随着3D打印技术和骨科内固定技术的发展,3D打印机可以打印出外观和骨骼形态一样的骨骼模型,但是不能反应出骨骼的生物力学特性,而骨硬度作为一个综合的生物力学指标,可以反映骨组织的弹性变形、塑性变形和反破坏的能力,人体骨硬度分布的研究可以为3D打印提供生物力学数据,使其骨骼模型与人体骨骼生物力学弹性模量相一致,从而为设计与骨骼生物力学特性接近的内固定物及假体提供理论基础。骨硬度的大小主要与骨成分和骨结构、骨的弹性模量等有关。通常认为骨组织形态和结构的改变与力学负荷有关,人体不同部位力学负荷的不同可以导致骨硬度的差异。目前不同年龄的人的不同部位的骨折,均采取同样厚度的钢板,统一材料的内固定物,而不同骨骼及同一块骨骼不同部位硬度有差异、弹性模量有差异,内固定材料的硬度值及弹性模量与骨骼不能很好的匹配,容易导致应力集中,从而增加断钉断板率,为了避免应力集中,减少断钉断板率,应该采用与骨骼硬度及弹性模量相匹配的内固定材料,本研究为骨折个体化精准治疗提供理论基础。本实验通过研究尺桡骨骨硬度分布规律以及桡骨骨硬度与螺钉拔出力的关系来为骨科临床提供与人体骨骼相匹配的内固定材料和3D打印的理论依据和数字支持。尺桡骨骨折占全身骨折的6.3%,尺桡骨近端骨折占全身骨折的0.84%,尺桡骨干骨折占全身骨折的1.47%,尺桡骨远端骨折占全身骨折的3.99%。尺桡骨近端骨折占尺桡骨骨折的13.32%,尺桡骨干骨折占尺桡骨骨折的23.31%,尺桡骨远端骨折占尺桡骨骨折的63.38%。根据张英泽教授团队2003年至2007年对河北医科大学第三医院尺桡骨流行病学调查显示尺桡骨骨折是男性多于女性,左侧多于右侧,男性高发年龄为11-20岁,女性高发年龄为51-60岁。尺骨和桡骨共同构成前臂的骨性结构。前臂的近端是由肱尺关节和肱桡联合构成上尺桡关节,前臂的远端是由尺腕关节和桡腕关节区共同构成的下尺桡关节。尺桡骨之间由骨间膜连接,骨间膜由尺骨下方斜向桡骨上方走行,当前臂处于中立位时骨间膜处于紧张状态,当前臂处于旋前位置时,骨间膜处于松弛状态。尺骨近端主要由尺骨鹰嘴、冠突、尺骨粗隆构成,尺骨远端主要由尺骨茎突构成。桡骨近端主要由桡骨头、桡骨茎、桡骨粗隆构成。桡骨远端主要由桡骨远端、桡骨茎突构成。前臂的旋转主要是由桡骨围绕着尺骨旋转,尺骨相对较直,近段粗,远段细,桡骨上段细,下段粗,向外向后形成一个弧线,构成桡骨弓,桡骨弓的存在是前臂完成旋转动作的解剖学基础,因而尺骨承受更多的扭转应力,由于尺桡骨的长度是固定的,在前臂做复杂动作时,涉及到肘关节腕关节的屈伸和前臂的旋转,此时尺桡骨承受的旋转应力和张力是均衡的。桡骨远端是骨松质与骨皮质交界的地方,较为薄弱,容易导致桡骨远端骨折。当桡骨远端骨折发生短缩时,尺骨的负荷传到力量会增加,因而也很容易发生骨折。前臂纵向稳定性的维持除了与尺骨、桡骨有关外,还与骨间膜等结构有关,骨间膜的腱性部分承担着桡骨和尺骨之间大部分的应力传到。尺桡骨骨折的最主要的因素是跌倒外伤,其次是与影响骨的质量有关的一些因素,例如骨肿瘤、骨结核、骨质疏松等都会影响骨的质量,从而很轻微的外伤就可能导致骨折。骨密度是评价骨质量的常用方法之一,尺桡骨远端是骨密度的主要的测量部位之一,在尺桡骨远端骨折的患者中,骨质疏松患者所占比例是明显高于正常人的。桡骨远端的骨折发病率远远大于尺桡骨干骨折,除了与受伤方式有关,还可能与尺桡骨远端硬度值较桡骨干小,且桡骨远端是桡骨干与干骺端的移行交界区有关。骨质量是影响骨折的重要因素之一,骨的各向异性对骨折部位有着很重要的影响。而目前常用的生物力学实验,如压缩试验、拉伸实验、弯曲试验等都是作用于整个尺桡骨的,而且假设构成骨的材料与结构是均匀一致的,是用来研究整体骨的生物力学性能的,不能很好的显示骨的各个不同解剖部位的非均质性与各向异性。