股骨近端主压力骨小梁生物力学特性

目的股骨头坏死是一种常见病,导致其发病的原因有很多,其中股骨颈骨折后股骨头坏死的原因尚不清楚,机制不明,由于其局部解剖结构特殊,根据其内部结构特点,对骨小梁结构进行研究,为解释股骨颈骨折后股骨头坏死的发生原因提供实验依据。方法对正常中国人(45～60岁)尸体股骨近端主压力骨小梁系统从上到下分成3个区,分别在Endura TEC ELF3200生物力学材料动态力学性能测试系统上,从主压力骨小梁方向及与其垂直方向上进行拉伸、压缩性能实验研究。结果得出了股骨近端主压力骨小梁系统3个区在主压力骨小梁系统方向及与其垂直方向的压缩、拉伸屈服强度、极限强度、弹性模量等测试指标的实验结果。从上到下3个区的弹性模量等生物力学性能依次递增,主压力方向的压缩生物力学性能要明显高于拉伸生物力学性能,并且生物力学性能在主压力系统方向及与其垂直方向有明显差异。结论股骨近端主压力骨小梁的主要力学性能是承受压应力,并且具有明显的各向异性。     

股骨近端主张力骨小梁生物力学特性

目的 研究股骨近端主张力骨小梁的生物力学性能,为解释股骨颈骨折后股骨头坏死的发生原因提供实验依据.方法 取8个正常国人(45 ～60岁)尸体股骨,排除畸形、骨折等病变.将近端主张力骨小梁系统从外侧到内侧分成3个区,在每个区内沿主张力小梁方向及与其垂直方向切取骨小梁试件,并分别在EnduraTEC ELF3200生物力学...     

不同角度载荷下股骨头骨小梁的生物力学特性

目的探讨不同角度载荷对股骨头骨小梁形态学与力学性能的影响,为研究股骨头坏死、塌陷的生物力学机制提供理论依据。方法利用12月龄羊股骨头和人尸体股骨头分别制作羊股骨头骨小梁试件94个和人股骨头骨小梁试件43个。按照受力方向与骨小梁主压力方向之间的不同夹角,将骨小梁以10°间隔分为内翻10°、0°和外翻10°、20°、30°共计5组,模拟股骨颈骨折内固定术后不同戈登(Garden)对线指数下的复位情况。通过分别对羊股骨头骨小梁进行micro-CT扫描、计算与压缩破坏试验以及对人尸体股骨头骨小梁进行循环压缩试验,分析不同受力方向下股骨头骨小梁的骨体积分数(BV/TV)、骨表面积/骨体积(BS/BV)、骨小梁平均厚度(Tb.Th)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁间距(Tb.Sp)等形态学指标以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数等力学指标。结果加载方向与骨小梁的主压力方向之间夹角为0°时,BV/TV、Tb.Th以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数均为最大,而BS/BV与Tb.N为最小,并随着夹角增大前者呈递减而后者呈递增趋势。结论 12月龄羊股骨头骨小梁BV/TV与极限强度随受力方向与骨小梁主压力方向之间夹角变化的趋势与人股骨头骨小梁一致;加载方向与主压力骨小梁之间夹角增大时,股骨头骨小梁形态学与力学性能均下降;Garden指数偏离160°越大时,股骨头内骨小梁越易发生损伤。     

不同角度载荷下股骨头骨小梁的生物力学特性

目的 探讨不同角度载荷对股骨头骨小梁形态学与力学性能的影响,为研究股骨头坏死、塌陷的生物力学机制提供理论依据。方法 利用12月龄羊股骨头和人尸体股骨头分别制作羊股骨头骨小梁试件94个和人股骨头骨小梁试件43个。按照受力方向与骨小梁主压力方向之间的不同夹角,将骨小梁以10°间隔分为内翻10°、0°和外翻10°、20°、30°共计5组,模拟股骨颈骨折内固定术后不同戈登（Garden）对线指数下的复位情况。通过分别对羊股骨头骨小梁进行micro-CT扫描、计算与压缩破坏试验以及对人尸体股骨头骨小梁进行循环压缩试验,分析不同受力方向下股骨头骨小梁的骨体积分数（BV/TV）、骨表面积/骨体积（BS/BV）、骨小梁平均厚度（Tb.Th）、骨小梁数量（Tb.N）、骨小梁间距（Tb.Sp）等形态学指标以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数等力学指标。结果 加载方向与骨小梁的主压力方向之间夹角为0°时,BV/TV、Tb.Th以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数均为最大,而BS/BV与Tb.N为最小,并随着夹角增大前者呈递减而后者呈递增趋势。结论 12月龄羊股骨头骨小梁BV/TV与极限强度随受力方向与骨小梁主压力方向之间夹角变化的趋势与人股骨头骨小梁一致;加载方向与主压力骨小梁之间夹角增大时,股骨头骨小梁形态学与力学性能均下降;Garden指数偏离160°越大时,股骨头内骨小梁越易发生损伤。     

