王建朝 李升 劉國(guó)彬 張曉娟 殷兵 胡祖圣 吳衛(wèi)衛(wèi) 張英澤

（河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院骨科 河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050051）

脛腓骨遠(yuǎn)端是踝關(guān)節(jié)的重要組成部分。內(nèi)踝是脛骨遠(yuǎn)端的凸起，外踝是腓骨遠(yuǎn)端，二者通過下脛腓前韌帶、骨間韌帶、下脛腓后韌帶、下脛腓橫韌帶固定在一起形成踝穴。踝關(guān)節(jié)處于肢體遠(yuǎn)端，是骨折及運(yùn)動(dòng)損傷的好發(fā)部位。根據(jù)AO骨折分類原則，脛腓骨遠(yuǎn)端包含43節(jié)段及44節(jié)段的大部分，其骨折發(fā)病率占脛腓骨骨折的47.47%，全身總骨折的7.57%（按部位計(jì)）[1]。由于踝關(guān)節(jié)特殊的解剖結(jié)構(gòu)和生理功能，其骨折后在治療上的要求較其他部位更高[2]。不僅如此，由于脛腓骨下端屬于通過韌帶連接的微動(dòng)關(guān)節(jié)，下脛腓聯(lián)合失穩(wěn)后使用傳統(tǒng)拉力螺釘內(nèi)固定容易出現(xiàn)螺釘斷裂等內(nèi)固定失敗[3]。踝關(guān)節(jié)是人體重要的負(fù)重關(guān)節(jié)，其健康狀態(tài)直接關(guān)系到運(yùn)動(dòng)功能，踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷導(dǎo)致的踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎會(huì)顯著損害人體運(yùn)動(dòng)能力。正常的踝關(guān)節(jié)較少發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎，如果其生物力學(xué)功能遭到破壞，如發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或慢性不穩(wěn)定等，踝關(guān)節(jié)較其他關(guān)節(jié)更易發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎[4,5]。因此，針對(duì)脛腓骨遠(yuǎn)端的解剖及外傷后治療策略的研究倍受重視。由于脛腓骨負(fù)重的差異導(dǎo)致的骨組織功能性適應(yīng)，脛腓骨遠(yuǎn)端局部骨組織必然存在生物力學(xué)性能的差異。既往的研究多集中于踝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)[6]、韌帶連接[7]、外傷治療策略[8]及內(nèi)固定前后的生物力學(xué)變化[9,10]，尚缺少對(duì)與組成踝關(guān)節(jié)近端的脛腓骨生物力學(xué)性能差異及影響的研究。另一方面，近年來隨著組織工程學(xué)技術(shù)如3D 打印等的不斷發(fā)展，制造更好的仿生骨需要對(duì)骨組織的生物力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行更加深入的研究。針對(duì)這一現(xiàn)狀，筆者團(tuán)隊(duì)使用顯微壓痕（micro-indentation）技術(shù)測(cè)量了脛腓骨遠(yuǎn)端骨質(zhì)顯微硬度分布特征，在此基礎(chǔ)上分析脛腓骨松質(zhì)骨的生物力學(xué)性質(zhì)差異，為脛腓骨遠(yuǎn)端骨折發(fā)生機(jī)制、內(nèi)固定策略的選擇等研究提供理論基礎(chǔ)，并為3D 打印與人體結(jié)構(gòu)和功能相近的仿生骨提供數(shù)據(jù)支持。

1 資料與方法

1.1 標(biāo)本制備

本研究采用的脛腓骨標(biāo)本取自3位尸體捐獻(xiàn)者，新鮮冰凍尸體標(biāo)本由河北醫(yī)科大學(xué)提供。3 位捐獻(xiàn)者的年齡分別為62歲（男性，捐獻(xiàn)者A），45歲（女性，捐獻(xiàn)者B）和58 歲（男性，捐獻(xiàn)者C）。對(duì)標(biāo)本行X 線及CT 檢查確定骨量正常，并除外影響骨量及骨骼健康的疾病。筆者團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的骨硬度系列研究使用了此3具標(biāo)本的不同部位，本研究選取脛腓骨遠(yuǎn)端進(jìn)行研究。取出右側(cè)脛腓骨，剔除軟組織，按照AO 原則將脛腓骨分為近端、骨干、遠(yuǎn)端三節(jié)段。使用微型臺(tái)鋸和高精度慢速鋸（BUEHLER11-1280-250，Buehler，Ltd.，USA）垂直于脛骨力線，將脛腓骨遠(yuǎn)端依圖1 所示取得3 mm 厚骨骼試樣，固定于純平玻片上并進(jìn)行標(biāo)記。使用800、1000、1200、2000目砂紙依次打磨標(biāo)本，打磨后將擬行骨硬度測(cè)量的試樣放入-20°C冰箱恒溫密封保存。

