质构仪在骨生物力学检测中的应用
骨科生物力学的发展及应用
骨科生物力学的发展及应用骨科生物力学是一门研究骨骼系统力学性能及其应用的学科。
通过对力学原理的应用，骨科生物力学研究能够帮助我们深入了解骨骼系统的力学特性，并为骨科疾病的预防、诊断和治疗提供了重要的理论依据和技术手段。
下面将从骨科生物力学的发展历程和应用方向两方面进行详细阐述。
骨科生物力学的发展历程可以追溯到20世纪50年代，在这个阶段，骨科生物力学主要应用于骨折修复和骨移动研究。
然而，随着科技的进步和对骨骼系统深入研究的需求，骨科生物力学逐渐得到了广泛应用和研究。
在研究方法方面，骨科生物力学主要借助于实验研究和计算模拟两种方法。
实验研究通过对骨骼力学性能的测量，例如骨骼的刚度、强度、疲劳性等参数的测试，来研究不同病态骨骼的机械特性。
计算模拟则通过计算机仿真技术，建立数学模型来模拟骨骼受力情况和相应的力学响应。
两种方法相互结合，可以更准确地研究骨骼系统的微观和宏观力学特性。
骨科生物力学的应用领域包括骨折修复、人工关节置换、骨肉瘤治疗、骨质疏松症等。
首先，骨科生物力学在骨折修复中起着重要作用。
通过对不同骨折类型和治疗方法的生物力学分析，可以选择最佳的骨折治疗方案，如内固定术、外固定术和骨折愈合促进剂的应用。
其次，骨科生物力学在人工关节置换中也具有重要意义。
通过人工关节的生物力学研究，可以改善人工关节设计，提高其稳定性和耐用性，减少患者术后并发症的发生。
此外，骨科生物力学对于骨肉瘤治疗也有重要作用。
通过研究肿瘤骨的生物力学特性，可以制定相应的骨肉瘤治疗方案，并评估治疗效果。
最后，骨科生物力学在骨质疏松症的预防和治疗中也发挥重要作用。
通过研究骨质疏松症患者的骨骼力学特性，可以预测骨折风险，并制定相应的预防和治疗策略。
除了以上应用领域，骨科生物力学还广泛应用于骨骼生长发育研究、骨骼退行性疾病研究、运动损伤防治、人体姿态评估等方面。
通过骨骼生长发育研究，可以揭示生长发育过程中骨骼力学行为的变化规律，为儿童骨骼发育提供科学依据。
质构仪原理及应用
质构仪原理及应用以质构仪原理及应用为题，本文将介绍质构仪的工作原理和应用。
一、质构仪的工作原理质构仪是一种用于测试物料的流变性质和力学性能的仪器。
其工作原理基于物料在受力作用下的变形行为。
质构仪通过施加力或变形到物料上，并测量物料的应力-应变关系来评估其流变性质和力学性能。
质构仪的工作原理可以分为以下几个关键步骤：1. 施加力或变形：通过质构仪的机械结构，施加不同的力或变形到测试样品上。
这些力可以是剪切力、挤压力、拉伸力等，也可以是变形速率、应变等。
2. 测量应力：通过传感器或负荷细胞，质构仪可以测量施加到样品上的应力。
应力是物料受力情况的量化指标，可以反映物料的强度和变形能力。
3. 测量应变：质构仪还可以通过位移传感器或应变计等设备来测量样品的应变。
应变是物料在受力作用下发生的变形量，可以衡量物料的变形性能。
4. 计算力学性能参数：通过测量的应力和应变数据，质构仪可以计算出物料的力学性能参数，如剪切模量、弹性模量、屈服强度等。
这些参数可以用来评估物料的流变性质和力学性能。
二、质构仪的应用质构仪在许多行业中广泛应用，特别是食品、化妆品、医药、塑料、纺织、建筑材料等领域。
以下是质构仪的一些常见应用：1. 食品行业：质构仪可以用于测试食品的口感和质地。