而目前用来评价骨强度两个指标骨矿密度和骨质量,研究表明骨密度只能反映60%-70%骨强度变化,骨质量是与骨矿程度,骨组织代谢转换率、骨微结构、微骨折等均有关。骨质量可以预测评估骨折风险,但骨质量是一个综合的指标,检测较困难。而骨硬度主要与骨矿含量、骨的微观结构等有关,是评价骨质量的重要指标。因而推测骨硬度对于预测骨折风险具有重要意义。骨折是骨的连续性部分或全部被破坏,是骨发生了塑性形变,骨硬度也与骨的塑性形变有关,因而推测骨硬度可能与骨折有一定的相关性。不同部位的骨硬度不同,可能与不同部位骨折流行病学的发病率相关,目前骨折内固定物都是金属均质的,而骨是非均质的,骨不同部位的硬度不同,内固定物的硬度相同,可能造成生物力学的不匹配。而骨硬度可以反映骨的非均质性,不同部位骨硬度的不同可能与手术方式及内固定物的置入均有一定的相关性。本实验通过研究尺桡骨骨硬度分布规律,来阐述尺桡骨骨硬度与尺桡骨骨折流行病学的关系。既往研究通过生物力学方法对尺桡骨进行了研究,但缺少对尺桡骨不同解剖部位的生物力学特性的研究,以及不同部位之间生物力学分布规律的研究和对比。本实验通过对尺桡骨不同的解剖部位进行骨硬度的测量,来探讨骨硬度在尺桡骨不同解剖部位之间的分布规律,以及其与尺桡骨骨折流行病学、骨折手术方式及尺骨鹰嘴的3D打印等内置物及尺桡骨的相关关系。尺桡骨骨折术后通常采用钢板、螺钉对骨折部位进行内固定,目前的钢板都是均质的,厚度一致的,而螺钉也是由同一种材料构成的。而骨骼是非均质性各向异性的组织,均匀一致的钢板和螺钉与骨的非均质性不匹配,是断钉断板的因素之一。由螺钉松动引起的内固定松动是骨折内固定术后的一个严重并发症。螺钉拔出力是反映内固定稳定性的一个重要因素,内固定的稳定行与螺钉的性能和骨的性能密切相关。螺钉的性能如螺钉长度,直径,螺纹等,骨的性能包括骨的体积,骨的组成和骨的结构。尺桡骨不同部位的骨硬度是不同的,通过探讨桡骨骨硬度与螺钉拔出力的关系,来探讨骨硬度与内固定稳定性的关系,为设计符合人体生物力学性能的内固定物提供理论依据。而目前3D打印出来的假体或内固定物都是均质的,而骨骼是非均质的,尺桡骨不同部位的硬度不同可以反映出骨骼非均质的特性,可以为3D打印与骨生物性能接近的内固定物和假体提供数字支持和理论依据。第一部分尺骨不同部位显微骨硬度的研究目的:通过测量三具新鲜尺骨标本不同解剖部位的显微骨硬度,来研究尺骨骨硬度的分布规律,并探讨骨硬度的分布规律与尺骨骨折流行病学、尺骨骨折及手术方式,内固定物的置入、肘关节置换等的相关关系。方法:将三个新鲜的尺骨标本,按照AO解剖原则分为尺骨近端,尺骨干,尺骨远端三个节段。先用微型台具将尺骨分成12个部位,其中尺骨近端取尺骨鹰嘴,及尺骨鹰嘴干骺端2个部位;尺骨干平均分成9段,分别取尺骨干1-9共9个部位;尺骨远端取尺骨头1个部位。然后用慢速锯垂直于每个部位的长轴切取3mm厚的骨组织切片。将切取的骨组织切片按照解剖部位固定在载玻片上,并标明前后左右四个区域,再用不同目的碳化硅颗粒逐级打磨光滑后放入冰箱留待硬度测量使用。用德国KB-5型显微维氏硬度仪测量每个标本的前、后、内、外四个区域,每个区域随机取5个有效位点进行测量,每片标本共取20个有效测量位点。尺骨近端与尺骨远端的标本测量松质骨的显微硬度,尺骨干标本测量皮质骨显微硬度。根据既往研究,本实验载荷给予50g力,加载50s,维持12s来进行显微维氏硬度的测量。根据显微维氏硬度仪压头在骨组织表面留下的压痕面积来计算硬度值,压痕的两条对角线的长度相差大于10%的压痕将被剔除,每个区域选取5个有效硬度值,取其平均值为其区域的硬度值,每片标本采取20个有效硬度值,取其平均值为每片标本的硬度值。采用SPSS19.0进行统计分析,尺骨各部位硬度值的比较,尺骨近端、骨干、远端三部分硬度值的比较以及尺骨前后内外侧硬度值的比较,都是采用的随机区组单因素方差分析。