1.2 顯微硬度測(cè)量

使用德國(guó)KB-5 型顯微硬度儀（Model KB5BVZVideo，Germany）配合維氏鉆石壓頭測(cè)量骨顯微硬度（HV，1 HV=1 kgf/mm2）。每次測(cè)量前，將所測(cè)量樣本浸入林格液中0.5 h 再水化[11]。在每次壓痕操作前，使用顯微鏡確定實(shí)驗(yàn)區(qū)域遠(yuǎn)離邊緣，測(cè)量區(qū)域骨表面完整，每次測(cè)量保持足夠遠(yuǎn)的距離（大于3 倍壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度）避免相互影響。按照?qǐng)D1B 所示將每個(gè)待測(cè)量骨骼樣本分為前、內(nèi)、后、外側(cè)4 個(gè)區(qū)域，分別以A、M、P、L表示。脛骨遠(yuǎn)端層面3位于內(nèi)踝區(qū)，骨骼試樣較小且形狀狹長(zhǎng)，故分為前、后側(cè)2個(gè)區(qū)域，分別以A、P表示。每個(gè)區(qū)域進(jìn)行5次有效顯微硬度測(cè)量，全體有效值的平均值作為該部位的硬度值。根據(jù)以往的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，2條對(duì)角線明顯不等長(zhǎng)（差異大于10%）的壓痕被視為不合格，其結(jié)果不予采納并重新測(cè)量。為消除蠕變等因素帶來的誤差，本研究采用50 s加載至0.49 N，維持12 s標(biāo)準(zhǔn)操作方法進(jìn)行測(cè)定[12-14]。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。脛腓骨遠(yuǎn)端硬度值經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均符合正態(tài)分布，以表示。采用單因素方差分析分別比較脛腓骨遠(yuǎn)端各層面、各部位，各脛腓骨遠(yuǎn)端標(biāo)本硬度值差異，進(jìn)一步組間兩兩比較采用Scheffe檢驗(yàn)；采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較脛腓骨遠(yuǎn)端總體、同一層面及同一標(biāo)本脛腓骨遠(yuǎn)端硬度值差異。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

在每個(gè)脛腓骨遠(yuǎn)端標(biāo)本中，分別進(jìn)行有效壓痕實(shí)驗(yàn)110 次并取得硬度值。脛腓骨遠(yuǎn)端各層面和位置硬度差異見圖2。

圖1 脛腓骨遠(yuǎn)端標(biāo)本取樣及分區(qū)

圖2 脛骨遠(yuǎn)端各標(biāo)本不同位置硬度分布圖

2.1 脛骨遠(yuǎn)端骨硬度分布特征

脛骨遠(yuǎn)端總體硬度值為26.0～49.4 HV，平均（39.8±5.2）HV。

脛骨遠(yuǎn)端各層面硬度值比較，層面1＞層面2＞層面3。層面1、2 間硬度值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而層面1、2與層面3間硬度值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表1）。

脛骨遠(yuǎn)端同一層面前、內(nèi)、后、外側(cè)各部位硬度值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表2）。

2.2 腓骨遠(yuǎn)端骨硬度分布特征

腓骨遠(yuǎn)端總體硬度值為25.1～48.2 HV，平均（37.2±4.4）HV。

腓骨遠(yuǎn)端各層面硬度值比較，層面2＞層面1＞層面3（表1），且任意兩層面間硬度值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

腓骨遠(yuǎn)端層面1、2前、內(nèi)、后、外側(cè)各部位硬度值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。腓骨遠(yuǎn)端層面3 外側(cè)硬度值均高于其他各部位，且差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表3）。

