骨性关节炎对膝关节干骺端松质骨蠕变力学性质影响的实验研究
发表时间：2010-07-23 浏览次数：461次
作者：宋洪年 全铁钢 唐广志 马洪顺 作者单位：长春市人民医院骨科，吉林 长春 130051
【摘要】 目的 研究正常国人新鲜尸体膝关节干骺端松质骨和老年骨性关节炎病膝关节干骺端松质骨的蠕变力学性质，为临床提供蠕变力学参数。方法 取正常和病态膝关节干骺端松质骨在Shimadzu AUTOGRAPH电子万能试验机上进行压缩蠕变实验。结果 得出了正常组和病态组松质骨7 200 s蠕变量，蠕变随时间的变化规律，得出了蠕变方程。结论 病态组7 200 s蠕变量显著低于正常组。
【关键词】 骨性关节炎;膝关节;松质骨;蠕变
骨性关节炎早期疼痛，晚期由于关节软骨等组织变形、开裂等使病患者的下肢功能产生障碍。保守治疗失败后，只能置换人工关节。只有搞清膝关节松质骨的力学性质，才能使置入的人工材料的力学性质与松质骨的力学性质尽可能的相近，以使固定物可靠，避免松动〔1〕。关于正常和老年骨性关节炎病膝关节干骺端松质骨蠕变力学性质研究未见报道。
1 材料与设备
1.1 实验材料 膝关节松质骨压缩和弯曲实验所用正常组8个标本均为男性，年龄19～28岁，病态组8个标本均为男性，年龄60～68岁，正常组膝关节松质骨取自正常国人头部外伤急死的新鲜尸体，死者死亡1～2 h之内解剖取下股骨髁：病态组标本为骨性关节炎病股骨髁。标本取下后装入塑料袋中，密封后置于-20℃冰箱内保存。实验前取出标本，在常温下解冻，沿股骨干骺端松质骨纵向取样，加工成高6 mm，宽4 mm，厚4 mm的压缩式样。正常对照组10个，病态组10个。
1.2 实验设备 压缩蠕变实验装置采用岛津AG-10TA自动控制电子万能试验机，该机具有自动控制应力、应变增加速度和使应力或应变保持恒定的功能。载荷通过载荷传感器传递，传感器最大量程为200 N,使用量程为100 N。应变通过机器的应变单元传递。实验结束后，计算机自动输出实验数据和曲线。
2 压缩蠕变实验与结果
2.1 实验方法 以读数显微镜测量正常组和病态组试样的长度、宽度和厚度，将试样的原始尺寸输入到控制机器的计算机内。关节松质骨和其他骨组织一样，其弹性主要来自熵的改变。因而不存在唯一的自然状态。所以要对试样进行预调处理，即在同一应力水平下加载-卸载20次〔2～4〕。发现在同一载荷水平下，卸载曲线的伸长比要比加载曲线的伸长比大，且将载荷卸到零并经过一段时间后即可恢复到原有形状。每个试样分别预调处理后进行实验。将经过预调的试样置于试验机工作台上。试验机带有-35℃～250℃环境温箱。可自动调节温度并保持恒温。本实验模拟正常人体温，在36.5℃±0.5℃的温度场下进行。预先将计算机程序设定好，记录方式为X-T,其中X轴为应变，T轴为时间。
本实验以1 MPa/s的速度对试样施加压应力。当正常组和病态组应力达到1.25 MPa，正常组应变达到0.376%、病态组应变达到0.292%时使应力保持恒定，应变随时间的改变不断上升。程序设定从时间t(0)开始采集数据，每1 s采集1个数据，采集10 次，之后每5 s采集一个数据采集45次之后每180 s采集1个数据，采集50次，共采集100个数据历时7 235 s达到设定的时间后，计算机自动输出实验结果。
2.2 计算方法 按文献〔5〕所示的三参数模型〔1〕。
由三参数模型可知有如下关系〔1〕：
ε=ε1+ε2 (1)
σ=σ1+σ2 (2)
dε dt=dε1 dt+dε2 dt=1 E1·dσ dt+dε2 dt(3)
σ=σ1+σ2=ηε2+E2ε2=η·dε2 dt+E(ε-ε1)