事后采用多重比较,骨硬度数值方差齐就采用Tukey检验,方差不齐的骨硬度数据采用DunnettT3检验,P<0.05表明差异具有统计学意义。结果:尺骨各部位硬度值比较:尺骨显微骨硬度的分布范围是17.00-65.60HV,平均为40.81HV,尺骨显微骨硬度最大的部位为尺骨干7,硬度值为47.77HV,显微骨硬度最小的部位位于尺骨头,硬度值为29.64HV;尺骨近端、骨干、远端三个节段硬度值相比较:尺骨近端的硬度值为34.39HV,尺骨干的硬度值为43.47HV,尺骨远端的硬度值为29.64HV,三具标本均呈尺骨干硬度值大,尺骨近端及远段硬度值小的分布规律,且尺骨干硬度值大于尺骨近端及远端,差异有统计学意义(P<0.001);尺骨前后内外侧硬度值比较:尺骨近端前后内外侧的硬度值分别为为31.01HV,37.66HV,33.71HV,37.59HV,尺骨干前后内外侧的硬度值分别为43.21HV,44.05HV,42.45 HV,42.22HV,尺骨远端前后内外侧的硬度值分别为:28.27HV,30.36HV,29.18 HV,30.75 HV。尺骨前后内外侧硬度值差异无统计学意义。结论:尺骨硬度呈现出尺骨干硬度值大,尺骨近端与尺骨远端硬度值小的分布规律,差异有统计学意义;尺骨前后内外侧硬度值差异无统计学意义。本研究得出了显微骨硬度在尺骨不同解剖部位的分布规律,为3D打印更加符合人体生物力学性能的内固定材料和肘关节假体提供了数字支持。第二部分桡骨不同部位显微骨硬度的研究目的:通过测量了3具新鲜的桡骨标本不同解剖部位的显微骨硬度,来研究显微骨硬度在桡骨不同部位的分布特征,并探讨桡骨骨硬度与桡骨各部位解剖结构、桡骨骨折流行病学等的相关关系。方法:本实验所采用的3个新鲜的桡骨标本来自于3具新鲜尸体的右侧桡骨,两具为男性标本,一具为女性标本,年龄分别为62岁、58岁、45岁。实验前3具桡骨均经过X线、CT等检查排除了影响桡骨质量的如骨质疏松、骨结核、骨肿瘤等有关的全身系统的疾病。分别取出了3具新鲜尸体的右侧桡骨标本,先仔细的剔除包绕在桡骨外面的肌肉等软组织,并将桡骨按照AO解剖原则分为桡骨近端、桡骨干、桡骨远端3个部分。然后,用微型台锯,根据桡骨解剖部位,将桡骨切割成14个部分,其中桡骨近端切取桡骨头、桡骨颈、桡骨粗隆3片标本;桡骨干平均切取桡骨干1-9共9片标本切片;桡骨远端切取桡骨远端、桡骨茎突2片标本切片。再用美国标乐公司型号为BUEHLER11-1280-250的高精度慢速锯,在用微型台锯切取的每个解剖部位上,垂直于桡骨的长轴切取3 mm厚的骨组织切片用来测量骨硬度。为了防止切割标本的过程中,因为温度过高而引起骨组织表面的变性,在慢速锯进行切割标本的过程中,全部过程均使用冷凝液冲洗桡骨标本表面来降低因为切割而导致的温度增高,从而避免造成骨组织切片的二次损伤。骨组织标本切片切割好后按照解剖部位固定在载玻片上,并标记好解剖部位的名称以及前后左右四个方位,然后经过不同目的碳化硅粒的砂纸将桡骨各个标本的表面打磨光滑,之后放置在-20℃的冰箱中,以备骨硬度的测量使用。在将桡骨切片标本进行显微骨硬度的测量前,需要将桡骨切片从冰箱中取出在室温下复温,并用生理盐水浸泡1 h,以便使桡骨标本因放置在冰箱中而导致的骨组织脱水情况得到恢复。本实验是采用的德国的KB-5型的显微维氏硬度仪进行骨硬度的测量,给予一定的载荷,使硬度仪的压头压在桡骨切片标本的表面,卸除载荷后,在骨骼的表面形成一个永久的菱形压痕,然后在显微镜下测量硬度压痕的两个对角线的长度,计算出每个压痕的面积,再根据公式来计算该部位压痕的硬度值。显微骨硬度的计量单位是用HV或者是kgf/mm2来表示的。在每个部位的桡骨标本切片标注出前、后、内、外4方位,每个方位所在的区域随机选取5个位点进行测量,每个区域的硬度值取其5个测量位点的平均值,每片标本共取20个测量位点,其该切片标本的硬度值就是测量的20个位点的平均的硬度值。