2.3 脛腓骨遠(yuǎn)端硬度值比較

脛骨遠(yuǎn)端總體平均硬度值大于腓骨遠(yuǎn)端，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=4.759，P＜0.001）。同一層面比較，脛骨遠(yuǎn)端層面1硬度值大于腓骨遠(yuǎn)端，層面3硬度值小于腓骨遠(yuǎn)端，且差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；層面2 硬度值稍大于腓骨遠(yuǎn)端，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表1）。

2.4 各脛腓骨遠(yuǎn)端標(biāo)本硬度值比較

3 個(gè)脛腓骨遠(yuǎn)端標(biāo)本硬度值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。同一標(biāo)本的脛骨遠(yuǎn)端硬度值均高于腓骨遠(yuǎn)端，且差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表4）。

3 討論

顯微壓痕技術(shù)測(cè)得骨顯微硬度能夠反映骨密度測(cè)量難以評(píng)價(jià)的骨質(zhì)量[15]，其數(shù)值與骨組織的彈性模量及屈服強(qiáng)度有著很好的正相關(guān)性[16]。它可以反映骨組織的生物力學(xué)性質(zhì)，本研究詳細(xì)測(cè)量了脛腓骨遠(yuǎn)端松質(zhì)骨的硬度分布，為脛腓骨遠(yuǎn)端解剖學(xué)特征提供了一定的補(bǔ)充。

表1 脛腓骨遠(yuǎn)端不同層面硬度值比較（，HV）

表1 脛腓骨遠(yuǎn)端不同層面硬度值比較（，HV）

注：a與脛骨遠(yuǎn)端層面3 比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）；b與腓骨遠(yuǎn)端層面2比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）；c與腓骨遠(yuǎn)端層面1比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）

表2 脛骨遠(yuǎn)端同一層面不同部位硬度值比較（，HV）

表2 脛骨遠(yuǎn)端同一層面不同部位硬度值比較（，HV）

注：“-”表示無數(shù)據(jù)

表3 腓骨遠(yuǎn)端同一層面不同部位硬度值比較（，HV）

表3 腓骨遠(yuǎn)端同一層面不同部位硬度值比較（，HV）

注：a與腓骨遠(yuǎn)端層面3外側(cè)比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）

表4 不同脛腓骨遠(yuǎn)端標(biāo)本硬度值比較（，HV）

表4 不同脛腓骨遠(yuǎn)端標(biāo)本硬度值比較（，HV）

骨的外形和材料性質(zhì)受到基因和承重歷史的雙重調(diào)節(jié)[17,18]，局部承受應(yīng)力/應(yīng)變的改變可以改變骨的形狀及材料性質(zhì)。Curry等[19]研究認(rèn)為，日?；顒?dòng)中承受應(yīng)力/應(yīng)變更高的部位骨組織硬度會(huì)增大以適應(yīng)局部的力學(xué)環(huán)境。而骨的功能性適應(yīng)理論認(rèn)為，局部應(yīng)力/應(yīng)變較高的區(qū)域骨組織礦化增加，硬度增大[20]。Rantalainen等[21]研究發(fā)現(xiàn)，脛腓骨所處的生物力學(xué)環(huán)境存在著相當(dāng)?shù)牟町?，此差異?dǎo)致了脛腓骨骨礦含量（定量CT 測(cè)得）的不同。本研究中，脛骨和腓骨遠(yuǎn)端的平均硬度值分別為（39.8±5.2）和（37.2±4.4）HV，脛骨硬度大于腓骨。脛骨骨組織硬度更高，屈服強(qiáng)度更大，只有高能量損傷時(shí)（垂直壓力）才會(huì)導(dǎo)致Pilon 骨折。另一方面，肢體遠(yuǎn)端主要承受壓應(yīng)力，故而脛腓骨遠(yuǎn)端對(duì)壓力耐受性高于其他方向受力，踝關(guān)節(jié)更容易因扭傷（彎曲和扭轉(zhuǎn)）出現(xiàn)骨折及韌帶損傷。

踝關(guān)節(jié)承受身體大部分負(fù)荷，下脛腓聯(lián)合是踝關(guān)節(jié)的重要穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，它屬于微動(dòng)關(guān)節(jié)，可隨踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生復(fù)雜的三維活動(dòng)。一般認(rèn)為腓骨負(fù)重占下肢整體負(fù)重的6%～19%[22]，由于脛腓骨各層面負(fù)重大小及方式的不同，其骨材料的生物力學(xué)性質(zhì)也會(huì)有相當(dāng)?shù)牟町悺?/p>

