骨生物力学在防止骨质疏松药物开发中的应用基础(一)
作者：秦岭 梁国穗
单位：秦岭 梁国穗(香港中文大学医学院矫形外科及创伤学系骨关节肌肉研究实验室)
关键词：
中国骨质疏松杂志000105 摘要 随着人类寿命延长，老年性骨质疏松症已成为对人类具有挑战性的慢性疾病之一。研制和开发有关防止骨质疏松的药物是防治骨质疏松症的有效方法之一。在研制和开发防止骨质疏松的新药过程中，每种药物都要经过一系列的药理检查、动物实验和临床评估。检定防治骨质疏松药物有效性的方法主要包括骨代谢的生物化学、骨形态计量学、骨质密度测量、以及骨生物力学特性的检测。本文简介骨力学试验的基本概念、骨样本制备中的主要注意事项、骨力学测试的方法和有关对实验结果的影响因素等。
1 骨的基础生物力学
骨力学与一般材料力学相似，包含二个最基本的元素，即应力和应变。
, http://www.100md.com
1.1 应力(Stress)和应变(Strain)
应力和应变是描述骨骼受力后的内部效应。当外力作用于骨时，骨以形变来产生内部的阻抗来抗衡外力，即是骨产生的应力。应力的大小是作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。根据作用于骨的力方向的不同，力可分为压力、拉力、剪切和扭转力。一般骨承受压力负荷能力最大，其次是拉力、剪切力和扭转力。骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。骨的应变是指骨在外力作用下的变形，大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，一般以百分比来表示(图1)。
图1 由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小。
(Keaveny and Hayes.Bone 7:285,1993)
, 百拇医药
1.2 应力-应变曲线
骨的生物力学特性包括骨的材料特性和结构特性。骨的材料特性由组成骨组织的几何构造特点所决定，通常通过对标准和均匀骨样本进行力学测试来确定。骨的结构特性则是对完整骨进行力学测试所获得。应力和应变之间的关系通过对骨的应力-应变曲线来表示。应力-应变曲线分成两个区：即弹性变形区和塑性变形区(图2)。弹性区末端点或塑性区初始点叫屈服点。这一点对应的应力是产生骨最大应力的弹性形变，亦称为弹性极限。屈服点以后的区称塑性区，此时的材料已出现结构的损坏和永久变形。当外力超过一定数值时，骨发生断裂即骨折。导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量(Young's Modules)，表示材料抗形变的能力即硬度。对于一定的材料而言，弹性模量是一个常数。弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。
图2 应力-应变曲线(keaveny et al 1993)
, http://www.100md.com
1.3 骨应变能量
达到极限负荷时的应力-应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量(图2)，以焦尔表示(J，1J=N/m)。一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所承受应力的大小。当外力切除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能被完全释放，积累后可会导致材料的结构损坏，表现为疲劳性骨折。
抗骨质疏松药能在一定程度上提高骨质的密度，但不一定都完全具有提高骨质弹性模量的功能。如氟化物制剂可刺激成骨使骨体积增大。但如用量不当，可使骨质变脆，而降低骨的弹性模量和其它力学特性。所以，除药物种类外，药物剂量多少也能影响骨质的力学特性[1-4，14]。
2 骨力学特性的测试
对骨力学特性测试必须具备相应的材料力学测试机或者测量应力和应变的仪器设备，同时还需要有制备骨样本的辅助仪器设备。
, 百拇医药
2.1 骨样本的保存
骨组织与其他生物组织相同，在离体后数小时内开始自溶，从而改变骨的力学特性[5]。在获取骨材料后应用等渗生理盐水浸湿的纱布加以包裹，放入摄氏零下20度的冰箱保存，以便在累积较多骨样本后进行力学测试。除生理盐水外，也可采用酒精或福尔马林作为骨样本的保存剂[6，7]。
2.2 骨样本的制备