不同角度载荷下股骨头骨小梁的生物力学特性

目的 探讨不同角度载荷对股骨头骨小梁形态学与力学性能的影响,为研究股骨头坏死、塌陷的生物力学机制提供理论依据。方法 利用12月龄羊股骨头和人尸体股骨头分别制作羊股骨头骨小梁试件94个和人股骨头骨小梁试件43个。按照受力方向与骨小梁主压力方向之间的不同夹角,将骨小梁以10°间隔分为内翻10°、0°和外翻10°、20°、30°共计5组,模拟股骨颈骨折内固定术后不同戈登（Garden）对线指数下的复位情况。通过分别对羊股骨头骨小梁进行micro-CT扫描、计算与压缩破坏试验以及对人尸体股骨头骨小梁进行循环压缩试验,分析不同受力方向下股骨头骨小梁的骨体积分数（BV/TV）、骨表面积/骨体积（BS/BV）、骨小梁平均厚度（Tb.Th）、骨小梁数量（Tb.N）、骨小梁间距（Tb.Sp）等形态学指标以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数等力学指标。结果 加载方向与骨小梁的主压力方向之间夹角为0°时,BV/TV、Tb.Th以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数均为最大,而BS/BV与Tb.N为最小,并随着夹角增大前者呈递减而后者呈递增趋势。结论 12月龄羊股骨头骨小梁BV/TV与极限强度随受力方向与骨小梁主压力方向之间夹角变化的趋势与人股骨头骨小梁一致;加载方向与主压力骨小梁之间夹角增大时,股骨头骨小梁形态学与力学性能均下降;Garden指数偏离160°越大时,股骨头内骨小梁越易发生损伤。     

股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化有限元分析

目的应用有限元方法研究不同加载强度和偏轴角对股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化的影响。方法基于断层磨削后扫描、计算机三维重建的方法建立得到股骨近端骨结构三维模型,按照与主压力小梁方向成0°、15°、45°分别选取相同大小的松质骨试件。计算试件的三维空间结构参数,应用有限元分析方法模拟单轴压缩试验,观察松质骨试件应力、应变分布,探讨不同加载强度和离轴角度对松质骨生物力学性质的影响。结果基于建立的人股骨头内松质骨三维有限元模型,模拟了松质骨试件单轴压缩试验,发现不同加载强度和偏轴角度在松质骨试件中≥5 000με(微应变)的松质骨比例存在统计学差异(P0.05)。结论股骨头内松质骨小梁空间分布与力学适应性密切相关。结构与功能的不相适应降低了股骨头内部松质骨的生物力学性能,反复不良刺激引起的骨重塑、改建可能在股骨头坏死中起着重要的作用。     

骨质疏松症对松质骨骨小梁应力与微损伤关系的影响

目的应用显微CT和微有限元分析评估微损伤、微骨折骨小梁的应力、应变,探讨骨质疏松症对骨小梁应力和微损伤、微骨折之间关系的影响。方法通过显微CT扫描健康和骨质疏松人体髋臼松质骨,构建松质骨块三维微有限元模型,在无摩擦的位移边界条件下模拟松质骨块的单轴压缩实验,通过非线性微有限元分析得到在不同表观应变下骨小梁的应力、应变、微损伤和微骨折。结果 0.05%~0.50%表观应变下,健康和骨质疏松松质骨未损伤骨小梁的应力在50 MPa以下,微损伤骨小梁应力在110 MPa以上。健康松质骨骨小梁的平均应力相对较高,骨质疏松松质骨骨小梁最高应力值相对较高。健康和骨质疏松松质骨骨小梁均出现微损伤,健康松质骨骨小梁微损伤较多,骨质疏松骨骨小梁出现微骨折。结论在表观小应变范围内,健康松质骨骨小梁能承受更高的应力,出现较多的微损伤,而骨质疏松松质骨高应力骨小梁群内出现微骨折。     