通过测量食品的硬度、弹性、黏性等参数，可以评估食品的咀嚼性和口感特性，对食品的质量控制和产品研发具有重要意义。
2. 化妆品行业：质构仪可用于测试化妆品的质地和稳定性。
通过测量化妆品的粘度、弹性、流动性等参数，可以评估产品的质地感和使用体验，对产品研发和质量控制起到关键作用。
3. 医药行业：质构仪可用于测试药物的溶解性和释放性。
通过模拟人体消化过程，测量药物在不同环境下的变形行为，可以评估药物的溶解性和释放性能，为药物研发和剂型设计提供参考依据。
4. 塑料行业：质构仪可用于测试塑料的力学性能和加工性能。
通过测量塑料的强度、刚度、延展性等参数，可以评估塑料的力学性能和加工性能，为塑料制品的设计和生产提供依据。
研究补肾方药对去势大鼠骨质疏松模型骨生物力学性能的影响应注意的几个问题
中医正骨2009年7月第21卷第7期(总517)#综述#研究补肾方药对去势大鼠骨质疏松模型骨生物力学性能的影响应注意的几个问题李根林1,尹君1,杜志谦2(1.河南中医学院,河南郑州450008;2.河南省洛阳正骨医院,河南洛阳471002)关键词补肾药骨质疏松生物力学骨质疏松症是一种常发生于中老年的难治性疾病。
目前,很多实验从骨量减少与骨结构改变角度观察评价骨质疏松及其并发症,而骨量减少、骨组织结构改变都直接地影响骨的生物力学性能,因此骨的生物力学性能是评价骨质疏松的一个重要而特殊的指标[1]。
许多学者就补肾方药对去势大鼠骨质疏松模型骨的生物力学影响做了大量的研究,但由于实验条件和实验水平参差不齐,实验结果的可比性较差。
为更加科学、客观、系统而深入地研究补肾方药防治骨质疏松的作用机理,笔者提出如下几个问题加以探讨。
1骨密度、骨生物力学性能与骨质疏松症的关系骨密度是骨矿代谢中量化骨量的重要指标,研究表明骨量的增加与减少虽然与骨的生物力学性能的变化趋势一致,但其变化幅度却相差较大,这说明骨量是影响骨的力学性能的重要因素,但不是唯一因素,还有其他潜在因素在发挥着重要作用[2]。
骨质量包括骨的结构、骨量和骨的强度3个方面,测定骨组织在外力作用下的力学特性和骨在受力后的生物学效应,是对骨质量进行评定的一种可靠方法。
杨林等[3]指出骨质密度的变化和反映骨质量的生物力学性能指标的变化的总体方向一致,呈正相关。
但骨质密度的变化幅度和相应的生物力学指标的变化幅度在各组之间仍有较大差别。
这说明骨质密度不能全面正确地描述骨质量,而而只是影响骨质量的因素之一。
骨生物力学是研究骨组织在外力作用下的力学特性及受力后的生物学效应,是骨量、骨结构及骨质量的综合反映[4]。
开展骨生物力学实验研究,不但有助于对骨质量进行直接的评价,而且也是评定各种对抗骨丢失措施的最佳方法之一[5]。
决定骨的生物力学性能的要素主要有3个:骨的构成材料的/质0和/量0以及骨的结构。
骨科生物力学研究的测量方法学专家共识
结论
骨科急性骨丢失是一个严重影响患者康复和生活质量的疾病。本共识旨在为 防治骨科急性骨丢失提供实用的建议和指导。通过制定统一的诊断标准、探索有 效的治疗方法以及重视预防措施，我们希望为临床医生和研究者提供更多帮助， 推动骨科急性骨丢失防治研究的深入发展。
然而，本共识仍存在一定的局限性。例如，对于具体的诊断标准和治疗方法 的确定需要进一步的研究和验证。我们希望未来的研究能够以下几个方面：
结论