骨的材料力学特性取决于许多因素，例如骨的类型(骨密质或骨松质)、骨样本的局部取材部位、骨的年龄差别和力学测试时测试条件的选择等[8-11]。这些都要求我们随时记录，以便测试后进行可靠的数据分析和对照。但在对骨样本力学测试中要考虑到所选样本局部的力学特异性和制备过程中有可能产生的对骨样本的机械和热损伤，从而影响实验结果的准确性和可比性。
3 力学测试方法
, 百拇医药
3.1 拉伸试验(Tensile Test)：一般要求骨样本具有较大的体积。测试时要对骨的二端牢固固定，以保证测试结果的可靠性。同样，也可制备骨密质和骨松质小样本进一伸测试(图3)。由于骨主要起负重功能，即主要承受压力负荷，故拉伸试验不常被选用于药物对骨质力学特性的影响实验。
图3 对制备后的骨密度
(a)和骨松质(b)小样进行检测试。
由于骨=端粗大或坚硬，骨折都发生在受测
试的样本中部。
(Reilly et al,J Biomech 7:271,1974.Ashman
et al,J.Biomech 20:979,1987)
, 百拇医药
3.2 弯曲试验(Bending Test)：弯曲试验被大量采用对骨干骨密质的力学性能测定[2，3，11-15]。弯曲试验包括三点弯曲和四点弯曲试验二种。前者简单易行，主要用于对骨材料特性的测试。而后者主要用于对骨折后愈合质量的检则(图4)。在进行弯曲试验时，受力面承受压力负荷，而对侧则受张力负荷(图5)。由于骨主要起支撑作用，受压力负荷的能力大于张力负荷，骨折的部位通常首先发生在受张力面。在选用弯曲试验时，要计算测试骨样横断面的转动惯量(cross-sectional moment of inertia:CSMI)，以获得材料在测试轴横断面上的分布和计算出相应的应力大小。定量计算机断层扫描(QCT)可精确计算出所需的长骨样断面转动惯量[16，17]。实验证明，QCT所提供的骨应力参数(Bone strength indices:BSIs)，即CSMI和骨质密度的综合参数，最能反映长骨的最大弯曲负荷大小，为非破坏性力学试验提供了有效的应用价值[17]。由此可见，除骨密度以外，骨材料结构分布，对骨的承受应力大小影响亦很大(图6)。另外，微型弯曲试验也有应用于对骨密质中的骨单位(哈佛氏系统)和骨小梁的力学特性进行测试[18，19]。
, 百拇医药
图4 对长骨(或条形骨样本)
进行的三点(a)或四点(b)弯曲试验。
F：压力 d:在压力作用下骨的弯曲
形变距 L：下位二支撑点的点距
(Turner et al.Bone 14:595 1993)
图5 在对长骨进行弯曲试测时受力面(F)
承受压力负荷，而对侧则受张力负荷。
(Radin et al PBOS,ed2,1991)
, 百拇医药
图6 不同形态结构分布对
材料所承受的应力大小有影响。
(Kaplan et al,OBS,4:127,1994)
a:一个实心的柱体材料；
b:表示幼年骨干；c:表示成年骨干。
图7A 骨松质样本的压力试验。
(Riet bergen et al,BRB,28,1997)
图7B (Turner et al,Bone,14:595,1993)
, 百拇医药
a:如所制备的骨松质样本受压力测试
面不平衡，会造成测量误差。
b:用特别自动调节平面板可获得均匀的测试结果
3.3 压力试验(Compressive Test)：压力试验常用于对骨松质的力学特性的测试[2，3，12-15]。压力试验的主要优点是测试时骨受力方向与骨活体的生理受力方向基本相似，以及测试方法简单(图7A)。与拉伸试验相比，压力测试结果会受骨与外力之间相对挤压所产生的“终端”效应的影响。如骨样本的上下面受力与压力装置平面不平行，会导致应力集中在骨样本的某个局部，从而减小了整体的应力和弹性模量。同样，如施加的压力与骨正常受力方向不一致，也会导致较小的应力和弹性模量。如制备具有二个绝对平行界面的样本有困难，可采用特制的自动调节平面板来减少压力试验时的应力集中现象(图7B)[16]。在测定骨松质压力特性时，可采用制备游离或非游离骨松质小样本进行压力试验[2，3，12-15]。由于在制备游离骨松质样本时破坏了骨小梁的边界结构联接，游离骨松质样本的应力和弹性模量都会小于非游离骨松质的样本。另外近来也采用超微力学测试刻压技术(Nono-indentation)，对包埋后的骨密质、骨松质、甚至单个骨小梁进行局剖点状刻压测试[20]。, 百拇医药
单位：秦岭 梁国穗(香港中文大学医学院矫形外科及创伤学系骨关节肌肉研究实验室)
关键词：
