓根螺釘生物力學測試
按常規椎弓根進針方法置入螺釘，單個椎體固定于特制夾具，在美國產858Mini-MTS多軸試驗機上進行椎弓根螺釘生物力學測試。根據實驗設計首先置入不同型號椎弓根螺釘，在末端預留1個螺紋，然后將試件安放到MTS機上完全擰入螺釘，同時記錄各時段扭力矩數據、最終獲得最大扭力矩；既而進行螺釘拔出實驗，設置最大軸向拔出力為4000N，單純螺釘固定組最大位移為5mm，螺釘加骨水泥固定組最大位移為30mm，沿椎弓根長軸方向以5mm／min加載速率行螺釘拔出，當載荷-變形曲線出現屈服(圖2)、達到最大位移或椎體椎弓根破壞后即予停止。
1．2．2 實驗分組
腰骶椎分別進行生物力學實驗評估。
1．2．2．1 L5實驗分組
正常對照組：于7節L5椎體置入5．5mm／45mm椎弓根螺釘。單純螺釘翻修組：正常對照組實驗完成后，置入7．0mm／55mm螺釘翻修。骨水泥強化固定組：前兩組實驗完成后隨機選擇一側椎弓根行5．5mm／45mm螺釘加骨水泥強化固定翻修，另一側應用7．0mm／55mm螺釘加骨水泥強化固定翻修。
1．2．2．2 S1實驗分組
正常對照組：于7節骶椎標本置入6．25mm／35mm椎弓根螺釘。單純螺釘翻修組：正常對照組實驗完成后，置入8．0mm／45mm螺釘翻修；骨水泥強化固定組：前兩組實驗完成后隨機選擇一側椎弓根行6．25mm／35mm螺釘加骨水泥強化固定翻修，另一側應用8．0mm／45mm螺釘加骨水泥強化固定翻修。
1．2．2．3 觀察內容
椎弓根螺釘的軸向最大拔出力、橫向最大扭力矩，以及在椎弓根螺釘強化固定翻修后拔出過程中椎骨或椎弓根破壞情況。骨水泥強化固定組拔出實驗后，沿椎弓根長軸進行冠狀或矢狀切割，觀察PMMA在椎弓根螺釘周圍的分布狀況。
1．2．2．4 統計學處理
將實驗誤差和粗差進行修正處理，將全部數據進行雙向分類方差分析(StudentNewmanKeuls法)。各處理組與對照組間、同一組不同直徑螺釘間進行隨機化配對設計資料均數的t檢驗，顯著性水平設為0．05。
2 結果
2．1 椎弓根螺釘最大把持力
不同組椎弓根螺釘把持力見表1。腰椎：單純7．0mm／55mm螺釘翻修及應用骨水泥強化固定后，均可獲得明顯增加的椎弓根螺釘把持力，以骨水泥強化固定增加更為明顯應用；其中骨水泥強化固定后，不同直徑與長度椎弓根螺釘間的把持力沒有顯著性差別(P>0．05)。骶椎：單純8．0mm／45mm螺釘翻修后，椎弓根螺釘把持力與對照組比較沒有明顯差別；應用骨水泥強化固定后，把持力明顯高于正常對照組及單純螺釘翻修組，不同型號螺釘間把持力亦沒有明顯差別(P>0．05)。表1 不同分組椎弓根螺釘把持力(略) *表示實驗組螺釘把持力與對照組間有統計學差異(P
2．2 椎弓根螺釘最大扭力矩
不同組椎弓根螺釘扭力矩見表2。L5椎弓根單純7．0mm／55mm螺釘翻修后，扭力矩明顯增加；而S1椎弓根單純8．0mm／45mm螺釘翻修后，扭力矩變化不明顯。在腰骶椎，骨水泥強化固定后扭力矩均明顯減小(骨水泥固化后仍可較輕松地將螺釘擰出，圖3)，且不同直徑與長度螺釘間扭力矩沒有明顯差別(P>0．05)。表2 不同分組椎弓根螺釘扭力矩(略)*表示實驗組螺釘扭力矩與對照組間有統計學差異(P
2．3 椎弓根螺釘最大把持力與最大扭力矩相關性分析
實驗結果顯示單純螺釘翻修組螺釘把持力與扭力矩大都呈現增加趨勢，而骨水泥強化固定組螺釘把持力增加、扭力矩減小。分別將對照組與單純螺釘翻修組螺釘的最大把持力及最大扭力矩設為自變量與應變量，統計分析得相關系數r=0．85，表明單純螺釘與骨結合時扭力矩與把持力成正相關。
2．4 椎弓根螺釘拔出時的破壞情況及骨水泥在椎弓根內的分布
因在正常對照組與單純螺釘翻修組的實驗設置中采取了保護性參數，故未觀察到椎弓根或椎體的破壞。骨水泥強化固定組中椎弓根螺釘的拔出破壞大都為椎弓根螺釘的抽出，即骨-螺釘界面的剝離；僅2例L5椎弓根骨水泥強化翻修時發生椎弓根和椎體交界區的斷裂(圖4)。本實驗條件下，骨水泥粉和水按2∶3配比混合后較易注入且在椎弓根內分布均勻，螺釘紋理痕跡清晰(圖3)。
3 討論
隨著經椎弓根內固定技術在脊柱外科的廣泛應用，內固定失敗的病例也逐漸增多，Moore等認為［2］退行性滑脫術中及術后螺釘松動退出的發生率近5．5％，而脊柱骨折術后內固定失敗率高達9％。近年來，國內外已有關于椎弓根螺釘翻修及強化固定的文章發表，但針對腰骶椎特定解剖結構進行相關評價及比較的生物力學研究卻鮮有報道。
3．1 翻修螺釘大小的選擇
不同大小的螺釘呈現出不同的生物力學特性，在椎弓根的解剖形態及內固定力學需要的限制內，增加翻修螺釘的直徑或長度，可增強螺釘與骨的結合力［3］。拔出的力量與圓柱狀骨的表面積有關，決定于螺釘的外徑和進入深度。大直徑螺釘置入時，椎弓根中心的松質骨被推擠到周邊相對密質層，螺紋可置入到周邊相對密質層；針對不同直徑的椎弓根螺釘進行拔出強度測試，顯示直徑大的螺釘拔出強度大于直徑小的螺釘，拔出強度隨外徑的增加而增加［4］。螺釘越長，固定強度越大，研究發現螺釘固定強度的60％在椎弓根內，達椎體松質骨后強度增加15%～20％，至前方骨皮質但又未穿透時又增加16％，穿破前方骨皮質則增加20%～25％［5］。Polly等［6］認為直徑增加2mm，是椎弓根螺釘翻修的最理想方法；直徑增加1mm，長度增加5～10mm，也是可靠的手段。但臨床常用的單純增大螺釘直徑以提高穩定性的方法受到椎弓根解剖學條件的嚴格限制，采用較大直徑的椎弓根螺釘還增加了神經根損傷和椎弓根骨折的風險，螺釘外徑最大不應超過椎弓根外徑80％［7］。筆者認為，螺釘翻修時由于先前釘道已遭破壞，在進針點準確的情況下，同時適當增加螺釘直徑及長度應為最佳選擇。
3．2 腰骶椎弓根螺釘的把持力差異與解剖特點
本實驗表明L5椎弓根螺釘翻修時，直徑增加1．5mm、長度增加10mm，椎弓根螺釘把持力超出原螺釘強度；S1螺釘的把持力普遍比腰椎小，單純螺釘翻修結果也不同于腰椎，其把持力僅達到原有螺釘水平。椎弓根螺釘把持力取決于螺紋-骨界面的結合強度，螺釘周圍骨的質量成為決定螺釘把持力的關鍵因素，高質量的骨可獲得較大的把持強度。在腰椎，螺釘旋入時將松質骨壓縮至堅強的皮質骨上，螺釘周圍骨密度相對增高，有較滿意的骨質量；粗大螺釘的置入甚至可以切入周邊的骨皮質，增加了把持強度。在骶骨，由于其椎弓根明顯增寬，松質骨含量多、骨皮質亦不夠堅強，螺釘旋入后其周圍骨密度偏低、骨強度較低，把持力相對較小，通過有限增加螺釘的直徑、長度往往很難獲得滿意的把持強度。因此，臨床上骶骨椎弓根內固定有較多改進方法，如增加螺釘長度以使其穿破前方骨皮質、改變進針方向穿過S1上終板乃至L5下終板或在S2增加附加螺釘等。
3．3 骨水泥強化固定翻修
臨床上當椎弓根釘道破壞嚴重或骨質疏松時，單純采用大直徑螺釘翻修較為困難，常添加生物材料強化椎弓根螺釘穩定性。骨水泥強化后，把持力的實現由骨-螺釘界面轉化為較為堅強的骨-黏合劑-螺釘界面［8］，可顯著增加椎弓根螺釘把持力，而與螺釘自身結構關系不大，螺釘拔出主要依靠骨水泥骨界面剝脫實現；在使用骨水泥翻修時，螺釘的作用得不到體現，其本身結構已顯得不重要，如何調配、注入骨水泥，使之在椎弓根內均勻分布、與螺釘達到最佳結合，成為翻修的關鍵。臨床上成功應用單純螺釘翻修常假設為較理想的狀態，實際情況往往非常復雜，如骨質疏松、釘道破壞嚴重、進針位置欠佳需另行改道等，單純采用大直徑螺釘翻修較為困難，需添加生物材料強化椎弓根螺釘穩定性。尤其骶椎具有特殊的解剖學結構，椎弓根寬大且松質骨含量多，當初次螺釘固定失敗后，螺釘松動致松質骨擠壓，使得釘道較原螺釘明顯增大，螺釘直徑長度的有限增加很難獲得足夠的把持力，此時骨水泥強化固定在骶椎的翻修中的意義更為顯著。因骨-黏合劑-螺釘界面強度均超過脊椎本身結構強度，生物材料的改進應著眼于控制添加物的組織化學反應，過度增加強化材料的黏合強度已沒有太大意義。普通骨水泥的臨床應用會產生一系列的問題，如聚合熱致周圍組織(包括脊髓和神經根)損傷、體內長期留置產生毒性和致癌作用等，目前逐漸被新型生物材料所取代［9］。
3．4 椎弓根螺釘把持力與扭力矩的相關性
