猪骨的生物力学研究

【摘 要】骨是有生命的器官，能够再生和自我修复，也是人体受力的主要载体。骨骼生物力学是生物力学的一个重要分支，它为生物科学作出了无数重大意义的贡献。但由于人体的不可随意破坏性，许多骨骼生物力学的研究不能在人体中进行研究，使用动物骨骼进行研究是常用的替代研究方法。本研究使用猪骨进行压力实验，以了解其对压力的承受能力，进而指导临床应用。

【关键词】骨骼；生物力学；运动医学

骨是人体的重要组织结构，能够支撑人体体重，参与运动及保护内脏器官。从生物力学角度看，骨是人体受力的主要载体。骨髂生物力学（orthopaedic biomechanics）则是以骨骼肌肉系统为对象，利用生物力学的方法将工程原理，尤其是机械力学原理的方法来解决骨科所遇到的问题，骨骼生物力学是生物力学的一个分支，它为生命科学及医学建立了无数重大的贡献。从生物力学的角度看，骨骼有强度、变形、稳定、疲劳等力学指标，一旦超过了限度，就会产生骨折等并发症。猪骨与人体骨骼有类似的结构与生物力学特性，由于其来源广泛，价格低廉，某些实验可用猪骨进行替代研究。

材料：猪后大腿骨10个，均为生长6-8月的生猪新鲜骨骼，长度在23-25cm，重量在480-560g，骨骼中间的直径在2.9-3.2cm，所有骨骼常规检查无骨病存在，无可见损伤。

方法：骨髂生物力学研究中常通过测试和测量骨骼的力学特性参数，对标本进行综合评价。骨髂生物力学测试最常用测量方法为机械测试方法，包括挤压试验、拉伸试验、弯曲试验、扭转试验、疲劳试验等。本试验采用挤压试验方法，用压力计测量骨骼承受压力的大小，以此了解骨骼的强度。

结果：通过测量，10个猪骨在造成骨折的瞬间所承受的挤压力分别为482.5，490.7，502.1，505.6，508.6，510.5，520.8，526.7，530.4，535.2（单位kg），平均值为511.3kg。

分析：生物力学（biomechanics）是研究生命体的运动和变形的生物物理学分支学科，主要通过力学原理和方法认识生命过程的规律，解决生命与健康领域的科学问题，同时也是多种学科相互交叉、相互渗透所形成的一个新兴边缘学科。实验测试的研究方法在生物力学研究中占据非常关键的位置。近年来由于生物力学研究测试及测量方法的改进，使得对于人体各组织的生物力学特性以及疾病的机理有了更深层次的理解，并且对于临床治疗方案的选择提供了更多的依据。骨髂生物力学研究中选择合适的测试方法和测量方法将显著改善研究质量。

骨力学性质的测量难度在于骨是构成生物体构架的结构材料，影响其力学性质的主要因素有：①因生物体不同而异；即使是同种生物体，又因年龄、性别、生活方式、职业、生长发育条件以及部位不同而异。②因骨的状态和环境不同而异。③因骨的大小、形状而异。一般来说，骨的横截面积越大，截面的惯性矩越大，其破坏载荷和抗弯能力越大。骨骼系统构成机体坚硬的骨架结构，有关力学性能是评价骨质量最有说服力的指标。骨组织在长期代谢过程中，在外界刺激的作用下不断从力学角度对骨结构进行有效再建。因此，骨生物力学作为运动医学新的研究领域，与人类健康密切相关[1]。猪骨的力学研究说明，用动物骨骼进行骨生物力学研究，可以完成压力测量，研究较经济并可替代部分人体骨骼力学研究。

机械性能测试的基本方法为拉压试验，拉压试验包括拉伸试验和压缩试验，该试验方法是测定材料的弹性模量的最常用的方法。压缩试验：又称为压力试验，常用于骨髂的力学性能测试。压缩试验以其测试方法简单、所需标本的体积小、测试时候骨受力方向基本符合生理状态下骨的受力方向而被大多数研究者们广泛应用。制作骨样本时不可避免地破坏骨小梁的边界结构，因此测出来的应力的弹性模量均小于非游离骨样本[2]。