dε2 dt=1 η(σ-E2+ε2·σ E1)(4)
将(4)式代入(3)式得：
dε dt=dε1 dt+dε2 dt=1 E1·dσ dt+dε2 dt(5)
当应力恒定时σ=σ0，可求得应变与时间的关系式——蠕变方程的一般表达式。
由于σ=常数，则dσ dt=0，当t=0时，ε=ε0，式(5)可以写成为dε dt+E2 ηε=σ0 η(1+E2 E1)
对上式两边同乘积分因子eE2t/η积分得：
ε(t)=σ0 E1+σ0 E2[1-exp(-t τ)](6)
(6)式中，τ=η E2,(6)式即谓蠕变方程的一般表达式。
2.3 蠕变实验结果 根据方程(6)，对两组各10个试样均值拟合实验曲线，见图1。
图1 蠕变曲线(略)
2.4 蠕变方程计算结果 正常组蠕变方程：当σ0=1.25 Mpa时，由t=0，ε(0)=0.376%得E1=334.45 MPa
当t=(∞)时，ε(∞)=0.762%代入方程(6)得E2=323.83 MPa
当t=3 600 s，ε=0.683%代入方程(6)，τ=6981.5 s
所以ε(t)=0.376%+0.762%(1-et 6981.5)
病态组蠕变方程：
当σ0=1.25 MPa时，由t=0，ε(0)=0.292%得E1=428.08 MPa
当t=(∞)时，ε(∞)=0.518%代入方程(6)得E2=553.10 MPa
当t=3600 s，ε=0.481%代入方程(6)，τ=7920 s
所以ε(t)=0.292%+0.518%(1-et 7920)
3 讨论
蠕变实验结果表明，正常对照组松质骨7 235 s蠕变量为0.382%，病态组松质骨7 235 s蠕变量为0.226%，正常对照组松质骨7 235 s蠕变量显著大于病态组(P<0.05)。
膝关节干骺端和其他骨与软组织一同起着承受人体自重和外力的作用，对于维持膝关节的稳定起着重要作用。干骺端松质骨和其他松质骨等类似，具有随时间进程相关的黏弹性特点。当骨受到持续低载荷作用一段时间后，骨组织产生缓慢变形和蠕变，在加载最初1 000 s蠕变衰减现象最显著，之后蠕变将以很低的速率持续着，这种低载荷长时间作用于骨组织的蠕变现象对于缓冲和维持骨与关节的稳定具有重要作用。
骨关节炎晚期，由于膝关节已丧失平衡关系和稳定性，在人体自重作用下膝关节干骺端松质骨以及韧带等的受力发生改变，极易造成其应力集中，使松质骨的结构发生改变。在高应力集中状态下，在外力作用下极易发生骨折。临床上骨性关节炎患者多见于50岁以上老年人，所以老年人在日常生活中要注意休息和适当改变姿势，以缓解关节过度负荷以预防骨性关节炎和骨折发生。
关节松质骨主要由骨小梁构成。骨性关节炎改变了松质骨受力的平衡关系，骨的纤维结构发生改变，骨小梁变细、断裂，所以降低了蠕变力学性能指标。
【参考文献】
1 郭玉明，贾潇凌，张宏民.国人胫骨松质骨力学性质实验研究〔J〕.中国生物医学工程学报，1999;18(3)：250-5.
2 马洪顺，朱卫民，贺家宁，等.小儿肠套叠肠管与人阑尾归一化应力松弛函数蠕变函数〔J〕.中国生物医学工程学报，1998;17(4)：367-73.
3 马洪顺，初日德，董 心，等.人脊柱椎间盘应力松弛实验研究〔J〕.中国生物医学工程学报，1992;11(4)： 294-5.
4 马洪顺，陆 有，王晓晨.骨质疏松对松质骨生物力学性质影响实验研究〔J〕.中国生物医学工程学报,2003;22(4)：364-9.
5 孙树东，赵长福，马洪顺.老年股骨头坏死松质骨对骨应力松弛力学性质影响研究〔J〕.中国老年学杂志，2007;27(21)：2125-6.