大多數生物力學實驗以軸向拔出力為評定螺釘把持強度的指標，近來研究發現橫向加載往往是螺釘早期松動的主要原因［2］，故將把持力與拔出力相結合更能反映出螺釘的把持強度。本實驗結果顯示螺釘把持力與扭力矩不呈現絕對的一致，不同螺釘結合界面，把持力與扭力矩間的相關性有很大差異。單純骨-螺釘界面結合強度與扭力矩間具有明顯的相關性，這與既往研究是一致的(相關系數為0．83～0．925)［10］；而實際操作時，醫師同樣習慣通過扭力矩判斷椎弓根螺釘的把持強度，具有一定臨床實用性。骨水泥強化固定為螺釘-水泥-骨界面，螺釘置入時骨水泥尚未固化，此時扭力矩沒有意義。當骨水泥固化后，骨-水泥間為牢固結合，而螺釘-水泥間結合不夠緊密，故螺釘仍可較容易扭動；螺釘的把持力主要依靠骨水泥固化后與螺紋鑲嵌吻合獲得，取決于骨水泥本身強度及骨-水泥結合強度。
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篇5
【關鍵詞】 脫鈣骨基質顆粒
關鍵詞: 脫鈣骨基質顆粒;骨水泥;生物力學;犬 中圖號:R687.3 文獻標識碼:A
摘 要:目的 研究不同質量比的犬脫鈣骨基質顆粒骨水泥復合材料的生物力學性能，為臨床應用該復合材料修復骨缺損提供理論依據. 方法 按Urist等方法制備犬脫鈣骨基質顆粒后，再與骨水泥混合制成含骨粒質量比為0，400，500和600mg?g-1 的脫鈣骨基質顆粒骨水泥復合材料，對其抗壓極限強度、抗彎極限強度、抗扭轉極限強度進行測定. 結果 含脫鈣骨基質顆粒質量比為0，400，500和600mg?g-1 的復合材料的抗壓極限強度分別為（81.0±3.0），（50.4±5.9），（48.8±2.0）和（33.8±3.6）MPa;抗彎極限強度分別為（65.3±6.7），（42.9±8.1），（37.2±2.9）和（25.0±2.4）MPa;抗扭轉極限強度分別為（35.5±0.8），（16.3±2.2），（13.1±2.0）和（8.0±1.4）MPa. 結論 犬脫鈣骨基質顆粒骨水泥復合材料具有良好的生物力學性能，易于塑形，能根據需要適應不同部位骨缺損的要求，其中含骨粒質量比為500mg?g
-1 的復合材料生物力學性能及骨誘導活性最為適宜，能作為支架材料有效地修復大塊骨缺損.
Keywords:decalcified bone matrix;bone cement;biome-chanics;dogs
Abstract:AIM To study biomechanical properties of differ-ent mass ratio materials impregnated decalcified bone matrix（DBM）with bone cement（BC）in dogs，and seek some soli-dified processes to repair bone defects with the compound material.METHODS The DBM particles and the materials im-pregnated0，400，500，600mg?g
-1 mass ratio DBM parti-cles with BC were made according to the methods of Urist.The compound material compressive strength，bending strength and torsional strength were measured.RESULTS In the compound materials，the ultimate compressive strengths were（81.0±3.0）MPa for0mg?g-1 DBM，（50.4±5.9）MPa for400mg?g-1 ，（48.8±2.0）MPa for500mg?g-1 ，（33.8±3.6）MPa for600mg?g-1 .The ulti-mate bending strengths were（65.3±6.7）MPa for0mg?g-1 DBM，（42.9±8.1）MPa for400mg?g-1 ，（37.2±2.9）MPa for500mg?g-1 ，（25.0±2.4）MPa for600mg?g-1 .The ultimate torsional strengths were（35.5±0.8）MPa for0mg?g-1 DBM，（16.3±2.2）MPa for400mg?g-1 ，（13.1±2.0）MPa for500mg?g-1 ，（8.0±1.4）MPa for600mg?g-1 .CONCLUSION DBM impregnated with BC has better biomechanical properties and perfect plastic property，which could be used to repair large bone defects when it con-tains DBM of500mg?g-1 .
0 引言
研制理想的人工生物材料作為骨移植替代材料用于修復骨缺損，是當前骨科領域研究的主要課題之一.脫鈣骨基質顆粒（decalcified bone matrix，DBM）用于骨缺損的修復臨床上已多有報道［1-3］ ，由于DBM中含有骨形成蛋白而具有誘導成骨作用，但卻因礦鹽被去除，只留下有機部分骨基質，造成機械強度下降，不能承受應力，因此無法替代骨骼負重功能.骨水泥（bone cement，BC）是一種高分子聚合物，具有一定的生物力學強度，臨床上早已被用作人工關節固定材料及骨缺損充填材料［4，5］ ，但單純骨水泥填充骨缺損為機械填充，材料不能降解，且與骨界面間存在力學差異等缺陷.為使骨缺損修復材料有較好的生物力學性能，具備良好的骨傳導和骨誘導能力，我們將犬脫鈣骨基質顆粒與骨水泥按一定的比例復合制成生物性復合材料用于骨缺損的修復.我們報道這種復合材料的生物力學性能，為復合材料在臨床的應用提供一定的科學依據.
1 材料和方法
1.1 材料
犬脫鈣骨基質顆粒骨水泥復合材料的制備按Urist等［6］ 方法，取健康雜種家犬的四肢長骨，去除骨髓及軟組織，砸成碎片，流水沖洗4～5h，用5倍于骨片體積的無水乙醇脫水2h，乙醚脫脂1h，室溫下干燥過夜后置-80℃冰柜凍存，取出后用磨碎機將骨片粉碎研磨成骨粒，分樣篩過篩篩取直徑400～800μm的骨粒.骨粒室溫下用0.5mol?L-1 鹽酸脫鈣3h（按1g骨粒比50mL鹽酸），脫鈣后骨粒流水沖洗2h，再用5倍于骨粒體積的無水乙醇浸泡1h，乙醚浸泡30min后通風處干燥過夜，制得脫鈣骨基質顆粒.將脫鈣骨基質顆粒與適量的骨水泥均勻混合，制備成含脫鈣骨基質顆粒質量比分別為0，400，500和600mg?g-1 的復合材料，待骨水泥呈面團狀時立即用力塞入5mL的注射器針筒內，并用最大力量推壓以使復合材料在針筒內緊密接觸，待復合材料聚合定型后取出，即制成含不同質量比的脫鈣骨基質顆粒骨水泥復合材料樣本（骨水泥為天津合成材料工業研究所研制）.生物力學測試樣本［7］ 標準抗壓試件為直徑d=12mm，高度h=24mm的圓柱體，含0，400，500和600mg?g-1 質量比骨粒的不同試件各10個，另截取犬的新鮮股骨標本10個，用砂輪磨平加工成直徑d=12mm，高度h=30mm的圓柱體，所有試件兩端光滑平整，上下同心.標準抗彎試件為直徑d=12mm，長度L=60mm的圓柱體，含0，400，500和600mg?g-1 質量比骨粒的不同試件各10個，另截取犬的新鮮股骨標本10個，用砂輪磨平加工成直徑d=12mm，長度L=80mm的圓柱體.標準抗扭轉試件為直徑d=12mm，長度L=60mm的圓柱體，含0，400，500和600mg?g-1 質量比骨粒的不同試件各10個，另截取犬的新鮮股骨標本10個，用砂輪磨平加工成直徑d=12mm，長度L=80mm的圓柱體.