骨科生物力学研究的测量方法学是保证研究质量的关键因素之一。本次演示 通过对测量方法的分类、选择、使用原则、数据处理和结果分析以及误差控制和 质量评估进行详细探讨，为相关研究提供了一份具有指导意义的专家共识。在未 来的研究中，应进一步新型测量技术的发展和应用，加强测量方法学的标准化和 规范化，以提高骨科生物力学研究的准确性和可靠性。
1、深入研究骨科急性骨丢失的发病机制，以便更好地制定预防和治疗策略。
2、针对不同病因和病情严重程度的患者，研究个体化的治疗方案，提高治 疗效果。
3、结合现代科技手段，如人工智能、生物技术等，开发更加精准和有效的 诊断和治疗手段。
4、加强国际合作与交流，共同推进骨科急性骨丢失防治研究的进步。
总之，通过本专家共识，我们希望能够提高大家对骨科急性骨丢失的认识和 重视程度，促进相关研究的深入发展，为患者带来更好的医疗服务和康复效果。
骨科生物力学是骨科领域中不可或缺的一部分，它研究的是骨骼、关节和肌 肉在运动和静止状态下的生物力学特性，以及这些特性对人类骨骼系统和骨科疾 病的影响。随着骨科技术的不断发展和人们对骨科疾病认识的深入，骨科生物力 学研究也在不断进步和发展。
骨科生物力学研究的发展历程可以追溯到20世纪初，当时的研究主要集中在 简单的静态力学和材料力学方面。随着计算机技术和有限元方法的发展，骨科生 物力学研究得到了更广泛的应用。21世纪初，随着骨科临床实践的不断增加和人 们对骨科疾病认识的深入，骨科生物力学研究开始向更为复杂和精细化方向发展。
骨骼生物力学实验报告
骨骼生物力学实验报告一、实验目的本实验旨在研究骨骼在不同载荷和运动条件下的力学性能，包括强度、刚度、韧性等方面，以深入了解骨骼的生物力学特性，为骨骼疾病的诊断、治疗和康复提供理论依据，同时也为仿生材料和医疗器械的设计提供参考。
二、实验原理骨骼是一种复杂的生物材料，其力学性能受到多种因素的影响，如骨的结构、成分、密度、几何形状等。
在实验中，我们通过施加不同类型和大小的载荷，测量骨骼的变形、应力和应变等参数，利用材料力学和生物力学的理论和方法，分析骨骼的力学行为。
三、实验材料与设备（一）实验材料1、新鲜的猪股骨和胫骨若干，取自当地屠宰场。
2、标准的金属夹具和加载杆。
（二）实验设备1、万能材料试验机（型号：＿____），最大载荷为_____kN，精度为_____%。
2、高精度位移传感器（型号：＿____），测量精度为_____mm。
3、应变片（型号：＿____）及其配套的测量仪器。
四、实验方法（一）标本制备1、将新鲜的猪股骨和胫骨去除附着的软组织和肌肉，保留骨膜。
2、将骨骼切割成适当长度的试件，确保两端平整且垂直于骨的长轴。
（二）实验步骤1、将试件安装在万能材料试验机的夹具上，确保加载方向与骨的长轴一致。
2、以一定的加载速率（＿____mm/min）对试件施加轴向压缩载荷，直至试件破坏。
3、在加载过程中，通过位移传感器和应变片实时测量试件的变形和应变。
4、记录载荷位移曲线和应力应变曲线，以及试件破坏时的最大载荷和破坏模式。
（三）数据处理1、根据载荷位移曲线和试件的初始尺寸，计算出试件的应力和应变。
2、利用材料力学的公式，计算出骨骼的强度（如抗压强度）、刚度（如弹性模量）和韧性（如断裂功）等力学参数。
五、实验结果（一）载荷位移曲线不同试件的载荷位移曲线呈现出相似的趋势。
在加载初期，曲线呈线性增长，表明骨骼处于弹性变形阶段；随着载荷的增加，曲线逐渐偏离线性，进入塑性变形阶段；最终，当载荷达到最大值时，试件发生破坏，曲线急剧下降。
