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目的:通过研究大鼠骶骨骨折及骶神经损伤的生物力学特性,明确决定神经的材料特性以及骶骨骨折的溃缩过程。并通过生物力学测试获取骶神经和骶骨的相关材料参数,使用逆向建模法建立骶神经三维结构模型,把生物材料结构特性赋予模型并获得一个虚拟实验标本。然后对模型加载不同实验条件进行仿真来研究骶骨骨折对神经压迫性损伤的关系。建立骶骨-神经压迫损伤有限元模型并结合神经功能学方法进行进一步的计算机仿真分析研究骶神经损伤机制以及明确骶骨变形与骶神经损伤程度的关系有重要的意义,并对临床骶神经损伤后行手术减压的有效性提供理论基础,还可以对研究机体其他部位外周神经压迫性损伤机制有一定指导意义。方法:本实验分为两部分,实验第一部分为研究大鼠神经根、腰骶干及骶骨的生物力学特性,采用INSTRON 5985(Instron Corp,Norwood,MA,USA)试验机对大鼠神经根及腰骶干进行匀速拉伸试验,拉伸速度为0.01mm/s,并在实验前对试样施加0.02N的预加载。试样来源于成年大鼠,通过麻醉后采集新鲜的试样并立即开展力学测试。试样在取出后和实验前,根据需要喷洒0.9%的生理盐水,以保持试样的水合状态。软组织分为腰骶干和神经根,其中腰骶干1 1个试样,神经根12个试样。为研究大鼠骶骨的生物力学特性,采用INSTRON 5985(Instron Corp,Norwood,MA,USA)试验机对大鼠骶骨进行匀速压缩试验,压缩速度为0.02mm/s,并在实验前对试样施加0.2N的预加载。通过麻醉处死后后采集新鲜的试样并立即开展力学测试。试样在取出后和实验前,根据需要喷洒0.9%的生理盐水,以保持试样的水合状态。骨骼为大鼠骶骨,共6个试样。实验第二部分为大鼠骶骨骨折致骶神经损伤有限元分析模型的建立。为模拟骶神经在骶骨骨折时的受力状态的相关有限元分析,首先需要进行神经材料参数的估算。使用图像的方式获取神经在拉伸试验前的几何参数。根据材料拉伸试验的经典力学公式,能够求出每个试样的工程应力-应变曲线,即不依赖于几何的神经材料的生物力学特性。通过模拟拉伸试验来确定神经的材料参数,然后利用该材料参数模拟神经受压时所能承受的载荷。假设神经为均质圆柱形,将简化后的的三维几何模型直接导入软件Hypermesh进行几何模型的优化,定义模型的单位,设定实常数,定义材料属性,进行网格划分,最终建立骶神经有限元模型,并对其有效性进行验证,定义不同的压迫力量,通过有限元分析进行骶骨变形与骶神经损伤程度相关性的研究,并结合前期实验神经电生理以及压迫组织学研究的结果明确骶神经损伤机制。结果:因为大鼠神经根直径较小,无法通过直接压缩进行测试,因此采用INSTRON 5985试验机设定拉伸速度为0.01mm/s对大鼠神经根进行匀速拉伸试验。采用新鲜标本并保持测试过程中水合状态减少干扰。腰骶干神经测试发现能够承受的最大载荷可以达到1.56N。平均最大载荷为0.58N。神经根能够承受的最大载荷只有0.19N。平均最大载荷为0.097N。根据材料拉伸试验的经典力学公式,能够求出每个试样的工程应力-应变曲线,腰骶干的极限应力均值为0.530MPa,极限应变均值为48.9%。神经根的极限应力均值为0.377MPa,极限应变均值为28.9%。大鼠骶骨采用INSTRON 5985进行匀速压缩试验,压缩速度为0.02mm/s,实验前对试样施加0.2N的预加载。试样同样采用新鲜标本并保持测试过程中水合状态减少干扰。通过骶骨的压缩力-位移试验曲线发现骶骨在横向压缩过程中会出现2个阶段的溃缩过程。第一个阶段的溃缩对应于骶孔的压溃,压力约为32～70N平均47N。第二个溃缩阶段对应于椎体的压溃,平均力约为110N。本研究使用图像的方式获取神经拉伸试验前的几何参数,求出每个试样的工程应力-应变曲线。腰骶干在拉伸载荷中能够承受的最大应力为0.530MPa,而神经根则为0.377MPa。轴向拉伸试验仿真得到的神经的生物力学响应显示,在位移为2.17mm时对应的拉力约为0.58N,与试验中神经材料的生物力学吻合。可以使用该材料参数模拟神经受压时的生物力学响应,即该有限元模型具有有效性。径向压缩试验仿真显示骶孔压缩25%时神经承受的力约0.36N,50%时约0.91N,75%时约2.94N,90%时的最大力约为5.2N。根据神经根及骶骨有限元仿真分析,压迫10g,骶孔压迫程度约为15.54%;压迫30g,骶孔压迫程度约为22.94%;压迫60g,骶孔压迫程度约为33.16%。结合神经电生理研究因此可以得出结论,当骶骨骨折骶孔变形超过22.94%,骶神经出现功能丢失。当压迫超过33.16%即使减压神经功能也较难早期恢复。结论:1、利用INSTRON 5985生物材料测试机获取大鼠神经根、腰骶干以及骶骨的材料参数。神经根承受的载荷比腰骶干低,说明神经直径是决定其材料特性的主要因素,结合以往研究说明神经根比外周神经更易受损。2、骶骨Ⅱ、Ⅲ区(骶孔)是整个骶骨中最薄弱位置,当收到外力时,此区域首先出现骨折。3、利用有限元分析方法可以模拟骶骨骨折过程中神经受压,并可计算不同变形率神经受压所受的力量变化。