1.2 方法
1.2.1 壓縮試驗
在材料力學綜合試驗臺上，用生物力學測試裝置進行測定.該裝置由加載部分、壓力和位移傳感器、動態應變儀、微型計算機自動記錄系統組成，試樣測定時統一加載速度為5mm?min-1 .將抗壓試件依次放在試驗臺上，對其施加壓縮載荷，直至試件破壞，記下試件破壞時的載荷并算出抗壓極限強度.
1.2.2 三點彎曲試驗
將抗彎試件置放于綜合試驗臺上，試件跨距為40mm，在其中點加載，直至試件 破壞，記錄試件破壞時的載荷并計算抗彎極限強度.
1.2.3 扭轉試驗
在扭轉試驗機上，用專用夾具將抗扭轉試件的兩端分別裝于扭轉試驗機的固定夾頭和活動夾頭中，對其施加扭矩，加載速度為120°?min-1 ，記錄試件破壞時的載荷并算出扭轉極限強度.
2 結果
經統計學分析，復合材料中含DBM骨粒為400，500和600mg?g-1 的生物力學性能均低于犬正常股骨組及骨水泥組（P
3 討論
理想的骨移植材料應具備:①良好的生物相容性;②較強的力學性能;③有誘導成骨作用;④能夠被吸收替代;⑤有良好的賦形性.DBM骨粒作為生物性骨缺損修復材料，在體內能被吸收替代，又具有成骨誘導活性，是骨缺損修復的最佳替代材料，但DBM骨粒本身不具備支撐能力，因此不宜用于修復承重長骨.骨水泥作為粘接賦形劑，易于塑形，有一定的力學性能，植入骨內起到鑲嵌固定作用.我們將DBM骨粒與骨水泥按一定比例均勻復合，制成復合生物性修復材料，探索一條修復大塊骨缺損的可行途徑.
骨的生長及骨小梁的構建是根據Wolff定律，按機體生長的需要的應力分布排列，因此骨的生物力學特性較為復雜.修復骨缺損不僅要恢復骨形態的連續，更重要的是重建骨的支撐功能.這就要求骨移植材料的生物力學性能應達到正常皮質骨的力學性能，而不同的部位和不同程度的骨缺損修復要求不盡相同.本組實驗中復合材料的生物力學性能低于犬正常股骨組，提示應用復合材料修復承重長骨骨缺損時，肢體應在保護下負重以分散部分載荷.在復合材料中隨DBM骨粒所占的質量比增加，材料的抗壓極限強度、抗彎極限強度和抗扭轉極限強度均呈下降趨勢，這是因隨材料中DBM骨粒增加，材料間的孔隙及通道增多，造成材料的生物力學性能下降.我們既往在制作復合材料標準試件時［8］ ，模具中的材料不予加壓使成自然裂隙狀態下測定試件的生物力學性能，其結果為BC的抗壓極限強度為（59.3±2.2）MPa、抗彎極限強度為（64.3±3.7）MPa;含DBM骨粒400mg?g-1 組的抗壓極限強度為（19.3±1.6）MPa、抗彎極限強度為（13.3±1.4）MPa.與模具中材料盡量加壓塞緊后測定的力學性能（Tab1）有顯著差異.提示臨床上修復骨缺損填入復合材料時應盡量加壓塞緊，以減少骨粒間的裂隙，便于提高復合材料的機械強度.
含骨粒為400mg?g-1 組及500mg?g-1 組的生物力學性能均高于600mg?g-1 組，P
由于復合材料具有一定的孔隙和較強的生物力學性能，它在修復骨缺損時可作為支架發揮骨傳導作用，又因DBM骨粒具有誘導成骨活性，故此種生物源性復合材料有可能成為很有發展前景的骨移植替代材料.我們在動物實驗的基礎上［9］ ，已將復合材料應用于臨床治療腫瘤性骨缺損和長骨大段骨缺損，取得了令人鼓舞的療效［10，11］ ，但其材料在體內的力學性能及吸收降解等問題尚有待于進一步研究.
致 謝 數據的統計學處理得到本校統計學教研室尚 磊的指導.
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篇6
【摘要】 目的 構建一種精確模擬椎體骨折的測試模型，通過試驗比較椎管創傷后產生不同的變化和各自的特點，為臨床手術提供科學依據。方法 研究在人脊椎標本應用沖擊試驗機測量標本，分別測出不同沖擊力的椎管直徑的試驗參數并進行分析。結果 在產生最小的脊柱破裂后增加沖擊力和椎管骨質破裂應變有交互作用(R2=0.85，P
【關鍵詞】 骨折;椎管;脊柱;生物力學;增量法
Abstract： Objective To construct an accurate simulation of vertebral fractures of the test model and to compare the spinal canal through the trial after the trauma of change and their different characteristics，so as to provide a scientific basis for clinical surgery.Methods Human spinal samples for measurement of impact test specimens were studied and test parameters of the spinal canal diameter with different impact were measured and analyzed.Results There was interaction between the smallest increase in spinal fracture after the impact and the spinal bone fracture strain(R2=0.85，P
Key words：fracture;spinal canal;spine;biomechanics;incremental trauma approach
脊柱外傷經常發生，在所有外傷中占37.5%~55.2%[1]，其中15%是椎管破裂[1，2]。歐美發生的比例更高，達50%~60%[3]。載荷運動下的脊柱試驗是測量脊柱生物力學的一個重要方法，實驗性生物力學研究設計并且進行臨床脊柱椎管骨質破裂的相關研究是其中的熱點之一[4-6]。我們通過建立脊柱椎管破裂模型，采取增量創傷法從特定高度開始標準重量，由一個側向X射線精確監測結果，實驗方法簡便可靠。材料與方法
1 一般資料
本組取8具新鮮尸體脊柱標本，男性5例，女性3例;年齡21~74歲。剔除椎旁的軟組織，保留韌帶及小關節囊完整，雙層塑料袋密封，-40℃低溫冰箱保存，實驗前24小時室溫下解凍。所有標本均無破損及畸形。每個脊柱標本用X線檢查保證無損傷并有正常的相對應年齡的生理退變。肌肉組織被仔細剔除，韌帶和椎間盤正常。實驗前，脊柱標本用圓柱形契子嵌入S3上部的一半和L3下部的一半，并保持L1 脊椎水平。另外，為保護脊椎，S4和L2脊椎用環氧樹脂緊密包裹(圖1)。
2 儀器
MTS858雙軸液壓生物材料試驗機(西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室提供);移動X線機(Italray，型號：BASIC 4003)。
3 測試方法
標本置入沖擊試驗機進行測試，撞擊方向來自脊柱中線正上方。椎管周圍用兩排直徑為2.0mm小鋼珠嵌入，一排嵌入后縱韌帶，另一排嵌入黃韌帶平面(圖2)，椎管直徑由兩排小鋼球的位置距離測定，每次實驗測量并記錄。放置單排小鋼球彼此接近，做到既能確定脊椎管外形，又不影響測量結果。小鋼球從L1~L2椎間盤放置，利用逐步增量標準化負荷，X線測定脊柱標本外傷后的變化，測量記錄椎間管直徑的變化。應變(L)為實驗后的椎管直徑減去其原直徑結果并除以原直徑。
數學公式表達：L%=(Ln-L0)÷L0
Ln和L0分別代表原椎管直徑和實驗后的椎管直徑(圖2)。