质构仪在药物制品物性分析中的广泛应用
质构仪在药物制品物性分析中的广泛应用在药品开发过程中，硬度、黏附性、延展性等药品物性特征的测定评价，是优化制剂处方和生产工艺的基础，同时也是药品质量评价和掌握的关键指标。
以临床应用中常使用泛的药品片剂为例，药片的处方组成简单，质地结构坚硬，在药品的压制、成型、包衣生产加工，药品运输、储存，以及成型后药片在人体体内的崩解、溶出或释放、体内疗效，一系列的过程均与药品的微观结构和机械性能息息相关。
然而，在当前药品开发及工业生产中，药物制剂的物性参数测定方法仍存在肯定局限性。
例如，对于固体制剂，硬度计、脆碎度仪、崩解仪等力学性能测定设备测量得到的参数通常为表观指标，无法反映固体制剂内部微观结构变化；对于半固体制剂，目前尚无完整的物性特征测定方法，导致制剂性能评价存在困难。
针对目前检测方法的不足，亟需探究新仪器，以建立科学合理的物性特征测试方法。
济南赛成自主研发生产的TA-3000质构仪，是我公司推出的针对医药行业，在片剂、锭剂、丸剂、胶囊剂、膏剂、栓剂、医用辅料等方面测试的专业物性分析仪，能以数据客观反映药物样品的各种物理特性参数，如硬度、坚实度、弹性、韧性、脆碎度、咀嚼度、胶着性、粘着性等，其结果具有较高的精确性、灵敏性与稳定性。
TA-3000质构仪TA-3000质构仪在医药领域的应用特别广泛，可以测定片剂、锭剂、胶囊剂、颗粒剂、薄膜剂、丸剂、膏剂、栓剂、凝胶剂、糖浆、乳糖、喷雾剂、汲取剂、稀释剂、胶带、注射针头、注射器、绷带、膜材料、骨骼替代材料、包装材料等样品的物性指标。
依据药物制品的自身特性，质构仪有多种探头和多种分析模式可供选择，不同物性参数可结合多种数据分析手段以达到讨论目的。
固体制剂的物性测试固体制剂包括片剂、锭剂、胶囊剂、颗粒剂、薄膜剂等。
TA-3000质构仪可以通过对固体制剂的穿刺、压缩、剪切、拉伸等应力及应变的测试和综合分析,从而得到药品制剂的硬度、脆性、压缩性、剪切强度、坚实度、内聚性、黏附性、崩解率等指标，进而可全面指导固体药品的处方和工艺设计及释药机制讨论。
医疗器械产品的人体生物力学模拟与验证
医疗器械产品的人体生物力学模拟与验证在当今医疗器械领域，为确保产品的安全性和有效性，人体生物力学模拟与验证成为至关重要的一环。
本文将探讨医疗器械产品在设计和开发过程中，人体生物力学模拟与验证的意义、方法以及应用。
一、意义人体生物力学模拟与验证是指利用计算机仿真技术和实验验证手段，模拟人体生物力学特性，评估医疗器械产品在人体内的性能表现。
其意义在于：1. 确保产品安全性：通过模拟人体组织、器官的力学特性，可以预测产品在使用过程中可能出现的异常情况，降低潜在风险，确保患者安全。
2. 提高产品有效性：通过验证产品在人体内的性能表现，可以优化设计，提高治疗效果和手术成功率。
3. 减少临床试验成本：合理的生物力学模拟与验证可以减少临床试验的次数和周期，节约成本，加快产品上市速度。
二、方法医疗器械产品的人体生物力学模拟与验证主要包括以下几种方法：1. 计算机仿真：利用有限元分析、多体动力学等计算机仿真技术，建立人体组织、器官的模型，模拟产品在不同工作条件下的受力情况，预测其性能表现。
2. 实验验证：通过体外实验、动物实验等手段，验证产品在实际生物体内的性能表现，包括力学性能、生物相容性等。
