股骨干骨折的生物力学研究进展.doc

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1、股骨干骨折的生物力学研究进展作者：张华，赵鹏，安耀荣，吴建民【关键词】骨折股骨干是人体中最长的管状骨，由厚而坚强的圆柱形密致骨构成。股骨干骨折是临床的常见病和多发病，其正确治疗需要了解股骨干的解剖、生物力学及创作机制，并根据骨折类型选择合适的固定方法。无论术前内固定物的选择、术中固定的实施及术后康复都需要根据生物力学确定，故有必要对股骨干骨折的生物力学研究进行了解。1股骨干的解剖及生物力学特性骨生物力学的研究大体上可从结构力学特性和材料力学特性两方面考察。结构力学特性是指整个骨结构的力学性能，受骨的几何特性，即形状、尺寸等影响；材料力学性能反映骨的自身强度和韧性

2、，与骨的微细结构、骨骼中矿物质含量和骨密度有关。1.1股骨干结构力学特性股骨干的形状并不规则，有一个微凸向前方的生理弧度［1］，上段呈圆柱形，向下逐渐延伸为三棱柱形。同时，股骨干与地面亦非垂直，骨干的解剖轴与两髁远端关节面的连线(膝关节平面)成100°的股内角［1］。从生物力学方面观察，人体正常股骨的解剖轴与力学轴并非在同一轴线上，两者间有6°～9°夹角。人站立负重时，重力线偏心作用使股骨产生弯距而发生弯曲。弯曲的凸侧在股骨的前外侧，接受张应力和产生张应变，从而使股骨外形保持不变。股骨干下1/3段，即股骨踝上5～7cm的部位为股骨干与股骨髁的移行部，此处股骨的横

3、截面由圆形逐渐增大变成扁圆形，骨髓腔也产生相应的变化，股骨嵴的两唇在此平面的后侧彼此分离形成一尖端向上的三角形平面(面)，此处骨表面凹凸不平。根据工程力学原理［2］，在构件断面突然改变的附近区域或构件表面粗糙不平、光洁度不好的部分，会引起应力集中，成为力学上的薄弱点，应力损伤往往由此开始。王平等［3］收治的23例股骨干应力骨折均发生在股骨干中下1/3交界处，考虑与此处易引起应力集中有关。汪金平等［4］采用有限元法对股骨的生物力学特性进行了研究，结果是在各种载荷下，股骨干内侧中下1/3交界处的应力最大，故股骨干应力骨折好发于中下1/3交界处，与此处应力集中有关。

4、刘安庆等［5］也通过实验分析认为，在不同的载荷下股骨干上的应力分布范围主要集中在中下1/3处，并由此得出，载荷的传导主要通过压力骨小梁和股骨距，由股骨颈区传至股骨干的中下1/3处，此处是股骨在负重情况下的应力集中处。51.2股骨干材料力学特性股骨干是一种具有新陈代谢功能的有生命的材料。它主要由密质骨构成，是胶原纤维增强的层合复合材料，除血管和骨细胞外，空隙极少，含有大量的哈佛式系统，呈现非线性粘弹性性能。它的生长符合Wolff定律，活体骨不断进行着骨再建的过程，使骨的内部结构和外部形态适应其载荷环境的变化。与此同时，骨的再建使构建骨材料所需的营养物质，如钙等需求

5、更旺，而严重的低钙摄入因远远不能满足股骨再建的需要，致使骨的材料特性(骨韧性、骨弹性)下降，其生物力学性能(骨应力、骨应变、骨强度、弹性模量、骨材料韧性等)亦相应下降。何成奇等［6］认为，钙盐沉积是骨强度的基础，而胶原含量是决定因素。史念坷等［7］研究发现，肾上腺次全切术的大鼠股骨生物力学特性降低，主要表现为骨刚度较韧度变化明显性和弹性模量较正常降低，说明只需要较少的能量即可破坏骨质；而且硬度下降，表明骨的材料特性受损，其原因与体内糖皮质激素不足造成的骨微细结构的变化直接相关。此外，雌激素缺乏会使骨生长滞缓，而低钙饮食虽不会影响骨的正常生长，保持同正常组相同的骨

6、质量，但是却显著影响骨内部结构的重新分布［8］。2股骨干周围的肌腱及肌肉的生物力学特性股骨前面、内侧和后面共有三群肌肉，它们的功能是通过主动收缩使自身出现拉应力，而后将此力通过肌腱传到骨上造成身体的运动。据计算［9］，步行时髋关节承受的应力约为体重的2.7倍，跑步时约为体重的5倍，而在剧烈跳跃时可急剧上升为体重的16倍。日常活动中肢体承受如此巨大的应力而不发生骨折，附着在骨骼上的肌肉收缩起着极其重要的作用。但是过度活动会引起肌肉的疲劳，当肌肉疲劳后，肌肉收缩力降低，从而改变了骨的应力分布，使高载荷出现，随此种情况循环次数增加，可导致疲劳骨折。髂胫束是阔筋膜张肌的

7、腱束部分，起于髂前上棘和髂嵴的前1/4，在大腿前外侧形成一宽大的纤维束带，止于胫骨外上方关节面下。下肢承载时恰像一条绷紧的束带，产生张力，改变股骨的应力分布。据测量［10］，无髂胫束存在时，股骨前外侧曲线承受约69kg/cm的张应力，后内侧曲线承受约83kg/cm的压应力；有髂胫束存在时，股骨前外侧的张应力可下降为8kg/cm，后内侧压应力也可减少为48kg/cm，这样就保证了载荷下股骨的安全。3股骨干骨折内固定的生物力学特性对于股骨干骨折，20世纪70年代以前多数学者主张保守治疗，但畸形愈合、膝关节强直和创伤性关节炎等并发症很高，之后人们为降低这些并发症，设计

8、了各种内固定物。目前股骨