測試過程中適當用生理鹽水噴灑防止標本干燥。標本每次加載測試完畢后，卸載一定時間，預載、調正，再進行下一次加載測定。逐步增量法在初始的沖擊力定為28.5N，每次增加17.2N，每次實驗后，X線拍取，計算機計算(圖3)。如果結果沒有達到設計要求，重復增量17.2N，直到出現等同或者大于實驗設計要求。力學測試記錄結果、觀察內容：沖擊速度(m/s)、撞擊力量(N)、脊柱受損變形、各臨界點的試驗參數(表1)。表1 各組脊柱在不同載荷運動狀態下載荷應變比值變化(單位，%)
4 統計學分析
本實驗數據以線性回歸(最小二乘法)、方差分析、t檢驗加以處理，采用統計軟件SPSS 10.0分析完成，設定P
實驗儀器由電腦控制，有以下特點(圖2)：以5.24m/s速度下降，重量可調節，儀器后面有擋桿以防止破壞脊柱標本;由計算機控制電-磁性分離裝置。
結 果
1 本試驗產生的椎管骨折閾值是28.5~149.2N(平均88.85N，SD)，椎管初始骨折的直徑也發生改變(4.5%~47.1%，平均23.1N，SD 11.7%)，椎管的直徑變化和沖擊力之間未發現相關性(R2=0.27)(圖4)。
2 根據觀察數據分析，從第一次椎管骨折后增加的沖擊力和增加的椎管應變之間，回歸分析的數據顯示有高度相關(R2=0.85，P
討 論
脊柱生物力學實驗的主要目的是研究脊柱骨折力學因素，以便進行相應臨床研究[7]。建立脊柱骨折模型，一直是熱點、難點，目前采用的基本測量方法為重物高處墜落法。這種方法有很多弊端，因為標本差異、密度與脊柱周圍肌肉、韌帶等原因[8]，因此難以掌握控制骨折程度。本實驗在尋找脊柱骨折規律的研究中，設計出了一種新的、有效而精確的可產生脊柱骨折的模型，其設計方法具有自主知識產權，可在醫學等領域中廣泛應用。在研究脊柱骨折的過程中，發現能得到精確測量脊柱骨折閾值的方法，揭示脊柱骨折微量變化的超高分辨率方法并得以解決。目前國外大部分學者研究脊柱骨折也都采用了類似方法[7]。本實驗采用控制試驗的外力，逐步增量的沖擊力，椎管被嚴密觀測，直至骨折產生。
本實驗發現在人脊柱標本發生初始的椎管破裂骨折平均沖擊力是88N，因此也代表脊柱椎管骨折閾值。同時發現一組人體脊椎骨標本不僅可以模仿產生唯一接近傷害閾值初始的椎管骨折，也可以模仿不同程度的椎管骨折發展變化。產生初始的椎管骨折，其撞擊力從28.5~149.2N，在產生初始的椎管骨折以后，逐步增量沖擊力和椎管變形之間相關變化非常顯著。本實驗在人體脊椎骨脊柱標本中模擬產生不同程度的椎管骨折成為可能。逐步增量法遵循椎管初始破裂骨折和各種椎管骨折可以精確地模擬這一規律。盡管人體脊椎骨存在大量的變異性，但是按照一定設計要求，椎管骨折的破壞程度是可以模擬產生的。分析認為，脊柱骨折后，通過韌帶軸向復位，雖可使與韌帶相連的骨塊重新排列復位并恢復傷椎外形，但復位后椎體呈“蛋殼”樣改變，這種變化非常小。但本實驗用小鋼球模擬椎管直徑，X線分析以達微量準確的檢測，則可以避免該微量變化不被檢測到。
本實驗設計偏心加載力線在軀干的重力線上，同時用小鋼球模擬椎管直徑，以達到理想的效果。另外，本實驗對脊柱所加載荷是模擬人直立行走時腰椎負載的峰值變化(10～16 N)的增量值，符合臨床實際情況。本實驗采用測量椎管間應變，反映了椎管受損程度，著重研究了外力和椎管間應變關系，通過比較各個運動參數，得出在脊柱骨折發現了在產生最小的脊柱破裂后增加沖擊力和椎管骨質破裂應變有交互作用的初步結論， 這項技術使建立更精確的椎體骨折模型成為可能。盡管本實驗所采用爆裂性骨折模型的制作方法在生物力學實驗中能夠被廣泛應用，并且也考慮到神經肌肉等穩定結構對脊柱的穩定效果，但是由于體外實驗也只能評價機體階段性局部的狀況，仍不能評價整體遠期效果。因此，本研究也存在一定局限性，還需臨床及生物力學進一步觀察及研究 。
參考文獻
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篇7
關鍵詞：膝關節；交叉韌帶；腓骨長肌腱；生物力學
Abstract：Objective To compare the peroneus longus tendon and hamstring tendon（gracilis tendon，semitendinosus）anatomic morphology and biomechanical properties，proof of the peroneus longus tendon can be used as a single strand and reconstruction of ACL，PCL，（ACL，PCL）ideal graft. Methods 16 cases of 19 to 56 years of age for some reason thigh in the lower part of the amputation of fresh specimens，take the tendon to remove the fibular long tendon， hamstring tendon （femur tendon， semitendinosus tendon）ACL，PCL，measuring the length of the tendon，with 0.02 precision vernier caliper width，thickness.Tendon at both ends of the stitching，each with 3 threads，suture length of 3 cm，tensile testing machine test.Results There were no significant differences in the data of anterior and posterior cruciate ligament，hamstring tendon（femur tendon，semitendinosus tendon），peroneus longus tendon length，width，thickness and anterior and posterior cruciate ligament.There were no significant differences in the ultimate tensile strength between the anterior and posterior cruciate ligament，the hamstring tendon（the femoral tendon and the semitendinosus tendon），the maximal tendon of the peroneus and the maximal deformation data.Conclusion The maximum deformation of the peroneus longus tendon single strand，the ultimate tensile strength and hamstring tendon，posterior cruciate ligament are compared，the difference was not significant.It shows that the single strand of the long peroneal tendon can be cut off from the middle and can serve as an ideal graft for the simultaneous reconstruction of ACL and PCL.