3. 临床验证：在临床实践中对产品进行验证，观察其在真实患者身上的效果和安全性，收集临床数据进行分析。
三、应用医疗器械产品的人体生物力学模拟与验证广泛应用于各个领域，包括但不限于：1. 手术器械：如手术刀、钳子等，在设计和开发阶段通过模拟和验证，确保其在手术操作中的灵活性和精准度。
2. 植入式器械：如人工关节、心脏起搏器等，在模拟人体组织受力情况后进行验证，确保其在植入后的稳定性和耐久性。
3. 医疗设备：如医用影像设备、治疗仪器等，在模拟人体组织的物理特性后进行验证，确保其对人体的影响和治疗效果。
结语人体生物力学模拟与验证是医疗器械产品设计和开发过程中不可或缺的环节，其意义在于确保产品的安全性和有效性，方法包括计算机仿真、实验验证和临床验证，应用范围涵盖手术器械、植入式器械和医疗设备等多个领域。
骨骼生物力学实验报告
骨骼生物力学实验报告一、实验目的本实验旨在研究骨骼在不同力学条件下的性能和响应，以深入了解骨骼的生物力学特性，为骨骼相关疾病的诊断、治疗和预防提供理论依据。
二、实验材料与方法（一）实验材料选取新鲜的猪股骨若干，确保其完整性和无明显的损伤或病变。
（二）实验设备1、万能材料试验机：用于施加各种力学载荷。
2、高精度位移传感器：测量骨骼的变形量。
3、数据采集系统：记录实验过程中的力学数据和位移数据。
（三）实验方法1、样本制备将猪股骨去除附着的软组织，切割成一定长度的试件，两端进行平整处理，以确保在实验中受力均匀。
2、实验过程（1）压缩实验将试件置于万能材料试验机的加载平台上，以一定的加载速度施加轴向压缩载荷，直至试件破坏。
记录加载过程中的载荷和位移数据。
（2）三点弯曲实验将试件放置在三点弯曲夹具上，在跨中位置施加垂直向下的载荷，同样以一定的加载速度进行加载，直至试件断裂。
记录相应的数据。
（3）扭转实验使用特制的扭转夹具固定试件的两端，施加扭转力矩，逐渐增加扭矩直至试件破坏，记录扭矩和扭转角度的数据。
三、实验结果（一）压缩实验结果在压缩实验中，随着载荷的增加，猪股骨试件逐渐发生压缩变形。
最初，变形较为缓慢，呈现出弹性阶段的特征。
当载荷达到一定值后，变形速率加快，进入塑性阶段，最终导致试件破坏。
通过数据分析，得到了猪股骨的抗压强度、弹性模量等重要力学参数。
（二）三点弯曲实验结果在三点弯曲实验中，试件在跨中位置承受载荷时，逐渐产生弯曲变形。
在加载初期，变形与载荷呈线性关系，表现为弹性行为。
随着载荷的继续增加，试件出现明显的弯曲和裂纹扩展，最终断裂。
通过实验数据计算出了弯曲强度和弯曲模量等参数。
（三）扭转实验结果在扭转实验中，试件在扭矩作用下发生扭转。
开始时，扭矩与扭转角度呈线性关系，随后进入非线性阶段。
最终，试件在达到一定的扭矩时发生扭断。
通过实验获得了扭转强度和扭转模量等数据。
四、结果分析与讨论（一）不同实验条件下的力学性能比较对比压缩、三点弯曲和扭转实验的结果，发现猪股骨在不同加载方式下的力学性能存在显著差异。
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・综述・质构仪在骨生物力学检测中的应用黄纪明 白树民 朱德兵 骨是由钙离子和磷所构成的羟基磷灰石结晶沉着于由胶原蛋白组成的基质上而成。
骨骼的质量主要由骨矿盐与骨基质之间的比例所决定[1],反映骨质质量的指标主要有骨骼的强度、弹性、刚度以及骨质的密度等。