目前，肌肉骨骼生物力学不仅要适应所有应用力学先进的理论和技术，还要不断丰富和挑战力学已存在的分支和新领域。此外，它还主要服务于医学领域的以下几个方面：骨科、康复医学、运动医学、整形和颌面外科、牙科等。毫无疑问，现在是吸收和补充那些受过良好培训的应用力学专家和工程师到这一领域来的大好时机，让他们在生物力学领域拓展研究范围，建立一个有挑战性的、有回报的事业。我们需要更加努力地工作，更富于创造性，更善于自我批评，在生物工程领域尽我们的责任，重树我们的形象。

从20世纪70年代到90年代，工程师们在肌肉骨骼生物力学方面已经创造出了几个里程碑式的成就。最显著的是反转动力学的发展，用其在优化技术下分析肌肉关节系统的内部压力。其他还有用于描述和分析在负荷下软骨反应的两相性和三相性理论的建立；在生理负荷下韧带和肌腱的构成关系；骨结构对系统和局部负荷的适应性理论；用于骨骼关节运动控制的刚性物体在三维空间旋转的瞬时中心的引进；计算机辅助外科手术计划和机器人辅助手术实施；用于关节接触压力和假体-骨界面间应力分析的离散元分析技术等[3]。

在工程学专业里，生物力学是通过现有的知识或者创造新的学科和技术解决问题而服务于社会，因此会受到人类本身和社会经济的约束。它与内科和外科在很多方面都很相似。在最近几年中，许多生物力学专家已经失去了动力，因为没有了获得研究承认的学术压力。在发展和应用早期，肌肉骨骼生物力学的研究似乎缺少在质量方面的评估，因为有太多不同的需求。而现在，缺乏深入的研究和一些研究者谋取私利的倾向影响了这一领域其他人的良好信誉。

对未来的展望通过全面客观地评价过去的成就、实力、缺陷和局限性，我们可以清楚地了解生物力学现状。就象细胞和分子生物学领域一样，我们需要革新工具，争取专项研究经费，尤其是医学领域的研究经费。我们还必须向生物学界学习，共享我们的资源，甚至要给作为竞争对手的同行提供帮助和支持。对我们来说，认识到并不是所有涉及组织生长、改建和修复的过程都受到力的驱动这一点至关重要。现在的一些研究者似乎忽视了生物力学分析的基本要求，我们很难确定是否应该花费时间和成本去研究不相关的或不确定的假设。在日常生活的动作中有很多属于肌肉骨骼关节系统的功能和负荷还未被了解或者被错误地预测，这就需要我们对这些薄弱环节开展进一步的基础研究。我们要以批评的、敏锐的态度对待我们的研究，而不能由于缺乏力学方面的充分培训而肤浅地将生物学知识与临床知识作简单的交换。生物力学与医学、生物学紧密相连，它应当遵循相同的伦理标准和行为准则。

如果能够更好地理解人体肌肉骨骼系统的生物力学特性，将对以上各项有很大的帮助。因此，生物力学无论是现在还是未来都要在挑战中生存。通过适当的提高和扩大，这门学科必将能吸引更多的力学专业学生、实践工程师和学院的学者加入到这个最有价值和最有回报的行业中来。

小结：骨骼生物力学是生物力学的一个重要分支，它为生物科学作出了无数重大意义的贡献。但由于人体研究的局限性，本研究采用猪骨进行骨骼受力研究，通过研究得出了骨骼在压力作用下的受力强度，说明在骨骼破坏时可承受的压力大小，可为相关研究提供依据。

【参考文献】

[1]张林.运动对骨力学性能的影响[J].中国运动医学杂志，2002，1：85-87.

[2]马信龙，马剑雄，徐卫国，等.骨科生物力学研究的测量方法学专家共识[J].中国骨质疏松杂志，2014，9：1041-1042.

[3]赵以甦.肌肉骨骼生物力学的现状与展望[J].中华骨科杂志，2006，3：215-216.

[责任编辑：王楠]