Key words：Knee joint；Cruciate ligament；Long peroneal tendon；Biomechanics；
膝關節交叉韌帶損傷損傷多用N繩肌腱、骨-髕腱-骨（B-PT-B）、同種異體肌腱等材料進行重建[1]。自體腓骨長肌腱重建交叉韌帶的報道較少。從1988年陳展輝采用腓骨長肌腱轉位重建交叉韌帶以來，許多學者[2]對腓骨長肌腱的形態、血液供應、生物力學進行了報道，但目前仍缺乏腓骨長肌腱與ACL、PCL在解剖形態與生物力學等方面的對比研究。本文對16例大腿中下段以上截肢的新鮮標本進行研究，為腓骨長腱移植同時重建ACL、PCL提供解剖和生物力學基礎。
1資料與方法
1.1一般資料 16例19～56歲因不同原因行大腿中下段以上截肢的標本，取腱器取下腓骨長肌腱、N繩肌腱（股薄肌腱、半腱肌腱），前后交叉韌帶，進行分析對比。
1.2方法
1.2.1解剖學形態測量
1.2.1.1N繩肌腱按以下方法測量 股薄肌、半腱肌長度：肌腹長度：測量肌腹實際長度。肌腹寬：測量肌塊上中1/3相交處橫徑。肌腹厚：在測量肌腹寬的中點處用直角規測量。肌腱長度：測量下端肌腱實際長。肌腱寬：測量肌腱最寬處橫徑。肌腱厚：在肌腱最寬處中點用直角規測量。N繩肌腱：半腱肌和股薄肌編織縫合后二者合并測量。
1.2.1.2腓骨長肌腱按以下方法測量 腓骨長肌腱：解剖出腓骨長、短肌腱，在近端切口拉動兩肌腱，觀察遠端切口肌腱連帶滑動情況，淺側粗大者為腓骨長肌腱，取出其近端，遠端在距離第五跖骨基底（因為臨床手術只需解剖到此位置即可，這樣把損傷減少到最小）1 cm。
1.2.1.3交叉韌帶按以下方法測量 交叉韌帶的測量：用精度0.02的游標卡尺測出ACL、PCL中心線在膝關節屈曲90°的長度和韌帶中點的寬度、厚度。
1.2.2生物力學的測試 肌腱兩端鎖邊縫合，每端用3根絲線，縫合長度為3 cm，拉力試驗機測試。
1.3統計學處理 用SPSS軟件進行方差分析及兩兩比較，數據均用（x±s）表示，顯著差異用t檢驗。
2結果
前后交叉韌帶、N繩肌腱（股薄肌腱、半腱肌腱）、腓骨長肌腱長度、寬度、厚度、極限拉伸強度、最大變形與前后交叉韌帶數據對比差異無統計學意義，見表1、表2。
3討論
交叉韌帶斷裂后不能愈合，需重建手術，N繩肌腱、髕韌帶是常用的移植物，但它們均在患膝關節周圍，而且是構成膝關節穩定結構的重要結構，切取后對膝關節的功能和穩定性有一定的影響[3-4]，當膝關節ACP、PCL同時斷裂進行重建手術時，切取單側的上述移植物不能滿足ACL、PCL同時重建的需要，而取健側膝關節的組織，又會對健側的膝關節產生不良的影響。
腓骨長肌腱作為移植物不會影響膝關節力學平衡，特別是對于ACL損傷伴有內側副韌帶（MCL）損傷的患者，如果再從同側膝關節取半腱肌腱、股薄肌腱重建ACL，很容易影響膝關節穩定性，而保留半腱肌腱、股薄肌腱，對膝關節內側穩定性有著重要的作用，鵝足區有皮膚、軟組織損傷的患者亦無法切取N繩肌腱[5-8]。
N繩肌腱的長度可以只重建前交叉韌帶或后交叉韌帶，但不能同時重建ACL、PCL。腓骨長肌腱有效長度一般為28 cm，將肌腱平均分為兩部分，每段長度14 cm，能同時重建ACL、PCL。腓骨長肌腱的上段的極限拉伸強度與最大變形與后交叉韌帶比較無顯著性差異，腓骨長肌腱的下段的極限拉伸強度與最大變形與前交叉韌帶比較無顯著性差異。所以，腓骨長肌腱是同時重建ACL、PCL的理想移植物，為臨床上把單股腓骨長肌腱作為同時重建ACL、PCL的自體移植物提供了解剖及生物力學基礎。
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篇8
關鍵詞：可注射性磷酸鈣骨水泥；骨質疏松性椎體壓縮骨折；生物力學
骨質疏松癥（Osteoporosis，OP），是目前世界人口老齡化重點防治的病癥。可注射磷酸鈣骨水泥因其良好生物相容性、可降解性、骨傳導性及可塑形性等優點已應用于臨床床骨缺損的修復與重建與修復，骨質疏松的治療[1]。本實驗擬比較可注射性磷酸鈣骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）與聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）對骨質疏松性椎體壓縮性骨折椎體成形術后的生物力學影響，從而為其防治骨質疏松椎體壓縮性骨折提供實驗依據。
1 資料與方法
1.1一般資料 12只胸腰段（T6-L5）脊柱標本（均來自湖北醫藥學院人體解剖學教研室用于局解教學的尸體）。
1.2主要儀器 CPC（上海瑞邦生物材料有限公司）；S-2型PMMA（晨光醫用高分子制藥廠）；CSS-44300型電子萬能試驗機（長春試驗機研究所）。
1.3實驗分組 實驗分組：所有標本均攝X線片，以排除先天性畸形、骨折、腫瘤。采用法國DMS公司生產的CHRONOS型雙能X線吸收骨密度儀，測定每具標本椎體的骨密度，證實為骨質疏松。12只脊柱標本隨機編號平均分成兩組，每組6只，實驗組：植入CPC組；對照組，植入PMMA組。隨機選擇腰椎椎體節段，以消除不同的椎體可能造成的生物學差異。
1.4模型制備與實驗方法 將椎體從冰箱中取出，室溫下解凍24h，將各椎體放置在微機控制CSS-44300型電子萬能試驗機測試平臺上.以距椎體前緣5mm為加載點。先用載荷90 N預載2 min，然后采用位移控制方式加載，速度5mm/min，當載荷位移曲線出現最高點時停止壓縮，均在前屈方向造成腰2椎體壓縮骨折模型，獲得最大載荷和剛度數據。椎體出現塌陷或壓縮性骨折的標準是載荷一位移曲線出現了最高點即椎體的抗壓力開始出現下降。試驗機的載荷信號由計算機記錄，并由相應的測試分析軟件計算椎體的抗壓強度（載荷一位移曲線最高處的載荷數值）和剛度（載荷為彈性范圍內曲線的斜率）。力學模型建立后，然后進行正式試驗。椎體成形術：直視下采用16G針頭經椎弓根穿刺，事先在椎體上方用畫線筆標線，以確定進針方向與深度，經右側椎弓根穿刺至椎體前l，3的中線側方。選用國產的PMMA和CPC，PMMA按粉（g）、液（rm）比l：l調配，CPC按照粉（g）、液（rm）比l：2調配。在粥狀期將其按預設的量用力注入椎體共4ml。所有椎體標本注射后，用生理鹽水紗布包裹，放置于密封塑料袋中。室溫下放置24h，行生物力學性能測試，獲得骨水泥固化后椎體的最大載荷和位移，明確其剛度。
1.5統計學分析 采用SPSS19.0軟件處理，計量資料比較采用x±s及t檢驗，以P
2 結果
兩組術后剛度、最大載荷、最大位移比較：術后兩組剛度、最大載荷、最大位移與術前相比，均有所改善，差異具有統計學意義（P
3 討論
普通骨水泥，即聚甲基丙烯酸甲酯，是現行最常用于強化椎體成形術的材料，經PMMA強化后，椎體的最大載荷可提高至原來的2～3倍[2]。但是，PMMA在聚合反應是發熱反應，局部溫度可高達100℃以上，如果發生滲漏存在引起脊髓、神經受損等的嚴重后果的可能；還有PMMA會以永久性異物的形成存留于體內，不可降解[3-4]，加之已有采用大量的PMMA作壓縮性骨折椎體成形術強化的研究文獻報道[5]，故在本實驗設計中納入PMMA強化組作對照。本實驗中所用的強化材料是采用獨特的生物工程工藝所合成的新型可注射性磷酸鈣骨水泥CPC，其主要是用于骨缺損修復與重建。選用這種材料作為椎體強化材料，在于材料兼具可注射性、生物可降解、骨傳導及成骨等優點，以期規避PMMA的部分缺點。
本實驗研究結果顯示，在術前兩組的椎體高度、剛度、最大載荷、最大位移均無明顯差別，而手術后，CPC組椎體高度、剛度、最大載荷、最大位移較PAMA組比較均明顯改善，說明與聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥相比，注射性磷酸鈣骨水泥可以更有效地恢復骨質疏松性椎體壓縮性骨折術后力學性質。
本實驗在實施過程中也有不足之處，如雖然強化材料的注射劑量采用了統一的4ml，提高了組間的可比性，但與臨床實踐中盡量多注的實際是不相符的，存在低估材料的強化效應的可能。同時，鑒于本實驗室條件所限及臨床和實際需要，只做了椎體的生物力學實驗，以后的研究中我們會進一步做椎體的的扭骨形態及骨質量等實驗。但是，CPC具體通過何種機制和途徑作用于骨質疏松癥椎體力學重建。
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篇9
【關鍵詞】 骨質疏松
摘要：目的 探討中藥骨康寧治療骨質疏松大鼠的效果。方法 5-6月齡雌性SD大鼠，維甲酸復制骨質疏松模型后，給予中藥骨康寧治療。用影像學、骨病理組織學、形態計量學、骨生物力學等實驗技術，觀察骨康寧的治療效果。結果 經骨康寧治療后，骨質疏松大鼠的平均骨小梁數、平均骨小梁寬、骨皮質指數、股骨骨密度、股骨的最大變形能力等增加，并明顯高于骨質疏松組(P