所以判断骨骼质量的高低,需要测定其生物力学和骨矿盐密度等指标。
虽然骨矿盐密度常被用于预测骨折的危险度和评定骨脆性,但是仅有骨矿盐密度并不能准确反映骨质量的高低。
如单纯骨矿盐含量的增加,骨质量并不一定相应的增加,有时反而降低[2]。
骨生物力学是生物力学的分枝,它以工程力学的理论为基础,研究骨组织在外力作用下的力学特性和骨在受力作用后的生物学效应,是对骨质量评定的一种直接、客观并且可靠的方法[3]。
研究骨质量变化的最终目的在于研究骨骼力学强度的变化和再负荷时骨折发生的可能性大小,所以开展骨生物力学的研究,不但有助于对骨质量进行直接评价,也是评价各种对抗骨质丢失措施的最佳方法之一。
我们经过几年的探索,根据质构仪(Stevens quality and test systems,QTS225型,英国)的工作原理和特点,结合工程力学和理论力学的概念和方法,将其应用于骨生物力学的检测,建立了一套比较系统和成熟的检测骨骼生物力学指标的方法,并用于多项课题的研究[4],试验结果比较满意。
笔者对用质构仪所测定的骨生物力学常用的指标及意义、试验方法和注意事项等做如下报道。
11质构仪的构成和工作原理质构仪的主机与微机相连,主机上的机械臂可以随着凹槽上下移动,探头与机械臂远端相接,与探头相对应的是主机的底座,探头和底座有10几种不同形状和大小,分别适用于各种标本。
其工作原理是在主机的机械臂和探头连接处有一个力学感应器,能感应标本对探头的反作用力,并将这种力学信号传递给微机,在应用软件的处理下,将力学信号转变为数字和图形显示于显示器上,即直接快速地记作者单位:100094 北京,航天医学工程研究所录标本受力情况。
21质构仪检测骨标本的试验:(1)压缩试验(com pressive test):是一种测量骨力学性能的技术,常用于对椎骨的检测。
其优点是骨样本受力方向与生理状态相近,使用时简便。
缺点是如果与机器接触的标本面不平整,使质构仪对标本施加的力集中于某个局部,影响测定结果。
(2)拉伸试验(tensible test):能准确的测试皮质骨和松质骨的生物力学性状。
但该试验由于骨标本的受力方向与正常的生理状态受力方向相反,在研究中使用的较少。
(3)弯曲试验(bending test):该试验常用于测量长骨如胫骨和股骨的力学性能。
试验外力作用的方向垂直于标本,主要模拟长骨受到外力作用后,骨骼抵抗能力的大小,是目前试验室最常用的方法。
主要有3点弯曲(theree point bending test)和4点弯曲试验(four point bending test)。
4点弯曲试验由于要求各加压点上的力度必须相等,技术难度较大,一般不常用。
笔者将重点介绍3点弯曲试验。
31常用的检测指标(1)骨结构力学指标骨结构力学的概念是从工程力学中借用过来的。
用质构仪做的3点弯曲试验中,骨结构力学指标主要有最大载荷(maximum load)、最大挠度(maxi2 mum deformation)、弹性载荷(elastic load)、弹性挠度(elastic deformation)和能量吸收(energy abs orption)(载荷2变形曲线下的面积)。
前4项指标的数据直接由计算机提供,能量吸收由相应的公式计算获得。
这些指标主要反映骨结构力学特性的变化,其数值大小受骨粗细程度和几何形状的影响。