中国骨质疏松杂志000105 摘要 随着人类寿命延长，老年性骨质疏松症已成为对人类具有挑战性的慢性疾病之一。研制和开发有关防止骨质疏松的药物是防治骨质疏松症的有效方法之一。在研制和开发防止骨质疏松的新药过程中，每种药物都要经过一系列的药理检查、动物实验和临床评估。检定防治骨质疏松药物有效性的方法主要包括骨代谢的生物化学、骨形态计量学、骨质密度测量、以及骨生物力学特性的检测。本文简介骨力学试验的基本概念、骨样本制备中的主要注意事项、骨力学测试的方法和有关对实验结果的影响因素等。
1 骨的基础生物力学
骨力学与一般材料力学相似，包含二个最基本的元素，即应力和应变。
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1.1 应力(Stress)和应变(Strain)
应力和应变是描述骨骼受力后的内部效应。当外力作用于骨时，骨以形变来产生内部的阻抗来抗衡外力，即是骨产生的应力。应力的大小是作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。根据作用于骨的力方向的不同，力可分为压力、拉力、剪切和扭转力。一般骨承受压力负荷能力最大，其次是拉力、剪切力和扭转力。骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。骨的应变是指骨在外力作用下的变形，大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，一般以百分比来表示(图1)。
图1 由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小。
(Keaveny and Hayes.Bone 7:285,1993)
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1.2 应力-应变曲线
骨的生物力学特性包括骨的材料特性和结构特性。骨的材料特性由组成骨组织的几何构造特点所决定，通常通过对标准和均匀骨样本进行力学测试来确定。骨的结构特性则是对完整骨进行力学测试所获得。应力和应变之间的关系通过对骨的应力-应变曲线来表示。应力-应变曲线分成两个区：即弹性变形区和塑性变形区(图2)。弹性区末端点或塑性区初始点叫屈服点。这一点对应的应力是产生骨最大应力的弹性形变，亦称为弹性极限。屈服点以后的区称塑性区，此时的材料已出现结构的损坏和永久变形。当外力超过一定数值时，骨发生断裂即骨折。导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量(Young's Modules)，表示材料抗形变的能力即硬度。对于一定的材料而言，弹性模量是一个常数。弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。
图2 应力-应变曲线(keaveny et al 1993)
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1.3 骨应变能量
达到极限负荷时的应力-应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量(图2)，以焦尔表示(J，1J=N/m)。一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所承受应力的大小。当外力切除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能被完全释放，积累后可会导致材料的结构损坏，表现为疲劳性骨折。
抗骨质疏松药能在一定程度上提高骨质的密度，但不一定都完全具有提高骨质弹性模量的功能。如氟化物制剂可刺激成骨使骨体积增大。但如用量不当，可使骨质变脆，而降低骨的弹性模量和其它力学特性。所以，除药物种类外，药物剂量多少也能影响骨质的力学特性[1-4，14]。
2 骨力学特性的测试
对骨力学特性测试必须具备相应的材料力学测试机或者测量应力和应变的仪器设备，同时还需要有制备骨样本的辅助仪器设备。
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2.1 骨样本的保存
骨组织与其他生物组织相同，在离体后数小时内开始自溶，从而改变骨的力学特性[5]。在获取骨材料后应用等渗生理盐水浸湿的纱布加以包裹，放入摄氏零下20度的冰箱保存，以便在累积较多骨样本后进行力学测试。除生理盐水外，也可采用酒精或福尔马林作为骨样本的保存剂[6，7]。
2.2 骨样本的制备
骨的材料力学特性取决于许多因素，例如骨的类型(骨密质或骨松质)、骨样本的局部取材部位、骨的年龄差别和力学测试时测试条件的选择等[8-11]。这些都要求我们随时记录，以便测试后进行可靠的数据分析和对照。但在对骨样本力学测试中要考虑到所选样本局部的力学特异性和制备过程中有可能产生的对骨样本的机械和热损伤，从而影响实验结果的准确性和可比性。