關鍵詞：骨質疏松；骨康寧；維甲酸；影像
ABSTRACT: Objective To understand the effect of Gukangning capsule on the osteoporotic model of the rats. Methods Female SD rats， 5-6 months after birth， were chosen to duplicate the osteoporotic model induced by retinoic acid and treated with Gukangning capsule. The effect of Gukangning capsule on osteoporosis was evaluated by radiology， morphometry， BMD and biomechanics of bone. Results After oral administration of Gukangning capsule， the mean trabecular plate density， the mean trabecular plate thickness and the trabecular bone volume， BMD and maximum strain of the rats， were significantly increased more than that of the osteoporotic model (P
KEY WORDS: osteoporosis; Gukangning capsule; retinoic acid; image
以骨量減少為主要特征，骨組織的顯微結構發生改變，并伴隨骨質脆性增加和骨折危險度升高的一類全身性骨骼疾病稱為骨質疏松癥。隨著老年人群的迅速增長，骨質疏松癥已成為一個引起全世界關注的公共健康問題。骨康寧含有補骨脂、骨碎補等復方中藥，具有壯腎健骨、健脾益氣、活血通絡等功效。本實驗以大鼠為實驗對象，用維甲酸復制骨質疏松模型，骨康寧治療后采用影像學、骨病理組織學、形態計量學等方法，觀察其對大鼠骨質疏松的治療效果。
1 材料與方法
1.1 實驗動物與分組 選用45 只雌性SD大鼠，5-6月齡(本院實驗動物中心提供)，按體重隨機分為正常對照組(正常組，10只)和骨質疏松模型組(35只)。以維甲酸80mg/(kg?d)(上海第六制藥廠)灌胃15d，誘導骨質疏松。骨質疏松模型組大鼠處死7只證實骨質疏松模型復制成功后，剩余大鼠再隨機分為骨質疏松模型組(9只)、骨康寧治療組(骨康寧組，10只)和雌激素治療陽性對照組(9只)3組。正常組大鼠繼續觀察。骨質疏松模型組給予常規飼料、蒸餾水；骨康寧組給予0.8g/(kg?d)骨康寧混懸液，1次/d灌胃；雌激素組腹腔注射苯甲酸雌二醇50μg/只，每周3次。治療期為60d。
1.2 取材 實驗60d時，各組以200g/L苯巴比妥溶液(5mL/kg)麻醉下處死動物。取雙后肢及胸腰椎骨，40g/L多聚甲醛固定。
1.3 鉬靶攝影 隨機取每組實驗大鼠一側脛骨及股骨，在同一電壓電流下行鉬靶攝影。
1.4 骨病理組織學觀察 取股骨上段中1/2段，經40g/L多聚甲醛固定，80g/L的中性EDTA脫鈣液脫鈣40d，常規石蠟包埋，用90g/L的多聚賴氨酸處理載玻片，切片，片厚6μm，伊紅蘇木素染色(HE)。
1.5 骨組織形態計量學 股骨的石蠟切片經HE染色后應用半自動彩色圖像分析系統分析測量。以關節軟骨下1mm以外的松質骨區域，每張切片測量3個視野(放大倍數×40)，取平均值，測量平均骨小梁密度、平均骨小梁寬度、骨小梁面積百分比、平均骨小梁間距；測量股骨中段皮質骨面積、皮質骨面積百分比、骨髓腔面積百分比。
1.6 骨礦密度(BMD)測定 用QDR2000型HOLOJAC雙光子骨密度儀測量四肢骨與胸腰部椎體骨礦密度，變異系數≤ 3 %。測量時，將各離體骨按一定順序放入有機玻璃盒內，注入蒸餾水(以剛好蓋過所有骨面為宜)進行掃描。使用Regional high resolution QDR 4500小動物分析軟件。
1.7 骨生物力學測定 右股骨用微機控制電子萬能試驗機進行三點力學試驗，觀察最大應力。當外力作用于骨時，骨以形變產生內部的阻抗來抗衡外力，即骨產生的應力，用最大負荷力表示，單位為g/cm2。應變是指骨在外力作用下的變形，大小等于骨受力后長度的變化量，用最大負荷表示，單位為cm。測量時，調整兩個約束支架相距20mm，將兩個大鼠股骨比較均勻的部位放在兩個約束支架上，股骨的短軸與垂直方向平行，逐級加壓直至屈服，讀取導致屈服的負荷的數據。待測試件用生理鹽水保持濕潤，荷載測量精度為0.1N(牛頓)，變形測量精度為0.001mm。
1.8 血清降鈣素(CT)質量濃度測定 應用放免分析測定法。
1.9 統計學處理 所有數據輸入計算機，用SPSS 10.0統計軟件進行t檢驗和方差分析，結果以均值±標準差(±s)表示，檢驗水準α＝0.05，P
2 結
果
2.1 維甲酸誘導大鼠骨質疏松模型的結果
2.1.1 骨病理組織學 光鏡下皮質骨變薄，骨髓腔擴大，骨紋理變稀、變細；松質骨骨小梁密度降低，骨小梁面積百分比減少；皮質骨面積百分比降低，說明松質骨、密質骨骨量均減少，發生了骨質疏松(圖1)。圖1 實驗各組骨小梁（略）
2.1.2 鉬靶X線片在解剖鏡下觀察的結果 正常對照組10例，左脛骨及股骨骨皮質骨密度均勻致密，骨髓腔不寬，松質骨骨紋理粗細均勻(圖2A)。骨質疏松模型組9例，左脛骨及股骨骨皮質菲薄，部分吸收，骨髓腔增寬，松質骨骨紋理稀疏、變細(圖2B)。骨康寧組10例，左脛骨及股骨骨皮質骨密度不均勻，變薄有分層，骨髓腔稍增寬，松質骨骨紋理稀疏而粗細不均(圖2C)。雌激素組9例，左脛骨及股骨骨皮質變薄，骨髓腔稍增寬，松質骨骨紋理稀疏而粗細不均(圖2D)。圖2 各組大鼠脛骨及股骨鉬靶X線觀察結果（略）
2.2 骨康寧治療骨質疏松的效果
2.2.1 光鏡下骨病理組織學 與治療前相比，治療后骨康寧組和雌激素組大鼠股骨下端松質骨骨小梁數增多，骨小梁增寬，骨小梁間隙縮小，而骨質疏松模型組骨小梁數和骨小梁間隙變化不明顯(圖1略)。
2.2.2 骨組織形態計量學指標 松質骨：治療前與治療后相比，正常組、骨康寧組和雌激素組股骨下端松質骨的平均骨小梁數、骨小梁寬度和骨小梁面積百分比均顯著增加，而骨小梁間隙顯著縮小。治療60d后，骨康寧組平均骨小梁數、骨小梁寬度、骨小梁面積百分比與雌激素組、正常組比較無顯著性差異，但均高于骨質疏松模型組(表1)。表1 治療后60d各組大鼠松質骨形態學測量結果（略）
皮質骨：治療后，骨康寧組和雌激素組的皮質骨面積、皮質骨面積百分比增加，骨髓腔面積百分比減少，與正常組相比無顯著性差異。骨康寧組的骨髓腔面積百分比與正常組和雌激素組間無顯著性差異，但低于骨質疏松模型組(表2)。表2 治療60d后各組皮質骨組織形態測量比較（略）
2.2.3 鉬靶X線(解剖鏡下) 與骨質疏松模型組相比，治療后骨康寧組和雌激素組大鼠脛骨和股骨骨皮質骨密度增高，有分層，骨髓腔縮小，松質骨骨紋理粗細不均；無措施組大鼠脛骨X線表現與治療前相比，無明顯變化。
2.2.4 骨密度 股骨骨密度測試結果表明，治療后骨康寧組顯著高于骨質疏松模型組，與正常對照組及雌激素組相比無顯著性差異。椎骨骨密度測試結果表明，治療后骨康寧組與正常對照組及雌激素組相比，無顯著性差異，且均高于骨質疏松模型組(表3)。表3 各組大鼠骨密度檢測結果（略）
2.2.5 骨生物力學 藥物治療2個月后，大鼠左股骨結構力學及材料力學的變化如表4。最大應力為骨材料力學特性，本實驗表明，骨康寧治療組與骨質疏松模型組相比較有顯著性差異(P
2.2.6 血清降鈣素(CT) 各組大鼠喂養60d后，骨康寧治療組血清降鈣素質量濃度與骨質疏松模型組相比較有顯著性差異(P0.05，表4)。表4 各組大鼠骨生物力學和血清降鈣素(CT)測量結果（略）
3 討
論
骨質疏松模型的方法較多，由于維甲酸誘導具有操作簡單、成功率高和骨質疏松表現典型、易于進行給藥觀察等優點而被較廣泛使用。目前認為維甲酸主要是通過激活破骨細胞的分化、增殖，損傷大鼠卵巢，雌激素分泌減少，雌激素對破骨細胞的抑制作用減弱，促進骨吸收作用而誘導大鼠骨質疏松。本實驗大鼠維甲酸灌胃15d后，股骨松質骨骨小梁密度降低、稀疏，小梁面積百分比減少，骨髓腔擴大；皮質骨厚度呈減低趨勢，皮質骨面積百分比降低，表明松質骨、皮質骨骨量減少，大鼠骨質疏松模型復制成功。
