成都华西华科研究所分析骨样本的制备与QCT骨密度软件体模检测骨样本的保存与制备 (Bone preservation and specimen preparation)

一、   骨样本的保存（B«ne preservation}

骨绀织与其他生物绀织相问，在典体后数小时内开 始H溶，从而改变其力亇特件在从动物或人体（尸体、 术中或活检）获取骨材料后，要将骨样本保存好以便曰后 在祺积较多廿样本后一起进行骨样本制备与力学测试。 保存的方法一般《r用等渗生理盐水浸湿的纱布对骨样本 加以包亵，放人-2〇r的冰箱保存。除生理盐水外，也可 采用酒铕或描尔马林作为什样本的保存剂^[1_^。

二、   骨样本的制备（Bone specimen prepara­tion)

在制备前要将冷冻的骨样本从冰箱中取出并在室温 下或3 71：水溢中解冻。如计划对骨组织的材料力学特 性进行分析，就滿对粮块骨的局本进行取材制济出相应 的骨样本。骨的材料力学特的渊试结果取决于许多因 家，例如背质类型（骨密质或竹松质）、#样本的砀部取材 部位、骨的年龄差别和力学测试条件的选择等¹¹~~。这 些都要求我们^时记录，以便测试后进行吋靠的数据对 照和分析。同时，在对骨样本力学测试中仍然涊要考虑 所选样本的从部力学特异性和制备过程中对骨样本可能 产生的机械和热损伤，从而影响实验结果的准确性和可 比性。

第二节骨的力学测试方法 (Methods of bone mechanical test)

对骨力学特性测试必须具备相应的材料力学测试机 或者测垴应力和应变的仪器设格，同时还笟要有制备骨 样木的辅助设备和阇定整骨或制备伢样本的夹具。在具 备相关条件后，可根据研究设计选择下述方法对整骨或 制备骨样本进行力学测试。

一、拉伸试验(Tensile test)

一般要求骨样本具有较大的体积。测试时要对骨样 本的二端牢固固定，以保证测试结果的可靠性。同样，也 可制备付密质和骨松质小样本进行测试％(图33- 1)。 由于付主要起负重功能，即主要承受压力负荷，故拉伸试 验不常被选用于检测药物或其他干预处理对卄质力学特 性的影响。

树曲包墁«图33-丨对制备后的密质骨（A)和松质毋（B〉进行拉伸测 试1。由于二毋纗粗大（A)或坚硬（B〉，拉折一般发生在骨 样本中郎^:2]

二、弯曲试验（Bending test)

穹曲试验被大坩采用对骨干骨密质的力学特性的测 定巧曲试验包括对完粮卄干或从骨干取材后密质 骨条状样本的三点弯曲（图33-2A,B)和完整#干的四 点弯曲试验二种（图33-3A),但四点弯曲试验主要用于 对骨干针折愈合或#折闶定效果的力学评定（图 33-3B)^:2、在进行弯曲试验时，受力面承受压力负荷，时 对侧则受张力负荷（图33-4>。由于竹主要起支撑作

用，受压力负荷的能力大于张力负荷，骨折的部位通常首 先发生在受张力曲。在选用弯曲试验时，要计算测试骨 样横断面的惯姑距（cross - sectiona 丨 moment ofinertia: CSM丨），以获得M料在测试轴横断面上的分布和计W出 相应的应力大小。定M计箅机断层扫描（QCT)可自动梢 确的计袢出竹的横断面惯世距。实验证明，QCT所提供 的付应力参数（bone strength index, BS1),即综合横断面 惯fi距和胥质密度的参数，最能反映长骨的最大弯曲软 荷.为非破坏性力学试验提供了有效的应用方法学 可见，除骨密度以外，骨材料的结构分布，对付的承受应 力大小影响办很大（图33-5)。提示研究药物对竹强度 的影响不仅耍针对骨质密度进行分析，亦要重视对骨结 构改变的研究，因为付的整体力学强度是由两者共同 决定。

(A)   (B)

