骨微试件三点弯测试及裂纹内桥联的显微观察-北京工业大学学报.pdfVIP

第 37卷 第 10期 北 京 工 业 大 学 学 报 Vo1．37 No．10 2011年 10月 JOURNALOFBEIJING UNIVERSITY OFTECHNOL0GY 0ct．2O11 骨微试件三点弯测试及裂纹 内桥联的显微观察 钟红刚 ，韩 东 ，谢家仪 ，王存新 (1．北京工业大学 生命科学与生物工程学院，北京 100124； 2．中国中医科学院 骨伤科研究所 生物力学实验室，北京 100700；3．国家纳米科学 中心，北京 100190) 摘 要 ：通过对不同方向取材的皮质骨微型骨试件在湿润和干燥 2种环境 中进行三点弯测试 ，获得其载荷一挠 度 曲线 ；同时通过显微光学录像观察了裂纹内纤维桥联的产生和断裂过程 ；并通过环境扫描电镜观察 ，发现哈佛 氏骨板 间开裂裂纹 内纤维桥联分为相对弥散而众多的胶原原纤维束和相对粗大强韧但较少可数 的致密骨板两 种．通过骨微试件三点弯测试方法能对非均匀各 向异性骨材料 的生物力学特性进行精细分析． 关键词 ：骨材料 ；微裂纹 ；桥联 中图分类号：R318．01 文献标志码 ：A 文章编号 ：0254—0037(2011)10—1565—05 对骨组织及其结构单元哈佛氏骨单元和骨小梁的显微力学测试开始于20世纪 60年代 ．对于不 同 的研究 目的，实验测试手段各有不同的侧重点．1990年 ，Ascenzi等 报道了单个哈佛氏骨单元的显微弯 曲测试方法．采用厚壁圆筒简化模型，计算得到所取人股骨中段横切片中的哈佛 氏骨单元 的弹性模量为 (2．32±1．23)GPa．而 1993年 ，Rho等 采用超声测试获得人胫骨上端单个骨小梁的弹性模量为 (14．8± 1．4)GPa，同一胫骨骨干密质骨微试件弹性模量为 (20．7±1．9)GPa．1999年 ，Rho等 采用纳米压痕技术 测得人胫骨干标本 中取材的间质骨板弹性模量为 (25．7±1．7)GPa，纵向哈佛氏系统骨板为 (22．4±1．2) GPa．可以发现 ，随着测试技术越来越精细 ，测试定位越来越准确．但测试结果随样品来源 以及测试方法 的不同仍有不小的差异． 骨 内的单根胶原原纤维 由数千个三螺旋结构的原胶原分子组装而成．哈佛氏系统环层骨板 由众多的 胶原原纤维交错排列并矿化而成．径向纵切片上可观察到交替排列的致密骨板和疏松骨板 2种．显微裂 纹往往产生在2种骨板 的交界面 ．实际上是胶原纤维与羟基磷灰石界面分离． 影响骨微小局部材料常数的因素很多 ，其 中水 的作用非常明显 ，湿润与干燥骨 的力学特性有很大差 别．骨中包含的胶原分子和羟基磷灰石晶体都包含有亲水基 团 ，干燥使骨材料脆性增大 ，韧性减小 ，更 容易断裂．虽然在分子模型理论分析中有较为详细的推理和假说 ，但是具体的作用机制还不明确．Nyman 等 2005年报道室温至 110℃骨干燥 30min到4h不 同条件下，试件断裂功逐渐下降．其 中35mm ×4 mm×2mm尺寸的试件在室温干燥 30min，断裂功 已下降到40％．Currey 在 1988年报道新鲜皮质骨与 经过室温25d干燥后再湿润的皮质骨的弹性模量没有显著差异 ，其弯 曲强度也只下降了5％．这表 明一 定条件下，例如室温环境 自然干燥 ，湿润和干燥过程对骨试件的力学特性影 响是可逆 的． 1 测试方法与样 品准备 本文所采用的三点弯测试装置为 自行研制．主体采用钛合金 ，所有导线经过防水的环氧胶保护 ，外表 面涂敷硅橡胶．测试装置主体尺寸60mm ×30mm ×10mm，安装于载玻片上．在光学显微镜下观测三点 弯 曲过程．通过计算机数字录像系统 ，实时记录三点弯样品的弯曲直至破坏的全过程． 如图 1，微型三点弯试验台主要包含支撑阶梯 、加载运动装置和测力装置 3部分．采用片状钛合金材 收稿 日期 ：2009—11—16． 基金项 目：北京市 自然科学基金资助项 目(7072050)． 作者简介：钟红刚 (1966一)，男，湖北天门人，博士研究生，副研究员 万方数据 北 京 工 业 大 学 学 报