作者：麻文焱，李鹏，马洪顺，于涛
【摘要】 比较正常股骨头和股骨头坏死后股骨头的蠕变性质，为临床应用提供生物力学参数。在日本岛津电子万能试验机上，对正常与病态股骨头松质骨各8个试样进行蠕变实验。结果表明：股骨头松质骨在最初600 s变化较快，之后应力缓慢下降，正常组7 200 s蠕变量为0.19%，病态组7 200 s蠕变量为0.13%，病态组7 200 s蠕变量显著低于正常组（P＜0.05）。说明股骨头坏死后打乱了松质骨骨小梁的正常排列，骨量丢失，从而对蠕变特性造成影响。
【关键词】 正常；病态；股骨头松质骨；蠕变
Abstract：To compare the creep nature of femoral head between normal and osteonecrosis femoral head，to provide biomechanical parameters for clinic. Shimadzu AUTOGRAPH in electronic universal testing machine was used for creep test of 8 specimens of the femoral head in each normal and sick groups. Results showed that femoral head creep of normal and osteonecrosis groups exhibited significantly changes in the first 600 s，with stress slowly decreased and strain gradually increased. The creep deformation of normal head group in 7 200 s was 0.27%， and that of the femoral head of osteonecrosis sick group was 0.16%， significantly lower than that of normal group (P＜0.05).It provide that the femoral head of bone disrupte cancellous bone with the normal，result in bone loss. Thus it impact creep.
Key words：Normal; Sick; Femoral head cancellous bone； Creep
1 引 言
近年来国内外学者对密质的骨力学性质进行了大量研究，对松质骨的力学性质也作了一定研究，但和密质骨的研究相比，对松质骨的研究少得多，研究的深度也远不如密质骨，只有很少的报道涉及松质骨的粘弹性行为。Schoeufield等［1］、linde等［2］、zilch等［3］都观察了松质骨的粘弹性行为，赵宝林等［4］报道了膝关节干骺端松质骨应力松弛的特性研究。刘庆利等［5］报道了股骨颈松质骨三方向压缩应力松弛蠕变研究。
股骨头和人体的其它组织一样，均为生物粘弹性固体，具有粘弹性流变特性，这种粘弹性流变特性是人的生物功能所需要的，股骨头的粘弹性流变特性对于维持髋关节稳定具有重要作用。为了解正常和病态股骨头松质骨的蠕变特性，对人工假体新材料的研究和设计具有重要意义。
我们对正常国人新鲜尸体股骨头和坏死股骨头进行蠕变实验，得出了蠕变实验数据和曲线。以三参数模型处理实验数据，得出了正常和病态股骨头松质骨的蠕变方程，得出了两组标本的蠕变与时间的变化规律。
本研究为人工关节的材料研究、人工关节的设计、人工关节置换术、骨再造、骨重建提供蠕变特性参数。
2 材料与方法
2.1 材料
实验标本取自国人青年新鲜尸体股骨头8个，均为男性，年龄20～30岁，股骨头坏死8个，均为男性，年龄30～60岁。尸体标本由白求恩医科大学解剖教研室提供。将标本装入塑料袋中，密封后置于-20 ℃冰箱内保存备用。
实验前取出标本，在常温下解冻，沿标本纵向以线锯切割每组各8个试样，试样尺寸为长28～30 mm，宽28～30 mm，高21.2～22 mm。
实验装置采用日本岛津AG-10TA自动控制电子万能试验机，载荷通过载荷传感器传递，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结果。
2.2 实验方法
