骨小梁微观力学性能的实验研究.doc

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1、骨小梁微观力学性能的实验研究王鹏1姚学锋1戴如春1,21清华大学工程力学系北京中国1000842中南大学湘雅二医院代谢内分泌研究所长沙中国410011Email：yxf@mail.tsinghua.org.cnTEL：010-62771546摘要：骨小梁作为松质骨的基本组成单位，其力学性能的研究目前成为生物力学研究的热点问题之一。本文详细介绍了骨小梁的提取方法，并成功提取了骨小梁；对脱水骨小梁进行了微观力学性能测试，运用数字散斑相关分析技术得到小梁拉伸状态时的位移场以及应力应变曲线，确定了骨小梁

2、的弹性常数及破坏强度。为研究骨小梁各种组成成分对其力学性能的影响，提供了重要数据以及方法基础。关键词：骨小梁数字散斑断裂弹性常数引言骨组织由皮质骨和松质骨组成。通过几十年的研究，人们对皮质骨的生物力学特性，已经有了较深的认识，并用于指导临床，发挥了巨大的作用[1]。这些年来，松质骨力学性能的研究，逐渐成为研究热点[2，3]。松质骨为骨小梁组成的网状结构，其生物力学特性由骨小梁的力学性能和孔隙度的大小决定。孔隙度的大小可以由MicroCT等实验方法测量和表征。对于小梁力学特性的研究，分为小梁结构形

3、貌的研究和小梁力学特性的测试两个方面。对于骨小梁结构形貌的研究，利用现代手段开展了大量的研究[4,5]。对于其力学特性的研究，由于骨小梁直径在百微米量级，所以对力学测量技术提出了较大的挑战。尽管人们可以利用如三点弯、超声波等方法来测量小梁的力学性质[6,7]，但是这些方法测量出来的结果相差比较大，而且实验装置和方法具有很大局限性。RyanandWilliams对牛松质骨上的骨小梁进行了拉伸实验研究[8]，其实验中有两个问题没有较好解决：小梁两端的固定装置采取的是铁片夹持，容易产生夹持应力；以及采

4、用引伸计测量应变，在试样比较小的情况下，会对应变的测量产生较大误差。近年来，人们开始使用纳米压痕技术来测量小梁的力学参数[9]本文将数字散斑相关分析技术（DSCM）运用到小梁加载实验中，可以得到小梁在加载过程中的位移场及小梁的应变值。同时利用胶接端部固定方法，消除了夹持方法对实验结果造成的影响。本实验结果在临床上有重要的指导作用。实验原理数字散斑相关方法是在20世纪80年代初由Peters和Ranson等人提出的，是一种用于测量物体面内位移的非接触光学测量方法。与传统的干涉测量方法相比，DSCM

5、直接从物体表面随机分布的人工或自然散斑场中提取变形信息，具有全场测量、非接触等优点，而且其光路简单，对测量环境要求低[10,11]。本实验中运用的数字散斑相关方法是基于图像灰度梯度迭代的。数字散斑相关算法是运用图像识别技术，通过比较试样变形前和变形后的图像，得到面内各点的位移和应变。这种方法的关键是通过计算变形前和变形后的最大相关子区域，得到感兴趣区域的位移。通过该方法可以得到位移场(u,v)。数字散斑技术采用的相关计算公式为(1)其中，f(x,y)是变形前图像在点(x,y)的灰度值，g(x′,

6、y′)是变形后图像在点(x′,y′)的灰度值。C是最大相关因子，和是分别是图像f(x,y)和g(x′,y′))灰度值的均值。两幅图同一点变形前后的坐标为(x,y)和(x′,y′)。最后，由计算得到位移值，通过几何变形方程，求出各点的应变值。实验样品的制备采用梯度酒精脱水后的小梁进行试验，是由于其力学性能不会因为在空气中搁置时间过长而改变，便于对小梁加载装置和方法的研究。而且，其实验结果与在生理状态下得到的结果相比较，为研究小梁各种组成对其力学的性能的研究提供重要的实验基础。实验样品由北京市第六医

7、院提供的68岁女性的股骨头。具体提取脱水骨小梁的方法如下：1、将股骨头的松质骨据成2cm大小的小块松质骨。2、用25%的酒精溶液洗涤两遍，放入70%的酒精溶液中浸泡1天。3、把松质骨从70%的酒精溶液中取出，放入95%酒精溶液中浸泡2天。4、把松质骨从95%的酒精溶液中取出，放入100%酒精溶液中浸泡1天。5、把松质骨从100%的酒精溶液中取出，采用自然干燥法干燥。6、干燥后，将松质骨切成长为1cm左右的小块。7、用针将骨髓腔中的物质取出，此时可以清楚看出松质骨网状结构。8、选择小块中一根完好的

8、小梁，用手术刀将与其相连小梁切除。得到实验用小梁。如图1所示，中间段为小梁。两端可以看见与其它小梁连接的痕迹。9、重复上述方法，在不同位置随机提取20根骨小梁。通过上述步骤的操作，使得在整个提取过程中，对骨小梁结构和力学性能的影响减为最小。计算机骨小梁冷光源力传感器V=0.2mm/minCCD图1实验小梁图片图2实验装置图实验装置及实验步骤实验装置如图2所示：小梁两头分别固定在实验机的两个加载端。实验机一端固定，另一端以0.2mm/min的速度拉伸试件。计算机通过控制CCD采集小梁拉伸过程中的图