髓内及髓外内固定治疗股骨反转子间骨折的生物力学研究

目的 比较亚洲型股骨近端防旋髓内钉、动力髁螺钉、动力髋螺钉固定股骨反转子间骨折后的生物力学性能.方法 测量正常股骨的生物力学性能后,制作18具成人股骨反转子间骨折模型,分别以亚洲型股骨近端防旋髓内钉（PFNAⅡ）、动力髁螺钉（DCS）、动力髋螺钉（DHS）随机进行固定.利用电阻应变片和位移传感器测量实验数据,制作不同内置物固定后,垂直应力作用下股骨近端位移-压力以及压力-骨折近段角度位移统计表,同时在扭转应力作用下制作扭转角-扭矩统计表.测量3组标本的垂直及扭转刚度并进行统计学比较,对3种不同内固定物在反转子间骨折治疗中的生物力学性能进行比较.结果 垂直载荷作用下,股骨近端下沉位移＜1.0 mm时（垂直应力小于500 N）,PFNAⅡ、DCS两组之间的轴向应力值差异无统计学意义（P＞0.05）.超过生理负荷后两实验组间差异有统计学意义（P＜0.05）,且PFNAⅡ抗垂直压缩能力强于DCS,但PFNAⅡ应力遮挡较DCS更为明显;DHS抗垂直压力与PFNAⅡ差异有统计学意义.扭转应力作用下,在扭转角度≤4°时,3实验组间差异无统计学意义,当扭转角度加大后,PFNAⅡ抗扭转能力更强.3组不同内置物的刚度比较中,PFNAⅡ的垂直及扭转刚度最强,而DCS与DHS的扭转刚度差异无统计学意义（P＞0.05）.结论 PFNAⅡ抗垂直及扭转应力的作用强于DCS和DHS.在生理载荷下,PFNAⅡ及DCS均可用于股骨反转子间骨折的治疗,但PFNAⅡ应力遮挡率较高.DHS固定组易导致固定失败,不应用来治疗股骨反转子间骨折.     

个性化3D打印钛合金短柄股骨假体的生物力学评价

目的 评估个性化3D钛合金打印短柄股骨假体的生物力学性能。方法 采用4种不同的短柄股骨假体：3D打印1组(假体A)、3D打印2组(假体B)、BE组(假体C)、SMF组(假体D),分别对12根成人尸体股骨标本实行人工股骨头置换。在万能材料力学试验机上通过初始稳定性测试和静力压缩测试,对比分析4组假体模型变形量、最大压缩载荷、最大压缩位移和抗压缩刚度。结果 初始稳定性测试结果显示,3D打印2组假体变形量略低于3D打印1组,而明显低于SMF组和BE组,但差异无统计学意义(P>0.05)。3D打印2组假体最大压缩载荷、抗压缩刚度均大于其余3组,最大压缩位移小于其余3组,差异仍无统计学意义(P>0.05)。结论 个性化3D打印钛合金短柄股骨假体力学性能与目前临床常用的股骨SMF、BE 1假体相当,力学稳定性较好。     

股骨头负重区松质骨的压缩力学特性

本文对19具新鲜青年(30左右)尸体股骨负重区的松质骨进行了压缩测试,测算并提供了一组松质骨弹性模量,极限应力,应变,屈服载荷及能量吸收值.试验表明松质骨力学性能主要缓解外力冲击加压.     

Biomechanical investigation of the effect of high hydrostatic pressure treatment on the mechanical properties of human bone

Several methods are available for reconstruction of bone defects due to malignant tumors. To extracorporally devitalize resected tumor-bearing bone segments two methods, that is, extracorporal irradiation or autoclaving, are available up to now. However, both methods have substantial disadvantages like decrease of bone's mechanical strength. To develop an alternative method for tumor inactivation in skeletal segments, high hydrostatic pressure (HHP) was applied. Previous investigations have shown that human normal and tumor cell lines as well as tumor-afflicted human bone specimens were irreversibly damaged at 350 MPa when subjected to HHP. This study was aimed to examine the alterations of biomechanical properties of human bone after exposure to HHP. Trabecular and cortical bone specimens were harvested from six pair of fresh-frozen human cadaveric femora. The bone specimens from one side were exposed to different pressure values of 300 or 600 MPa over 10 min. Bone samples from the contralateral sites were used as untreated controls. Biomechanical properties were investigated by a quasi-static compression test for trabecular specimens and by a quasi-static four-point bending test for cortical specimens, respectively. Biomechanical properties of the cortical and trabecular bone did not decrease after exposure to 300 MPa regarding the testing parameters Young's modulus and ultimate strength (200.7 +/- 38.7 MPa for HHP treated cortical bone versus 186.5 +/- 34.3 MPa for the untreated control group). After pressure treatment at 600 MPa Young's modulus and ultimate strength respectively remained almost unchanged in trabecular bone and were reduced about 15% in cortical bone (p < 0.001 and p =0.002, respectively). We anticipate that in orthopedic surgery HHP can serve as a novel, promising methodical approach for tumor cell inactivation, which occurs at pressure levels of about 300 MPa. Thereby immediate reimplantation of treated bone segments by preservation of the essential biomechanical properties of bone could become possible. Even after HHP treatment at 600 MPa the strength of bone only decreases up to 15%.     