2.2.1 蠕变实验 取每组各8个试样进行蠕变实验。将试样的原始尺寸输入到控制机器的计算机内。骨组织的粘弹性主要来自熵的改变，因而不存在唯一状态，这种组织会随加载-卸载循环次数而变化，经多次重复才能达到稳定状态。本实验分别对每个试样反复加卸载20次。使循环曲线达到平稳。预调处理后进行实验。将试样置于装有pH值为7.4的生理盐水的有机玻璃缸内，将有机玻璃缸置于试验机工作台上，试样上端与试验机压头接触，试验机带有-35～250 ℃环境温箱，可自动调节温度和保持恒温。实验模拟正常人体温在（36.5±0.5） ℃温度场下进行。以0.005 GPa/S的应变增加速度对标本施加常应力，正常组应变达到0.62%，应力达到1.19 MPa，病态组应变达到0.56%，应力达到1.19 MPa时使应变保持恒定，应力随时间改变，不断下降。计算机程序设定从时间t(0)开始采集数据，每0.6 s采集一个数据，采集10次，之后每10 s采集一个数据，采集40次；之后每136 s采集一个数据，采集50次，共采集100个数据，历时7 200 s。达到设定时间后，打印机自动打印出实验数据和曲线。
2.2.2 蠕变方程的计算 本研究采用三参数模型［6］计算蠕变方程，见图1。图1 粘弹性力学模型
其中：
σ—系统的总应力；
ε—总应变；
E1ε１—为弹簧1的弹性系数及应变；
E2ε2—为弹簧2的弹性系数及应变；
σ１σ２—为弹簧2及粘壶的应力；
η—为粘壶的粘性系数；ε２＝ｄε２ｄｔ是ε２对时间t的一阶导数即为应变率。
由三参数模型可知有如下关系：
ε＝ε１＋ε２
σ＝σ１＋σ２(1)
(2)
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ｄσｄｔ＝0，当t＝0时，ε＝ε０＝０，式（2）可以写为：
ｄεｄｔ＋E2ηε＝σ０η（１＋E2E1）。
对上式两边同乘积分因子ｅＥ２ｔ积分得：
ε（ｔ）＝σ０E1＋σ０E２［1-ｅｘｐ-ｔτ］(3)
（3）式中τ＝ηE2，（3）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（3），ε（ｔ）＝σ０E1＋σ０E２［1-ｅｘｐ-ｔτ］对13个试样均值拟合实验曲线，见图2。
2.4 蠕变方程计算结果
正常组当由t＝0，ε（0）＝0.62%，得E1＝191.94 MPa；
当t＝（∞）时，ε（∞）＝0.81%，代入方程(3)，得E2＝626.32 MPa；
当t＝600 s，ε＝0.773%代入方程（3），τ＝2865.75 s；
所以，ε（t）＝0.62%＋0.81%1-ｅ－ｔ２８６５.７５
病态组当由t＝0，ε（0）＝0.56%，得E1＝212.5 MPa；
当t＝（∞）时，ε（∞）＝0.69%，代入方程(3)，得E2＝172.46 MPa；
当t＝600 s，ε＝0.646%，代入方程（3），τ＝4509.79 s；
所以，ε（t）＝0.56%＋0.69%1-ｅ－ｔ4509.79
3 讨论
本研究与以往研究不同的是，蠕变实验施加载荷1KN能更好的反映标本的蠕变力学特性。陈雷等［7］对正常与病态股骨头松质骨进行了纵向应力松弛、蠕变研究，其应力松驰、蠕变施加0.5KN载荷，以回归分析的方法处理实验数据。本研究进行的是股骨头松质骨横向蠕变实验，以三参数模型处理实验数据，三参数模型能很好的拟合实验曲线，经验算，理论值和实验值之间误差不超过3%。
蠕变实验结果表明，无论是正常还是病态组，最初600 s变化较大，之后应变缓慢上升，蠕变曲线是以指数关系变化的。
正常组股骨头松质骨7 200 s蠕变量为0.19%，病态组7 200s蠕变量为0.13%，正常组7 200 s蠕变量显著大于病态组（P＜0.05）。
近年来对胶原纤维的排列方向及结构与力学性能之间的相关性研究进一步提示，胶原纤维是一个影响骨力学性能极为重要的因素，这是由于胶原纤维是基质的主要成分，羟基磷灰石一般沉积于胶原纤维头尾之间的空隙内，换言之，胶原纤维的排列方向决定了羟基磷灰石沉积位置，二者高度有序的结合使骨具有良好力学性能［8］。骨胶原组织主要由三种纤维组成，即弹性纤维，胶原纤维和网状纤维，胶原纤维使胶原组织具有一定的强度和刚度，弹性纤维使胶原组织具有一定的延伸能力［9］。分析认为病态组松质骨由于股骨头坏死，作用于股骨头的应力分布改变，过高的应力使松骨胶原组织的弹性纤维、胶原纤维、网状纤维均遭到一定破坏，并且排列紊乱，所以其应力松弛，蠕变量丢失，达到相对平衡的时间也长。
参考文献
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［5］刘庆利，权铁刚，马洪顺，等.股骨颈松质骨三方向压缩应力松弛蠕变实验［J］.生物医学工程研究，2008，27（2）：93-106.
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