阁33-2对条形骨样本（A>或长骨(B>进行的三点弯曲试验 F:压力；d:在iK力作用K骨的弯曲形变；L:下位两支撑点的 »离

图33-3对完粮针干（A)或骨折固定段（B)进行的四点弯 曲试验

F:压力；d:在压力作用下骨的弯曲形变_；a:M侧h位支点与 下位支点的水笮投影距离；L:下位两支撑点的距离

*力增大-—一 〇 一►压力壜大

33-4在对长骨进行弯曲试测时受力面（F)承受压力负 荷，而对侧則受张力负荷^[9]

ABC

图33-5横断曲相似但形态结构分布不同的材料对所承 受的应力大小的影响

A:实心的柱体材料；B:外径较细的空心柱体；C:外径较粗的 空心柱体

三、压力试验（Compressive test)

(一）对制备骨样本的测试 压力试验的主要优点是可以选择测试时的受力方向 与#活体的生理受力方向基本相似。m力试验方法较简 申，常用于骨松质力学特性的测试^[568HM21。在测定骨 松质压力特性时，可采用制备游离或非游离骨松质小样 本进行压力试验（图33-6A,B)。出于在制备游离•松 质样本时破坏r骨小梁的边界结构联接，游离骨松质样 本的应力和弹性模拔都会小于非游离骨松质的样本^[〃^]。 与拉伸试验相比，压力测试结粜会受竹与外力之间相对 挤压所产生的“终端”效应的影响。如骨样本的上下面受 力方向不一致，也会导致较小的应力和弹性模世。如制 备具有两个绝对并行接口的样本有困难.可采用特制的 自动调节平面板来减少压力试验时的应力集中现象（图 33-7A,B)¹²¹。另外微米压痕法（Mi_cr〇i_nd_emation)[m⁴】 和纳米压痕法（Nanoindentation)^{[ |5}‘^|6:也被用于对包埋或 末包埋的钟样本骨密质、骨松质、共至单个骨小梁进行局 部点式刻压测试（图33-8)。

(S 33-6游离骨松质样本<A)与非游离件松质样本（B〉的 压力试验^[_²¹

图33-7压面不平衡的#松质样本的测试^

A:所制咎的骨松通样本受;K面不平衡.会造成测试议差。 B:用特别自动调许平面板可获得均勾的测试结果

(二）对骨整体结构的测试

老年性股卄近端骨质疏松性骨折已经成为导致全球 老龄者致残与死亡的主要厣因之一W "⁰。《关N食品与 药物钎理委员会一骨质疏松研究指南>建议应用标准啮 齿类动物模型——大鼠去卵巢大鼠的股骨近端作为力学 测试研究对象，从而对股骨近端的测试在防治骨质疏松 实验研究中比其他部位史有临床意义^[17-~。股骨近端 模拟测试方法主要包括侧向的“摔倒姿势”和垂直的“站 立姿势”的力学测试方法。

1.  侧向“摔倒姿势”的模拟力学测试^[191模拟侧向 “摔倒姿势”的力学测试方法是将化学试剂按比例混合灌 人塑料管，等凝固达到一定程度，将股骨标本垂直插人塑 料管。一旦股骨标本、塑料管与包埋物完全凝结，就可装 到特制的“模拟摔倒姿势”的夹具上固定，调节股骨标本 与水平线呈HT夹角.股骨头内旋丨5\大转子紧貼放有一 层硬质橡胶的夹H底板（阁33-9A-B)。粮套夹具水平 放在衬料试验机的测试f台上，压头（装有凹陷形状的加 载杯与股骨头形状相合〉对准股骨头侧向加栽，记录标本 加载过程中的形变曲线、最大我倚和其化相关力学参 数叫。

2.   垂直“站立姿势”的力学模拟测试股骨标本 装到专门设计的夹U上.股骨干与水平线垂直。幣套夹 具水平[51定在M料试验机的测试平台上，压头对准股骨 头垂直加载.记珙最大载荷作为股骨近端骨强度的测坩 值和K他相关力学参数。

ffl 33 - 9A - B大鼠股骨近瑙模拟侧问“押倒姿势”的 力学测试实际ra(A>与示意ra(m

W33-8纳米刻成测试（Nono - im丨ematiion〉进行W邰卄 m织点式刻压测试^|5](白色府头所示纳米级刻压痕>

图33-9C大鼠股骨近端換拟垂貞“站立姿势”的力学测试 示意ra

四、剪切试验（Shear test)