目前，骨質疏松癥的常用診斷方法有X線照相法、X線吸收法、光子吸收法、骨組織形態計量學方法、超聲診斷法、骨生物力學法等，它們各自有優缺點。一般的X線片，只有在骨量減少達到骨總量的30%-40%時才能顯示骨質疏松的征象，因此單純X線檢查對早期診斷骨質疏松的意義不大，但是當骨質疏松發展到一定程度時，根據目測脊柱形態、骨質密度、皮質厚薄及骨小梁的形態等，仍可做出診斷依據。骨密度的測定常被用于評定骨脆性和對骨折危險性進行預測，但大量的動物實驗和臨床研究的結果表明，單純骨礦物鹽含量的增加，骨質量并不一定相應的增加，有時反而降低。骨生物力學是生物力學的分支，它以工程力學的理論為基礎，研究骨組織在外界作用下的力學特性和骨在受力后的生物學效應，是對骨質量進行評定的一種較可靠方法。因此，在骨質疏松的診斷中應采用多種方法綜合判斷。本研究采用多種方法，觀察骨康寧治療維甲酸誘導骨質疏松的效果，結果顯示：X線檢查表現為骨康寧組大鼠骨皮質較骨質疏松模型組增厚，骨小梁增多；骨組織計量學分析顯示骨康寧組平均骨小梁數、骨小梁面積百分比和皮質骨面積百分比顯著高于骨質疏松模型組，而平均骨小梁間隙和髓腔面積百分比顯著低于骨質疏松模型組；股骨和椎骨骨密度測試結果表明，骨康寧組顯著高于無措施組，而與正常對照組及雌激素組相比無顯著性差異；骨生物力學結果提示中藥骨康寧可明顯提高大鼠左股骨骨結構力學及材料力學特性，客觀地反映了中藥骨康寧治療維甲酸誘導骨質疏松的效果。
降鈣素(CT)由甲狀腺C細胞(濾泡旁細胞)產生，降鈣素對骨的作用是抑制破骨細胞的數量和活性，直接抑制骨質吸收。降鈣素可直接作用于破骨細胞受體，使細胞內Ca2+轉入線粒體，抑制破骨細胞的活性，還能抑制大單核細胞轉變為破骨細胞，從而減少骨吸收。降鈣素的這種抑制骨吸收的作用，在整體動物和骨細胞培養實驗中均已得到證實。從本實驗結果可知，骨康寧能明顯增加大鼠血清降鈣素的質量濃度，說明中藥骨康寧能通過增加血清降鈣素質量濃度而發揮抑制骨吸收的作用。
綜合上述，本研究采用影像與病理對照研究，觀察骨康寧治療維甲酸誘導骨質疏松的效果，結果表明骨康寧對大鼠骨質疏松有一定的防治作用，其分子生物機制將有待于進一步的研究。
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篇10
【摘要】
目的 評價踝關節骨折修復下脛腓前韌帶的生物力學穩定性。方法 采集國人新鮮足標本一具，截取踝關節以上15 cm下肢小腿橫行截斷，暴露下脛腓前韌帶。載荷實現分級加載，選用小腿極限載荷(踝關節負重力為4.5 BW)20％作為生理載荷，即以0、100、200、300、400、500 N為分級載荷。萬能材料試驗機(WD5)的加載速率為1.40 mm/min，以準靜態方式加載，載荷施加于下肢脛腓骨上。并模擬足運動中立位、跖屈位(30°)、背屈位(20°)、旋后外旋位等四種生理運動狀況，正常足及切除下脛腓前韌帶測定踝關節的應力變化、距骨的移位變化及軸向剛度數據。結果 標本在正常足及切斷下脛腓前韌帶的不同功能位上，踝關節的應力變化、距骨的移位變化及軸向剛度，統計學有顯著性差異(P＜0.05)。結論 在對內、外踝滿意固定后，下脛腓前韌帶的修復能更好恢復踝關節的生物彈性，最大限度恢復其原來的結構和功能，避免晚期創傷性關節炎的發生。
【關鍵詞】 下脛腓前韌帶 生物力學 踝關節骨折
Abstract：Objective To evaluate the biomechanical stability of restoration of anterior lower tibiofibular ligament in ankle fracture.Methods Collect a fresh foot sample of Chinese，cut off transversely of the shank 15 cm above the ankle joint，operate carefully around the ankle joint as per the clinic procedures，to expose the anterior lower tibiofibular ligament，calcaneofibular ligament，anterior and posterior talofibular ligament for the test.The entire structural simulation is based on the fresh foot sample of normal human corpse and in the phased loading，with 20％ of the shank limit load(the bearing capacity of ankle joint at 4.5 BW) as the physiological load，i.e.the phased load of 0，100，200，300，400 and 500N.The loading rate of the universal material tester (WD5) is 1.40 mm/min，and with the quasistatic loading mode.The load is applied on tibiofibular bone of the shank to simulate the 4 physiological movement status of the foot，i.e.neutral position，metastarsal bending position(30°)，posterior bending position(20°) and esternally rotated position.The normal foot and amputation of anterior lower tibiofibular ligament was used to test the stress change of ankle joint，displacement and axial rigidity of astragalus.Results The sample is placed in the different functional positions of the normal foot and when cutting off anterior lower tibiofibular ligament，it is significantly different in the stress change of ankle joint，displacement and axial rigidity of astragalus and in 2 status(normal foot and cutting off anterior lower tibiofibular ligament)(P＜0.05).Conclusion Upon the satisfactory fixation of the interior and exterior ankle，restoration of anterior lower tibiofibular ligament can better restore the biological flexibility of the ankle joint，maximally recover its original structure and function and avoid the occurrence of late traumatic arthritis.
Key words：anterior lower tibiofibular ligament；biomechanics；ankle fracture
踝關節骨折、脫位是創傷骨科常見的一種損傷［1］。目前認為，三角韌帶、下脛腓全部韌帶及部分骨間膜同時損傷時可出現下脛腓分離、距骨向外脫位。然而，臨床上占多數的WeberB(旋后外旋)型踝關節骨折，在距骨的強力外旋下，首先產生的是下脛腓前韌帶損傷，隨后產生外踝的螺旋骨折。由此看來下脛腓前韌帶對踝關節的穩定作用是不容忽視的。
我院自1999年以來，對該類骨折在內、外踝的堅強固定基礎上，常規探查修復下脛腓前韌帶，取得了良好效果。在此基礎上進行針對下脛腓前韌帶的生物力學研究。本研究對下脛腓前韌帶在完整和損傷踝關節標本上進行生物力學實驗［2］，觀察下脛腓前韌帶的損傷，對踝關節穩定性的影響，為臨床提供可靠的科學依據。
1 材料與方法
