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骨的力学特性与层次结构 摘要：大量的文献都描述了骨的结构特征。但是骨的机械特性，特别是在微米级和纳米级的情况下的机械特性依然缺乏了解。本文通过综述可用的机械数据，重点讲述骨的复杂层次结构与力学性能之间的关系。尝试预测骨的机械性能通过混合物的复合公式得到差强人意的成功。尝试按照混合物的复合公式制作混合物来预测骨的机械性能得到了差强人意的结果，这就表明一个精确的模型应该同时包括分子之间的相互作用或骨的通道运输亚基传递载荷的物理机制。在更多的关于各种有机和无机组分间的相互作用机理的信息被发现之前，很难构建这种模型。因此，在材料级别上关于机械性能更多的了解，不仅可以在“结构层次”上进行研究以填补我们相关的知识空缺，而且可以达到对骨的力学性能更全面的了解。 背景 骨有许多不同尺度的材料结构用于执行统一的各种机械、生物和化学功能例如：结构支撑，保护和存储愈合细胞，和矿物离子平衡。在讨论骨结构形态是怎么分层和复杂构成的时候，模型大小是一个很重要的因素。每一种评估骨结构或者研究给定尺度下的骨的结构属性都有一定的分辨率，因此一种可以在不同尺度下都可以展示材料的结构和性能的综合的模型制作技术是很有必要的：例如在检测骨超微结构的时候电子显微镜的尺度在纳米级，付立叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线测量部件在埃级，光学显微镜的细节特征在几微米的级别，和常规的机械试验小试样测定骨的机械性能在几百微米或更大的级别（最好）。 为了了解骨材料的机械性能，了解其各个组分的机械性能和各个层次结构上的结构关系（如图1-3）是十分必须的。这些结构和层次包括：（1）宏观结构：松质骨和皮质骨；（2）微结构（10-500mm）：哈弗系统、骨单位、单骨小梁；（3）亚微结构（1-10mm）：片层；（4）纳米结构（几百纳米到一毫米）：纤维状胶原和嵌入式矿物；（5）亚纳米结构（几百纳米以下）：骨的构成元件，如矿物、胶原和非胶原有机蛋白质的分子结构。这种方式进行组织结构的分级（如图一）虽然不是很规范，但是经过优化、排列和取向使得这种方式分级可以分开骨异构和各向异性的不同材料。 已经有研究表明在不同的结构层次下骨的机械性质也会发生变化。例如，拉伸皮质标本的杨氏模量在14-20GPA（湿标本，宏观结构性能）与在5.4GPA下微弯皮质标本（湿标本，显微结构性能）有所不同。但是，目前尚不清楚这种差异是否是由于测试方法或微观结构的影响导致。 最近骨单位板层骨的杨氏模量通过纳米压痕测定大约为22GPA（干样品，亚显微结构性能），这个尺度接近于宏观结构。同时，目前尚未有杨氏模量在纳米结构上的数据。骨的基本构造单位（磷灰石晶体和胶原纤维）是非常小的，以至于几乎不能用机械检测磷酸磷灰石的板状晶体长度和宽度都只有几十纳米，厚度只有2-3纳米。各种胶原的宽度只有几纳米（单个纤维，1.5-3.5纳米；多个纤维，50-70纳米；纤维束，150-250纳米）。通过逆向推导混合物的复合模型推断宏观结构力学性能进而推算其主要成分（胶原蛋白和矿物质）的属性的尝试都无功而返。因此，可以推测根据股材料各个层次或架构分解骨单位进行力学测试才是重中之重。 2宏观结构 2.1皮质骨和松质骨 在宏观层面上，骨被区分为皮质（或压缩）骨和松质骨（有间隔的）两种类型。在长骨（如股骨）的末端横街面上，皮质十分紧实的外壳，而内部则是多孔、网状构造。扁平骨如颅骨则具有夹层结构：拥有很薄的紧致的皮质层用来增强内部网状结构的强度。虽然这两种类型的骨组织（皮质骨和松质骨）最简单的区分方式是其孔隙率和密度（9.10）程度的区别，但是其真正的差异还是在于显微组织的组织学评价的不同。但是，紧凑粗松质骨（如同Enlow[11,12]）的结构肉眼观察十分模糊而且难以将其余两种类型的骨任意一种区分开来。这种骨是由不需要新陈代谢的松质骨重构作为支架，并且皮质骨缠绕作为支架的松质骨周围形成。松质骨的微观结构是由不规则的片层曲折缠绕压缩构成。与此相反，皮质骨的微观结构是圆筒状薄片规则排列状态。因此，只有通过微观结构进行分类才是最可靠的。 一些研究者把皮质骨和松质骨都作为具有高度可变性的多孔结构或者表观密度（质量/总体积，包括孔隙）的单一形态材料。也有研究者认为这两种类型的骨是由不同材料构成。在一般情况下，松质骨相比被改造成矿化的皮质骨中的动脉具有更加活跃的新陈代谢活动，因此松质骨要比皮质骨的平均年龄更年轻。因此，即使松质骨和皮质骨由相同材料构成，皮质骨由于材料的成熟度更高也可改变其微观水平的机械性能。 用所构成的结构和材料特性描述松质骨的性质，松质骨由作为支撑的骨小梁和填充空腔的骨髓构成。骨小梁和孔隙都在结构特性的定义下都不属于本证特性，按照材料特性的本质定义划分也只有骨小梁符合要求。结构特性对于骨的整体应力分析十分重要，但是材料性能则对各种骨骼病症的表征、微观