生物力学

骨科生物力学实验室研究的现状和发展趋势

北京中医药大学附属护国寺中医医院|北京协和医院作者：邱贵兴 2009-1-7 20:50:02

针对人类直立行走的特点，人类疾病病因学的研究单纯依靠动物实验的结果来分析是不够的。美国哈佛大学的一位物理学博士采用非生物学材料，以力学原理分析生物细胞为什么都是近似圆形的，以及为什么细胞构筑会如此安排的原因，为我们打开了新的视野。所以说，如果我们能迈出传统的医学范畴，客观分析人体的生物力学性能，就能远远超出传统解剖学的认知水平，认识人类，推动临床医学的发展。

生物力学是研究力和能量对生物系统的作用和影响的一门分支科学。——摘自“骨科基础科学—骨关节肌肉系统生物学和生物力学-2003年”。它的研究内容包括，将牛顿的力学定律应用于生物体模型，以分析其特性和功能。研究对象包括，骨、软骨、生长板、韧带、半月板、滑液以及肌腱组织内部和它们之间相互作用的力、力矩，与组织运动和变形之间的关系。目的在于，描述组织和器官的正常和病理状态下结构和功能；通过对关节稳定性、步态的病理特征和骨折愈合特点等的研究，揭示特定的病理状况；对肌腱中的力的传递过程的分析，韧带修复过程中的运动学研究，关节置换的有限元分析等是用于评价恢复正常力学状态的外科临床治疗方案的关键。主要研究方向有，生物材料的力学特性；生物的力学特性（动力学特性，静力学特性，运动学特性等）。

骨科生物力学测试技术——实验生物力学测试包括电测法、光测法及计算生物力学测试中的有限元法。电测法，灵敏度与精确度高；可以用于现场测定和模拟测定，具有测试方法比较直接的优点。但它不能直观得到构件上应力分布的全貌。光测法，是一种全场性测量法，可了解到结构物内应力(或位移) 分布的全貌,获得的图像信息可长期储存。人体结构的复杂性，骨骼结构的不规则性决定了光测法仍将在骨科生物力学研究中继续发挥其重要作用。有限元方法，涉及了骨骼系统的应力分析、内外固定系统的研究，以及各种人工假体的设计与优化。目前，有限单元法在国内得到了普遍发展，并取得了大量的成果。各学科临床医生从不同角度出发，针对不同的研究方向，建立不同的力学模型，用来模拟分析各种临床实际问题，这些研究结果对临床工作很有帮助，具有一定的指导意义；有限元技术的应用使计算生物力学技术与实验生物力学技术有机结合，相辅相成，互为补充，缺一不可。

骨科生物力学实验室是根据临床医学实践的需要逐渐创立和发展起来的，它与临床实践是密不可分的。是临床实践工作的基础和理论依据，指导着临床实践的发展，同时临床实践发展的需要也带动着生物力学实验室的进一步完善和向更深、更广度发展。

在生物力学实验研究中，离不开各种实验模型。各种尸体模型、动物模型的设计和制备对临床和基础研究的发展提供了有利条件：各种在体和离体模型的生物力学实验室研究，通过对一些创伤过程的模拟和再现，揭示了它们的损伤机制，同时，离体模型的生物力学实验还可以对于一些矫形内固定方法进行生物力学评价，生物力学实验对于一些内固定器材，内置物的研究发明和完善发挥着不可替代的作用。

从Meyer (1867) 、Wolff (1869) 和Roux (1881) 时代以来，生物力学经历了一个多世纪的艰难跋涉。我国的生物力学是在生物力学开创者冯元桢教授（1965）推动下从无到有发展起来的，以血管残余应力的研究为起点，发展到现在，研究工作已深入到生物力学的大部分领域。

吉林大学的朱庆三教授（2002），采用一套脊柱的加载装置和测试系统，进行多种离体的三维、动态脊柱生物力学研究。在国内的生物力学研究中，首次实现了连续加载、动态测量的全过程。同时使之完成逐级加载、静态测量。它满足离体标本三维、六个自由度的运动要求，可单独测量主动运动，也可同时测量主动运动及伴随运动，即测量脊柱的耦合运动。这套系统即可用来研究多个节段，也可进行单节段测量。而且通过调节，还能完成轴向不加载及不同程度加载等多种条件测量，通过平行布置两枚传感器后，可研究两枚以上的椎体因受剪切力后的相对运动，分析椎体脱位的可能性。并通过大量的研究结果提出：针对脊柱损伤类型与无骨折脱位型脊髓损伤的关系，颈椎后伸时，黄韧带的“扣带”机制；椎板和椎体后缘间的“钳夹”机制是造成无骨折脱位型脊髓损伤的重要原因等；另外，中央管受压是造成原始和继发性损伤程度不同的原因；成年期，无骨折脱位型脊髓损伤的病理基础是原发病变的存在，如，颈椎间盘突出，颈椎管狭窄（病理解剖）的基础上的。从而为各种颈椎手术方法和内植物、内固定物的使用奠定了理论和实验室基础。科学的论证了手术的适应症的原则。明确了治疗方向。正确引导疾病向好的方向转归。