1.1 標本來源及制作 采集國人新鮮足標本1具，截取踝關節以上15 cm下肢小腿橫行截斷。大體測量標本尺寸(見表1)。并進行X線正側位攝片，確認無疾病，無踝關節損傷、先天性畸形、骨折、嚴重退行性變等病理性變化，在小腿上部切除肌肉暴露脛腓骨并用骨水泥固定做上端夾具。按照臨床方法在踝關節周圍小心行手術，暴露下脛腓前韌帶、跟腓韌帶、距腓前韌帶和后韌帶備用。同時制作足踝運動夾具，固定足底，能達到足的三維運動允許進行伸、屈、旋轉和外翻活動。
標本制作完成后立即進行生物力學實驗，實驗結束或轉換另一實驗需維持新鮮狀態，用雙層塑料袋在－30℃冰柜內保存。在下一實驗前，需24 h解凍后進行其他實驗，注意冷凍保持足始終維持中立位狀態。表1 新鮮國人下肢尸體標本的一般資料
1.2 實驗力學模型的建立 所有實驗標本在結構模擬、載荷、高度、材料力學性質、加載方式上均保持一致，以提供精度［3］。全部結構模擬均以正常人尸體新鮮足標本為標準，載荷實現分級加載，選用小腿極限載荷(踝關節負重力為4.5 BW)20％作為生理載荷，即以0、100、200、300、400、500 N為分級載荷。萬能材料試驗機(WD5)的加載速率為1.40 mm/min，以準靜態方式加載，載荷施加于下肢脛腓骨上，并模擬足運動中立位、跖屈位(30°)、背屈位(20°)、旋后外旋位等四種生理運動狀況，正常足及切除下脛腓前韌帶觀察踝關節失穩情況。
標本實驗前，應對標本的踝關節結構中距骨、脛骨遠端、腓骨遠端進行材料力學性質測量［3］，測量結果如表2所示。在測試時用等滲鹽水紗布濕敷，以免標本干燥。踝關節的位置模擬步態站立相的中期(約為步態周期的28％)，此時為單肢負重中期，踝關節處于中立位(90°)，負重約為一倍體重左右(設60 kg)，加載每次持續5 s。
實驗前在內踝、脛腓骨遠端前方、外踝和脛腓骨遠端后方A、B、C、D四處粘貼電阻應變片，用以測量踝關節內外踝負重應變變化規律，并在踝關節脛骨、腓骨、距骨設測量位移標記點a、b、c。所有這些應變測試和位移測試應進行應變溫度補償、防潮處理，以保證每具標本具有良好的傳導性和高靈敏度。表2 踝關節距骨、脛腓骨的材料力學性質測量結果
1.3 生物力學測試 一切準備就緒后，將應變片接入YJK14數字式電阻應變儀，實驗前應予載50N以消除骨的時間效應，即骨的松弛、蠕變等粘彈性影響。實驗時依次加載100 N等級，控制好機器速率1.40 mm/min，按不同生理運動情況循環加載，依次切斷踝關節相關韌帶，測量踝關節的應變、移位變化和穩定性［4］。
1.4 數據處理 將所有數據通過統計學方法計算各參數均值及標準差，用統計分析軟件SPSS 11.0方差分析進行評價，確定P＜0.05為有顯著性差異。
2 結
果
標本在正常足及切斷下脛腓前韌帶兩種狀態下的不同功能位上，踝關節的應力變化、距骨的移位變化及軸向剛度，均有統計學的顯著性差異(P＜0.05)。詳細情況見表3～6。
3 討
論
3.1 實驗結果分析
3.1.1 踝關節在不同功能位下的應力變化 正常足在中立位時內、外踝上的應變分別為(21±1.30) uε和(189±12.28) uε，脛腓前、后關節上應變分別為(142±9.23) uε和(78±5.09) uε。當足處于背屈20°狀態下，內、外踝上應變比中立位分別增加29％和34％，在脛腓前、后關節上分別增加5％和38％。當足處于跖屈30°狀態，內踝應變比正常中立位增加78％，外踝應變未增加，而在脛腓前、后處，特別在后部應變表3 正常踝關節不同生理運動位置時應變值情況表4 下脛腓前韌帶損傷情況下踝關節不同生理運動位置時應變值情況表5 踝關節下脛腓前韌帶損傷時不同功能位的距骨移位變化情況 表6 踝關節在不同功能位下脛腓前韌帶損傷時的軸向剛度情況增加78％，有明顯變化。當足處于旋后外旋狀態時，內踝應變增加74％，外踝應變反而減小，在脛腓聯合前、后處應變增加明顯，達到72％。這說明此狀態踝關節受力增大，應變增加明顯，容易導致失穩。
手術切斷下脛腓前韌帶后，足在不同功能位上的應力變化比正常足在功能位上的應變起了明顯的變化。此時在中立位，內外踝的應變增加不明顯，而在脛腓前后聯合處應變比正常時分別增加了38％和69％(P＜0.05)，增加很明顯。當足處于背屈20°狀態下，內外踝上應變增加同樣不明顯，相反有所下降，而在脛腓聯合前后處分別增加48％和69％(P＜0.05)，應變增加十分明顯。當足處于跖屈30°狀態，同樣內外踝上應變變化不明顯，而在脛腓聯合前后處應變分別增加50％和29％(P＜0.05)，增加明顯。當足在內翻外旋位時，這時對外踝應變影響明顯，應變增加74％(P＜0.05)，而內踝影響不明顯(僅10％)，在脛腓聯合處前后應變反而減小26％和18％(P＜0.05)，但均有所影響。此時踝關節處于半失穩狀態。
3.1.2 踝關節在不同功能位下脛腓前韌帶損傷距骨的移位變化 在正常足負重時，即踝關節500 N作用下，足處于中立位時，踝關節距骨的移位，即距骨的縱向垂直移位和水平方向移位分別為(1.86±0.12) mm和(0.26±0.02) mm；當足處于背屈20°時，其移位分別比中立位大5％和7％；當足處于跖屈30°時，其移位分別比中立位大6％和76％。但當足在旋后外旋位時，其距骨移位分別達到(2.07±0.17) mm和(1.30±0.11) mm，比中立位分別高10％和80％，距骨來回晃動在水平方向比較大。
當下脛腓前韌帶損傷之后，使距骨與脛骨接觸不再十分密切，間隙增大，增大了距骨產生水平移動和垂直移動引起的轉動。在損傷狀態下，足處于中立位時，其距骨的位移分別為(2.04±0.16) mm和(0.29±0.02) mm，比足踝韌帶完好無損狀態下的中立位位移增大9％和10％(P＜0.05)，背屈20°時比正常足背屈20°時的位移分別增大8％和18％(P＜0.05)，跖屈30°時比正常足的位移分別增加8％和26％(P＜0.05)，在旋后外旋狀況下，比正常足的位移分別增加11％和20％(P＜0.05)，位移明顯增大足踝關節開始處于不穩定狀態，以實驗中觀察到距骨運動范圍明顯增大。
3.1.3 踝關節的軸向剛度 正常足踝關節的軸向剛度在中立位時為(268.81±17.50) N/mm，背屈20°時為(284.09±19.90) N/mm，跖屈30°時為(252.53±19.22) N/mm，旋后外旋位時為(241.55±19.40) N/mm，此時的軸向剛度完全能滿足人體各種功能運動所需的剛度要求，足踝關節是相當穩定、堅固。
但當下脛腓前韌帶切除之后，踝關節的軸向剛度有了變化，明顯出現下降趨勢。這表示它抵抗變形能力衰減，即使在中立位時軸向剛度也下降了9％，其他不同功能位下降了8％～11％，與正常相比有一定的差異(P＜0.05)。
3.2 WeberB踝關節骨折現有術式及優缺點 在20世紀60年代，學者們認為構成踝穴的內踝極其重要，因此在治療時，把重點放在內踝上。20世紀70年代起，人們逐漸覺察到外踝是治療關節損傷的關鍵。隨著對踝關節骨折的深入研究，腓骨的重要性也更加明顯［5］。踝關節的穩定，需要結構完整的踝穴，而踝穴又依賴下脛腓聯合保持其完整性。此外證實腓骨骨折后的短縮和外側移位是發生骨關節炎最常見的原因。目前優先整復腓骨骨折的移位，然后再整復內踝和下脛腓韌帶聯合，已成為手術的常規程序［6］。榮國威等［7］通過尸體標本分別觀察下脛腓韌帶、骨間膜、腓骨、內踝和三角韌帶等損傷與下脛腓聯合分離的關系，結果表明形成下脛腓分離必須具備三個條件，即內踝或三角韌帶損傷、下脛腓韌帶損傷、腓骨與骨間膜在同一水平的損傷。將內踝與腓骨內固定以后，即使施加外翻、外旋應力，也不會出現下脛腓分離。因此，如果內側損傷是內踝骨折所致，可將內踝與腓骨行內固定治療，而不需要進行下脛腓聯合固定。
目前廣泛接受的觀點是，下脛腓聯合分離不應當行堅強固定，以往曾流行的下脛腓關節融合或者用拉力螺釘固定下脛腓聯合都是不可取的。因為這將限制腓骨相對于脛骨干的位移和旋轉，從而影響踝穴對距骨的順應性調節［8］。WeberB型踝關節骨折即LangeHansen分型的旋后－外旋型，距骨的外旋使外踝受到向后向外的應力，使下脛腓前方的韌帶受力最大。下脛腓前方的分離是下脛腓聯合的部分斷裂，就像展開一本書一樣［9］。外踝的解剖復位固定，必然使下脛腓聯合復位，經距骨受傷時的慣性外旋依然作用于下脛腓前韌帶，勢必造成距骨的輕度外移及踝關節不穩定。因為距骨外移1 mm能減少20％～40％脛距關節負重面的作用，移位5 mm能減少80％的作用，關節負重時會疼痛，長時間導致創傷性關節炎［10，11］。
3.3 WeberB踝關節骨折修復下脛腓前韌帶的臨床意義 通過臨床實踐及生物力學研究，作者認為在對內、外踝滿意固定后，下脛腓前韌帶的修復能更好恢復踝關節的生物彈性，最大限度恢復其原來的結構和功能，避免晚期創傷性關節炎的發生。