不同剂量糖皮质激素对大鼠骨密度和生物力学性能的影响

目的通过双能X射线骨密度仪(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)、骨生物力学测试及骨组织计量学等方法研究不同剂量糖皮质激素摄入对正常3月龄大鼠骨骼的影响。方法 31只SPF级3月龄SD雌性大鼠,随机分为正常对照组、地塞米松(Dex)1、2.5、5 mg/kg组,每周尾静脉注射给药2次,共8周,对照组给予生理盐水对照。给药结束后,离体股骨和第3腰椎通过DXA进行骨矿含量(bone mineral content,BMC)、骨矿密度(bone mineral density,BMD)测定,全股骨和第5腰椎分别进行三点弯曲和压缩力学实验,并通过骨组织病理切片观察胫骨近端骨小梁的显微结构并定量分析。结果与正常组相比,所有激素组大鼠体重均明显降低,腰椎BMC、BMD及最大压缩载荷均未明显下降,全股骨BMC均有所降低,但只有Dex 1 mg组全股骨和股骨远端、近端BMD降低;Dex 1 mg组三点弯曲实验断裂载荷、最大载荷和弹性载荷都明显降低,而Dex 2.5 mg、Dex 5 mg组只有弹性载荷仍低于正常对照组。激素组骨小梁有空间密度分布不均现象,骨代谢处于低转换。结论应用糖皮质激素8周对3月龄大鼠骨骼的不利影响股骨较腰椎明显,股骨骨量丢失,力学性能下降,两者均无剂量依赖性。更高剂量Dex并没有增加骨量丢失和力学性能改变。力学性能特别是弹性载荷下降以及骨小梁密度分布不均,提示糖皮质激素更多的是引起骨质量下降。临床上应用糖皮质激素时,应使用多种方法评价其对骨骼的副作用。     

去势大鼠骨形态计量学、生物性能变化

目的 通过观察大鼠血清学、骨形态计量学测定、骨生物性能等方法研究去卵巢大鼠骨变化.方法 采用7-12月龄SD雌性大鼠30只,随机分为对照组、模型组和尼尔雌醇组.模型组和尼尔雌醇组大鼠切除双侧卵巢进行造模.尼尔雌醇组大鼠造模后45天开始灌服尼尔雌醇,连续90天;对照组和模型组大鼠手术后第45天开始灌服去离子水,连续90天.所有大鼠给药第80、87天时两次ip四环素20mg/kg进行骨荧光标记.实验结束时,取出大鼠股骨及第四腰椎骨进行股骨形态计量学测定、股骨骨密度测量、股骨三点弯曲实验及椎骨压缩实验,同时测定血清碱性磷酸酶(ALP)、抗酒石酸酸性磷酸酶(StrACP)水平.结果 大鼠去双侧卵巢后,股骨骨密度、骨最大载荷、最大应力、弹性模量、刚度水平和骨小梁体积显著性提高;椎体压缩性能、股骨形态计量学、股骨弯曲性能有明显改变;而雌激素对以上变化有不同程度改善作用.结论 骨组织形态、骨生物性能是评价骨质疏松模型或药物疗效的重要指标;发生骨质疏松时,骨组织形态学变化先于骨生物性能变化.     

医用连续碳纤维增强聚烯烃复合材料的生物力学特性测试

目的通过对医用连续碳纤维增强聚烯烃复合材料的生物力学测试,了解其作为硬组织修复材料的力学性能。方法对25根连续碳纤维增强聚烯烃复合材料棒进行拉伸、压缩、弯曲及剪切性能测试,得出该材料的最大载荷、极限强度、弹性模量、泊松比及延伸率。结果极限强度中,拉伸强度(561.11±14.24)MPa,压缩强度(341.91±1.71)MPa,弯曲强度(715.86±19.26)MPa,剪切强度(58.20±15.28)MPa。弹性模量(弯曲)(43.33±1.17)GPa;泊松比0.314±0.005;延伸率(18.20±0.55)%。结论医用连续碳纤维增强聚烯烃复合材料具有良好的生物力学特性,能满足硬组织修复的生物力学要求。     

股骨头松质骨力学性质实验研究

目的 研究股骨头松质骨力学性质，为临床提供生物力学参数。方法 对正常国人新鲜尸体股骨头松质骨的拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击力学性能进行实验研究。结果 得出了股骨头松质骨的拉伸、压缩破坏载荷、强度极限、弹性模量，扭转破坏扭矩、扭转剪切强度极限，弯曲破坏载荷、弯曲强度极限、剪切破坏载荷、剪切强度极限，冲击功、冲击韧性等测试指标的实验结果。结论 股骨头松质骨抗压强度大于抗拉强度，压缩弹性模量大于拉伸弹性模量，扭转强度大于剪切强度，抗弯强度与抗压强度接近。