剪切试验一般用于厚度为5 — 10mm的骨密质即伢 皮质样本的力学测试。为了获得准确的剪切试验数据笛 耍制造特殊的夹具，如轨道型剪切夹U和槽型扭转夹U 来减少测试误差（阁33-丨0)^[2]。但由于骨很少承受单 纯的剪切应力，且测试方法较为复杂，使用不广。

五、扭转试验（Torsiona丨tes〇

扭转试验主要用于测试管状长竹的抗扭转能 力^²^¹。测试的要将骨的二端用塑料脂或低溶点合 金进行包埋，然后用具有扭转或具有双轴的，即拉压和扭 转轴功能的材料力学试验机进行测试（图33- 11)。 r扭力矩

六、拔出试验和阻力距试验（Pull-out test and torque test)

这两个试验方法并非用来测ft传统的骨的力学特 性，但常用于骨科研究。抜出试验是测世如骨质疏松骨 折固定中固定接骨板与骨之间或固定骨接口间嫌钉与竹 或以及用于加固骨质强度的生物材料之间结构稳固程度 (图33- 同拔出试验相似，阻力距试验足用来测

试闶定或松起螺钉时的阻力距大小^[2^²⁴¹。

样本

圆钉 蠔钉

图32-12拔出力学试验示息图以及圆钉 与螺钉栽荷-形变曲线对比

七、疲劳试验（Fatigue test)

压力、拉伸、弯曲和扭转试验都可用来对骨材料进行 疲劳测试，但所霜材料力学测试机芾从有可调询期性负 荷的功能。负荷强度越大，导致疲劳性卄折的所X频次 则越少抗疲劳能力是骨的力学质里的一个重要 标志。但由于疲劳试验对实验仪器有特殊要求，试验时 间长，在实际应用中有局限性。H前大多数骨材料力学 实验室仍采用简易的单轴拉伸、压力和弯曲试验。

八、其他测试方法（Other testing methods)

根据研究：要和科学技术的发展还会见到和出现一

些可应用于针组织生物力学测试的方法。在此简介两种 与声学相关的“无创”测试技术。

(一）   超声波测试

声波在钢轨中的传导速度快于其在空气中的传导速 度。这可通过监听火车钢轨预知火车到来的例子中得以 证实。声波在固体内的传导速度取决于闶体自分的衬料 的密度和弹性模鱿。由于超声波的频率大于2MH_Z,所 以超声波对测域松质骨的弹性模1比密质卄史为有 效测试的方法娃将具有并行接口的骨样本放® 于超声波发生和接收器之间.测定超声波在钟样本中传 导速度和袞减度（图33-13)。超卢波试验法优于上述 骨宵接力学试验法在于不笛价格昂贵的材料力学测试机 和测试过程不损坏骨标本的组织结构。这种非破坏性测 试使得超声波法能对竹样本进行多次重复测试。

(二）   扫描声导纤维镜

近来在骨生物学研究中，一种仿声能聚焦顷理来测 ft骨组织对声的传导反射率，从而反映#的材料力学特 性。扫描声导纤维镜可测M 100/im²面积内骨的局部特 性，包括中一卄小梁和伢活组织；同时也能测话包埋在塑 料脂内针样本的生物力学特性，卨频导纤维镜（400〜 lOOOMfhOH有使骨样本微细结构消晰成像的功能（图

33-14A,B)^[28 作者最近的-张研究发现，扫描声 导纤维镜#组织图像灰度与其矿化度和力学特征高度相 关，这使得我们可利用现代生物图橡技术分析骨组织内

部生物力学特征^[30]。

骨样本

夂超声波发生器

图33-13超声波测定声波通过 伢样本的传速度和袞减^12]

A:600MH_Z|3描卢导纤镜成俅的不同灰度级的#单位；灰度越大（深），丧明骨钙化度越低.声反射宇越低 B:同Affl间一K域的电子图橡成都华西华科研究所分析研发定量CT QCT骨密度体模软件分析系统  
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