3点弯曲试验中,载荷(load)是指探头对受试对象施加的外力(g),弹性载荷是骨骼在弹性变形阶段所能承受的最大载荷。
如果骨骼的弹性载荷值变小,表明骨骼在外力负荷作用下更容易发生塑性变形,产生不可逆损伤。
最大载荷是骨骼所能承受的极限载荷,如果所施加的外力大于最大载荷,则发生骨折,对于受试骨而言,载荷越大越好。
挠度(deformation)是指探头接触到受试对象后所运动的距离(mm),是骨骼柔韧性指标,其数值的大小与骨基质胶原蛋白含量高低有关。
对于受试骨骼来说,单独考虑挠度并不能说明受试骨骼的质量,应根据具体的情况来综合分析。
如婴幼儿和骨质软化症病人骨骼中有机基质含量相对较高,矿物质含量相对较低,那么相应的挠度就大。
载荷与挠度的大小有时并不一致,有时载荷很大,但挠度反而较小,有时载荷小,但挠度大。
能量吸收是反映载荷和挠度的综合指标,表示探头以一定的力作用于受试骨,骨骼断裂之前,在于骨受力方向上移动的距离。
也就是骨骼吸收的探头对受试骨所做的功。
能量吸收数值越大,表明骨骼抗骨折能力越强。
(2)骨材料力学指标骨材料力学特性反映骨质组成成分以及空间结构变化对骨力学特性的影响。
由于骨结构力学的大小受骨的大小和几何形状的影响,如大鼠股骨较小鼠粗,测得的弹性载荷和最大载荷均较相同鼠龄的小鼠大,但这个数据并不能就说明大鼠股骨的质量就比小鼠高。
所以在对骨的质量分析时应将受试对象统一到相同水平,也就是将其标准化。
骨材料力学的指标就是在结构力学的基础上,综合骨的大小和骨截面惯性矩(cross sectional m oment of inertia)等因素经标准化后所得到的,他不但是比较骨质量高低的指标,而且还可以通过骨材料力学指标对骨结构力学的数值进行分析。
常用的骨材料力学的指标主要有骨应力(stress)、最大应力(maximum stress)和弹性应力(elastic stress),骨弹性模量(elastic m odulus)和骨强度(strength)等。
骨应力是指骨标本单位面积上所承受的载荷值(MPa,1N/mm2=1MPa)。
最大应力主要受骨骼无机相质量的影响,弹性应力主要受有机相质量的影响。
骨截面惯性矩是计算骨材料力学特性所必需的1个参数,反映围绕骨中轴骨量分布的状态,该参数随年龄的增加而降低。
弹性模量是指在载荷2变形曲线上,在屈服点之前直线上的斜率,也称之为杨氏模量(y oung’s m odulus)它反映骨质内在硬度的指标,其值不受骨尺寸大小的影响。
需要指出的是骨硬度(hardness)是指骨对变形的阻力,并不代表骨强度。
骨强度是指骨最大载荷值与每mm标本长度内矿盐含量的比值(或与骨矿盐密度mg/mm3的比值),表示骨的内在特性,与骨尺寸和几何形状无关,其单位常用单位长度内单位矿盐含量所承受的载荷值(N×mm×mg-1)表示:计算公式[5]:皮质面积(mm2)=π(B×b-H×h)/4;骨截面惯性矩(J)(mm4)=π/64×(B×H3-b×h3);弹性应力(N/mm2)=(弹性载荷×H×跨距)/(8×惯性矩);最大应力(N/mm2)=(最大载荷×H×跨距)/(8×惯性矩);弹性模量(E)(N/mm2)=(弹性载荷×跨距3)/ (48×弹性挠度×惯性矩);弹性能量吸收(N・mm)= 015×弹性载荷×弹性挠度式中B:骨外长轴直径(mm);b:内长轴直径(mm);H:外短轴直径(mm);h:内短轴直径(mm)。