3 力学测试方法
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3.1 拉伸试验(Tensile Test)：一般要求骨样本具有较大的体积。测试时要对骨的二端牢固固定，以保证测试结果的可靠性。同样，也可制备骨密质和骨松质小样本进一伸测试(图3)。由于骨主要起负重功能，即主要承受压力负荷，故拉伸试验不常被选用于药物对骨质力学特性的影响实验。
图3 对制备后的骨密度
(a)和骨松质(b)小样进行检测试。
由于骨=端粗大或坚硬，骨折都发生在受测
试的样本中部。
(Reilly et al,J Biomech 7:271,1974.Ashman
et al,J.Biomech 20:979,1987)
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3.2 弯曲试验(Bending Test)：弯曲试验被大量采用对骨干骨密质的力学性能测定[2，3，11-15]。弯曲试验包括三点弯曲和四点弯曲试验二种。前者简单易行，主要用于对骨材料特性的测试。而后者主要用于对骨折后愈合质量的检则(图4)。在进行弯曲试验时，受力面承受压力负荷，而对侧则受张力负荷(图5)。由于骨主要起支撑作用，受压力负荷的能力大于张力负荷，骨折的部位通常首先发生在受张力面。在选用弯曲试验时，要计算测试骨样横断面的转动惯量(cross-sectional moment of inertia:CSMI)，以获得材料在测试轴横断面上的分布和计算出相应的应力大小。定量计算机断层扫描(QCT)可精确计算出所需的长骨样断面转动惯量[16，17]。实验证明，QCT所提供的骨应力参数(Bone strength indices:BSIs)，即CSMI和骨质密度的综合参数，最能反映长骨的最大弯曲负荷大小，为非破坏性力学试验提供了有效的应用价值[17]。由此可见，除骨密度以外，骨材料结构分布，对骨的承受应力大小影响亦很大(图6)。另外，微型弯曲试验也有应用于对骨密质中的骨单位(哈佛氏系统)和骨小梁的力学特性进行测试[18，19]。
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图4 对长骨(或条形骨样本)
进行的三点(a)或四点(b)弯曲试验。
F：压力 d:在压力作用下骨的弯曲
形变距 L：下位二支撑点的点距
(Turner et al.Bone 14:595 1993)
图5 在对长骨进行弯曲试测时受力面(F)
承受压力负荷，而对侧则受张力负荷。
(Radin et al PBOS,ed2,1991)
, 百拇医药
图6 不同形态结构分布对
材料所承受的应力大小有影响。
(Kaplan et al,OBS,4:127,1994)
a:一个实心的柱体材料；
b:表示幼年骨干；c:表示成年骨干。
图7A 骨松质样本的压力试验。
(Riet bergen et al,BRB,28,1997)
图7B (Turner et al,Bone,14:595,1993)
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a:如所制备的骨松质样本受压力测试
面不平衡，会造成测量误差。
b:用特别自动调节平面板可获得均匀的测试结果
3.3 压力试验(Compressive Test)：压力试验常用于对骨松质的力学特性的测试[2，3，12-15]。压力试验的主要优点是测试时骨受力方向与骨活体的生理受力方向基本相似，以及测试方法简单(图7A)。与拉伸试验相比，压力测试结果会受骨与外力之间相对挤压所产生的“终端”效应的影响。如骨样本的上下面受力与压力装置平面不平行，会导致应力集中在骨样本的某个局部，从而减小了整体的应力和弹性模量。同样，如施加的压力与骨正常受力方向不一致，也会导致较小的应力和弹性模量。如制备具有二个绝对平行界面的样本有困难，可采用特制的自动调节平面板来减少压力试验时的应力集中现象(图7B)[16]。在测定骨松质压力特性时，可采用制备游离或非游离骨松质小样本进行压力试验[2，3，12-15]。由于在制备游离骨松质样本时破坏了骨小梁的边界结构联接，游离骨松质样本的应力和弹性模量都会小于非游离骨松质的样本。另外近来也采用超微力学测试刻压技术(Nono-indentation)，对包埋后的骨密质、骨松质、甚至单个骨小梁进行局剖点状刻压测试[20]。, 百拇医药