根据既往相似研究的实验方法,加载的载荷选取的是50 g力,加载的时间规定的是12 s的标准的测量方法来进行试验,每个压痕的两个对角线长度相差超过10%的数据将被剔除,需在相同区域重新补测一次,每个区域按照5个、每个部位按照20个有效的硬度值来计算该区域和该部位的平均硬度值。统计分析采用SPSS19.0进行处理的数据,首先进行正态检验及方差齐性检验,桡骨各部位显微骨硬度值的分布符合正态分布,方差齐,显微骨硬度值用X±S来表示。桡骨各个解剖部位的显微骨硬度值的差异均采用单因素方差分析来进行比较,事后的多重比较,因桡骨各个解剖部位硬度值符合方差齐的标准,组间的比较采用Tukey检验,差异有统计学意义用P<0.05来表示。结果:本实验切取了3个桡骨标本的14个解剖部位,分别为:桡骨井段的桡骨头、桡骨颈、桡骨粗隆;桡骨干的桡骨干1-9;桡骨远端的桡骨远端、桡骨茎突共14个部位;共42个桡骨标本的切片,进行了840个位点的显微骨硬度的测量。得出了桡骨各部位显微骨硬度的分布特征:桡骨各个解剖部位的平均的总体硬度值在19.10 HV~60.40HV之间,平均的硬度值是39.70 HV,桡骨的各个解剖部位中硬度值最大的是桡骨干8,它的硬度值是43.82±5.20HV,而硬度值最小的是桡骨头,它的硬度值是33.30±3.60HV。在3具桡骨标本的总体硬度中,桡骨干的显微骨硬度值最大,其中最硬的部位位于桡骨干的下段,桡骨近与桡骨远端的显微骨硬度值相近,均小于桡骨干的显微硬度值。桡骨干的显微骨硬度值是最大的,其硬度值为42.54±5.59HV,远高于桡骨近端的硬度值34.15±6.48 HV以及桡骨远端的硬度值35.24±5.17HV,桡骨干与桡骨近端、桡骨远端硬度值的差异具有统计学意义(P<0.001),桡骨近端和桡骨远端骨硬度值相比较,其差异无统计学意义(P>0.05)。桡骨的三个部分近端、骨干和远端的前、后、内、外侧的硬度值相比较,差异无统计学意义。结论:本实验得出了桡骨显微硬度的分布规律。桡骨干的显微骨硬度值最大,最硬的部位位于桡骨干的下段,桡骨近端与桡骨远端的显微硬度值相近,均小于于桡骨干的骨硬度值。桡骨远端的骨折发病率高除了与其解剖形态以及受伤机制有关外,还与此处硬度值骤然降低有关,骨硬度的影响也应被考虑为因素之一。本实验揭示了桡骨各解剖部位显微硬度的分布规律,探讨了骨硬度与桡骨骨折流行病学的关系,为3D打印更加符合人体的生物力学特性的桡骨小头假体提供了数据的支持。第三部分桡骨不同部位显微骨硬度与螺钉生物力学性能的关系目的:探讨桡骨各部位显微骨硬度的分布规律、桡骨各部位螺钉拔出力的分布规律,以及桡骨显微骨硬度与螺钉拔出力的关系。方法:本实验将来自3具新鲜尸体的6个桡骨标本分按照AO解剖原则为三个部分:桡骨近端、桡骨干、桡骨远端。并取桡骨近端的桡骨头、桡骨颈、桡骨粗隆三个部位;桡骨干均等的分为9部分,分别命名为桡骨干1至桡骨干9;桡骨远端取桡骨远端、桡骨茎突两个部位。用显微维氏硬度仪测量3具标本中一侧的桡骨近端、桡骨干、桡骨远端三个部分,共14个部位的显微维氏骨硬度,并用生物力学机测量另一侧桡骨14个部位的螺钉拔出力。显微骨硬度和螺钉拔出力在桡骨的分布用随机区组的单因素方差分析来统计,螺钉拔生物力学性能与骨硬度的关系用皮尔森相关分析来统计。P<0.05为差异有统计学意义。结果:显微骨硬度测量表明桡骨干的骨硬度明显大于桡骨近端与远端,差异有统计学意义(P<0.05);拔出力实验表明桡骨干的拔出力明显大于桡骨的近端与远端,桡骨骨硬度与拔出力的分布规律类似,且桡骨的拔出力与骨硬度有强正相关(R=0.927,P=0.000)。结论:实验发现桡骨的骨硬度与拔出力呈正相关,桡骨骨硬度值和拔出力值均是呈骨干部分大,近段和远端小的分布规律。桡骨螺钉把持力与骨硬度呈正相关。