41试验方法、步骤及注意事项常用的试验方法是3点弯曲试验和4点弯曲试验,3点弯曲试验主要是针对长骨如胫骨和股骨等骨骼所进行的生物力学试验。
下面介绍3点弯曲试验方法。
(1)骨标本的保存:目前认为保存骨标本的最好方法是用生理盐水浸透的纱布包裹标本,贮存于-20℃的冰箱中,也可以将骨标本浸泡于生理盐水中, -20℃保存,测定前取出,室温放置12h。
用该方法保存20d后对股骨生物力学特性影响不大。
(2)骨标本大小的测定:由于骨标本的结构力学特性与其形状大小有关,所以应对试验标本的内外径进行测定。
由于骨标本的形状不太规则,应对同一载面多方位测量,即测定骨标本断面的内外径。
但由于剪切力作用的存在,3点弯曲试验后,断面往往不齐,不容易测量骨标本外径。
我们在试验中根图1 骨干断端横截面示意图据经验,在做3点弯曲前,找到骨标本的容易断裂点再测量其外径,试验后在断裂面上测量其内径。
测量骨标本大小的指标主要有外长轴直径(B)、外短轴直径(H)、内长轴直径(b)和内短轴直径(h)等,见图1。
测定外长轴和外短轴直径的方法主要有2种:①游标卡尺法:在容易断裂的可能位点上,测量其外径最大和最小轴的数据,所测定的相应数据分别是骨标本的外长轴和外短轴直径。
②显微测量法:用牙科锯将骨标本断裂面处锯成规则的厚度为1～2mm的标本,置于带有刻度的显微镜下分别测量其最大值和最小值,所得值即是外长轴和外短轴直径。
由于显微测量法比较麻烦,并且也存在较大的测量误差,游标卡尺法比较简单方便,误差不比显微法测量大,所以我们常用游标卡尺法测定骨标本外长轴和外短轴直径。
内长轴和内短轴直径测定的方法也有2种:①直接用游标卡尺法或显微测量法测定,该种方法适用于对较大的骨标本的测定。
②测定骨壁的厚度(thickness),通过计算间接得到内长轴和内短轴的数据。
由于骨标本也存在厚度不一的情况,用游标卡尺测量时,应对骨标本断裂面上外长轴和外短轴的厚度分别测量,并分别求出长轴和短轴骨的平均厚度,如骨标本长轴一端的厚度是t1,另一端的厚度是t2,那么其平均厚度就是t1=(t1+t2)/2。
相应的计算公式:内长轴直径b=外长轴直径(B)-2×长轴平均厚度(t1);内短轴直径(h)=外短轴直径(H)-2×短轴平均厚度(t s)。
(3)3点弯曲试验:试验开始之前,设置弯曲试验跨距,通常跨距应为标本直径的16倍。
根据经验,对大鼠长骨而言,其跨距设置为15mm,小鼠长骨的跨距设为10mm。
之后将质构仪检测软件从计算机中调出,设置检测参数。
一般情况下大鼠长骨的加载速度为15mm/min,探头接触标本后继续运动215mm;小鼠长骨的加载速度为10mm/min,探头接触标本后继续运行2mm。
仪器调试正常后,将骨标本的宽面朝上,点击计算机界面上的运行按纽,开始弯曲试验。
在骨骼标本断裂后,计算机界面上出现曲线,见图2。
该曲线就是载荷2变形曲线,在该曲线上可以直接读出弹性载荷、弹性挠度、最大载荷和最大挠度等的数据。
在所读出的数据基础上,再结合骨骼的大小算出相应的骨材料力学指标数据。
51结果的统计分析所得到的计量资料用均值±标准差(x±s)表示各组结果,并进行t检验。
如果2组之间有显著性差异时,需要依据2组的结果进行进一步的分析,例如尾吊模拟失重组大鼠股骨弹性载荷和最大载荷都明显的低于地面自由对照组,表明悬吊大鼠股骨出现显著性退行性变化,说明模拟失重大鼠股骨抵抗外力负荷的能力降低,更容易发生骨折。