在下脛腓聯(lián)合近端的層面1，脛腓骨的骨組織平均硬度分別為（42.2±4.0）、（37.0±4.0）HV，脛骨硬度大于腓骨與脛骨承受較大應(yīng)力有關(guān)。在這一層面，脛腓骨主要承受壓應(yīng)力，脛骨作為主要承重結(jié)構(gòu)承受了較大的應(yīng)力。在下脛腓聯(lián)合水平的層面2，脛腓骨硬度差異減小，分別為（41.0±3.4）、（39.9±3.7）HV。在此層面，腓骨相對(duì)于脛骨的運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置能夠調(diào)節(jié)脛腓骨負(fù)重比例，并維持踝關(guān)節(jié)的力學(xué)穩(wěn)定[23]，由于韌帶的限制作用，腓骨在腓距關(guān)節(jié)的推動(dòng)下承受了部分非垂直方向應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，其硬度增大與其承受的應(yīng)力變化有關(guān)。此結(jié)果與踝關(guān)節(jié)有限元研究相符，認(rèn)為距骨傳遞給脛腓骨的力會(huì)首先施加于腓骨，腓骨承受了較大的應(yīng)力[24]。在此層面，脛骨硬度較近端減小與脛骨遠(yuǎn)端膨大以分散應(yīng)力、保護(hù)軟骨有關(guān)。

在下脛腓聯(lián)合以下的層面3，脛腓骨的硬度分別為（32.5±3.1）、（34.8±4.1）HV。在踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)，堅(jiān)強(qiáng)的三角韌帶是限制踝關(guān)節(jié)外翻和外旋的主要結(jié)構(gòu)[25]，內(nèi)踝承受應(yīng)力較小是其骨硬度較低的主要原因。雖然內(nèi)踝骨組織硬度較低，但由于它較外踝短約1 cm，只有在踝關(guān)節(jié)嚴(yán)重失穩(wěn)距骨傾斜后才容易受累而出現(xiàn)骨折。腓骨遠(yuǎn)端層面3外側(cè)硬度值高于其他位，且差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，分析原因可能與此處在步態(tài)周期中受到較高的應(yīng)力有關(guān)。在踝關(guān)節(jié)背伸時(shí)，腓骨遠(yuǎn)端在距骨推動(dòng)下會(huì)發(fā)生后移和外旋[23,26]。在步態(tài)周期的第二階段，即在整個(gè)步態(tài)周期進(jìn)行到40%時(shí)踝關(guān)節(jié)背伸程度達(dá)到最大，同時(shí)踝關(guān)節(jié)承重達(dá)到最大值，約為身體重量的4.5倍[25]。此時(shí)，距骨推動(dòng)腓骨遠(yuǎn)端使其后移和外旋，在此合力的力矩作用下，腓骨遠(yuǎn)端外側(cè)骨質(zhì)承受較大的壓應(yīng)力。應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致此處的骨組織發(fā)生功能性適應(yīng)，骨硬度增加。

骨顯微硬度與骨材料的彈性模量有著很好的正相關(guān)性，因此本研究結(jié)果可為3D 打印技術(shù)提供一定的補(bǔ)充。3D打印技術(shù)能夠根據(jù)患者不同骨骼的具體解剖數(shù)據(jù)，逐層將生物材料堆集并形成與目標(biāo)組織一致的三維生物材料結(jié)構(gòu)，可快速精確地重建骨缺損，還可以打印生物支架促進(jìn)骨骼再生[27,28]。但3D打印的植入物通常為均質(zhì)材料，難于與正常骨組織的彈性模量/剛度相匹配，可能造成植入物周圍骨吸收等問題，導(dǎo)致植入物松動(dòng)。理想的3D 打印骨植入物的生物力學(xué)特性（如彈性模量及屈服強(qiáng)度等）應(yīng)盡可能與原生骨一致，以減少植入后不良事件如植入物松動(dòng)、斷裂等的發(fā)生。本研究得到的脛腓骨遠(yuǎn)端骨組織顯微硬度分布特征，為制造與人體骨骼彈性模量一致的仿生骨/生物支架提供了詳盡可靠的數(shù)據(jù)，為3D打印技術(shù)提供了新的視角。