北京协和医院骨科（2003）通过对20余年来所进行的大量特发性脊柱侧凸病例的实验室研究及临床治疗观察和随访总结，提出理想的特发性脊柱侧凸分型应具备的特点，⒈通用性，尽可能包括常见的侧凸类型；⒉三维性，从人的整体出发，考虑到三维畸形；⒊科学性与先进性，分性的建立应有完备的理论基础与临床研究基础，并且要代表当代最先进的理论与技术；⒋结构合理性，既要简便易行，又要针对每型侧凸提出相应的治疗方法；⒌开放性，分型系统应具备开放性结构，可随时作相应的补充与修正。并提出，治疗特发性脊柱侧凸必须遵守以下原则，⒈矫正畸形；⒉获得稳定；⒊维持平衡；⒋尽可能的减少融合范围。同时提出，特发性脊柱侧弯的新的分型方法PUMC(协和) 分型系统，并应用此系统来指导临床医疗活动。当然，现代病因学认为，脊柱侧弯发病机理可能是一个多因素的病理过程。但，发病后，力学因素成为脊柱侧弯发展的一个主要原因。因此，对于脊柱侧弯病因学的研究还是一个长期艰苦的过程，需要更多的专家学者的努力参与。

骨折的内固定材料学和手术学一直是骨科研究的一个大方向，它的研究工作既有对原有手术技术的改进，又有新技术的研究开发和完善。但是，在临床工作中仍必须遵守骨科手术总则。它能够在治疗疾病的同时对由此带来的额外的风险进行评价。生物力学研究的深入对于内固定的设计和改进和最终的临床效果改善都有重要的作用，更可以帮助临床医生选择最有力的治疗方案。

在二十世纪末，无论是在内固定的材料学还是在手术学方向上的发展都有巨大的飞跃，AO、BO等内固定理论也得到了逐步完善；在我国，刘一等，建立了股骨干骨折钢板固定的三维有限元模型，分析单、双肢站立负重状态下的应力场分布，并结合光弹实验和模拟电源实验对模型进行校核，证明此模型可以用于骨折内固定系统的应力分析。在第二军医大学生物力学实验室对动力记忆合金的研究，使记忆合金内固定器在临床上的应用成为现实，如“天鹅记忆合金接骨器”，在四肢长管状骨骨折中的应用；“镍钛聚髌器”设计研究和临床应用，结束了粉碎型髌骨骨折的治疗的“部分与全部切除”的历史，而使粉碎型髌骨骨折获得了稳定的内固定，促进骨折的愈合。张美超等，从临床应用出发，利用有限元法对颈前路蝶型钢板进行生物力学模拟分析，求解钢板各部分应力、应变分布，并与疲劳实验的结果对比，得到了与其相同的易断裂部位的预测，弥补了后者内部细节与过程分析的不足。张海强等在胸腰椎前、中柱损伤有限元模型上分别进行了Z - plate 和K - plate 钢板固定，分析在前屈、后伸及侧弯运动下钢板的应力分布，证明了Z -plate 钢板系统在重建失稳胸腰椎稳定性的同时，存在一定的应力集中。

由于内固定物的使用存在着或多或少的局限性，易发生断裂，以及易造成局部应力不均，在相邻椎体，易造成应力遮挡，在钢板或内固定物下方的骨质疏松等，从而推动了相关领域的发展。徐义春与第一军医大学生物力学实验室合作，通过建立人工间盘的腰椎三维有限元模型，研究了人工椎间盘置换前后腰椎关节在各种体位下的生物力学特性的变化，从人工间盘、椎体及后部小关节三个方面入手，系统考察了人工椎间盘置换术在临床上的可行性及存在的问题。

人工内置物的相关研究及临床应用表明，大多数疗效是肯定。David (1996 ,法) 对10 例超过十年的L4-5和L5-S1用CharitéⅢ人工椎间盘进行MRI 观察,发现L3-4椎间盘在T2 加权上仍为正常信号强度，表明这种人工椎间盘能保持良好的椎间活动度，从而保护了邻近节段的椎间盘，避免其过早发生退变。Le M aire (1997，法) 观察了最早100 例人工间盘置换的患者，平均随访8 年的结果，有89 ％患者返回工作岗位，其中60 ％恢复原工作，包括较重的体力劳动。

在人工关节方面，最早将人工关节在人体应用的是Gluck，于1891年首先报告，但是直到20世纪60年代 Charnley 通过大量临床实践和基础研究，确立了人工关节假体设计中的低摩擦原理，选择了金属-

高密度聚乙烯组合来替代金属-金属组合和现代骨水泥技术，才使得人工关节置换术的临床效果出现较大的进步。20世纪70年代以来,人工关节在基础研究、设计生产和临床应用三方面的发展十分迅速,关节置换手术广泛开展。随着新世纪的到来，我国的人工关节也较快地与世界接轨,某些方面已经接近或达到了国际先进水平,个别也有创新。

实验室相关组织工程学研究的开展，应该说，已具相当规模，并且，也有许多研究成果成为现代临床医学常规应用的治疗手段，如，某些基因疗法，内置生物复合体移植物等，但其远期疗效还有待于进一步观察。同时，组织工程学的研究成果还揭示了一些疾病的病因，使得临床上对于这些疾病的治疗不再局限