[目的]微观机械物理环境已被证实对骨细胞的成骨行为具有影响作用,因此本研究组利用Micro-CT技术和病理检验技术对骨质疏松股骨头进行分区,再使用扫描电镜和纳米压痕技术对股骨头不同区域(正常区、骨质减少区、骨质疏松区)的微观形貌和力学参数进行表征和提取,比较不同区域的骨表面微观形貌和力学特性差异,以期完善骨质疏松患者股骨头不同区域表面微观物理因素参数的细化,对骨微观形貌等物理因素影响骨质疏松症的发病机制进行探索,为骨修复材料制作提供参数依据。[方法]1.人股骨头样本的收集股骨头样本收集自昆明医科大学第一附属医院2017.5-2018.5期间因骨质疏松导致股骨颈骨折需行髋关节置换术的患者,选取术后废弃的股骨头12例,根据纳入排除标准留取8例,男性患者4例,女性患者4例,年龄58～80岁,平均65岁。2.人股骨头标本处理收集髋关节置换术后废弃的股骨头,沿冠状面剖开,去除杂质后使用固定液进行固定,满足固定时间后行Micro-CT扫描,并切取3mm厚度的冠状面切片行病理学检查。3.Micro-CT和病理检验技术对股骨头行区域划分结合Micro-CT的影像学结果及病理学检验结果,对因骨质疏松导致的股骨颈骨折术后的股骨头进行区域划分,分为相对正常区、骨质减少区和骨质疏松区。4.纳米压痕和扫描电镜样本预处理通过Micro-CT与病理检验结果对股骨头进行区域划分,沿冠状面进行切片,在切片的不同分区取大小0.5X0.5X0.2cm3大小骨片(n>3),固定、脱水、喷金等处理后进行SEM扫描并记录图片。将区分好的骨片固定、脱水、磨砂、抛光后行纳米压痕仪测量,记录测量数据。5.纳米压痕扫描和数据分析调整合适的测量参数,对患者不同分区的骨质疏松股骨头硬度、弹性模量进行测量计算,并制作载荷-位移曲线,对比三种不同区域力学性能的差异。6.扫描电镜图片参数的提取和分析基于本课题组已建立的参数提取流程,利用Image J软件对电镜图片参数进行提取与测量,针对纤维直径、纤维趋向分布、纤维分布密度等进行测量,得出数据后使用单因素方差分析对三个区域数据进行比较,两组间的数据使用独立样本t检验分析。[结果]1.骨质疏松股骨头不同区域的Micro-CT显示,正常区骨小梁连续,厚度均匀,间隙正常;骨质减少区骨小梁偶见断裂,厚度不均,排布散乱,间隙增大;骨质疏松区骨小梁断裂明显,骨小梁厚度明显不均,排布散乱,间隙增大。不同区域病理学检测,正常区骨小梁结构完整,粗细均匀,可见骨小梁间炎细胞浸润;骨质减少区骨小梁粗细不均,散在断裂且排列不规则,局灶骨小梁间见肉芽组织增生,伴周围炎性细胞反应;骨质疏松区骨小梁粗细不均,骨小梁断裂紊乱,部分骨组织变性坏死,局灶性骨小梁间见纤维组织增生及肉芽组织增生。2.纳米压痕仪测量骨质疏松股骨头不同区域的硬度和弹性模量为:正常区弹性模量10.110±6.88Gpa、骨质减少区9.175±7.30Gpa、骨质疏松区9.66±4.10Gpa;正常区硬度0.347±0.161Gpa、骨质减少区0.295±0.141Gpa、骨质疏松区0.366±0.188Gpa;正常区、骨质减少区与骨质疏松区的弹性模量和硬度无明显统计学差异(P>0.05)。3.扫描电镜表征骨质疏松股骨头不同区域的形态为:正常区SEM图像骨小梁表面矿化胶原排布均匀、平整、结构致密,骨矿化胶原纤维束排列规则,趋向性较好;骨质减少区胶原纤维(MCF)成束状规则排列,纤维取向较为一致,无明显纤维散乱,矿化胶原纤维束直径较正常区域变细,偶见胶原纤维断裂萎缩区域,不同方向的胶原纤维呈交叉状排列;骨质疏松区矿化胶原纤维束粗细不均,分布紊乱,无明显叉状排列,矿化胶原纤维束间隙较骨质减少区增大。4.扫描电镜表征骨质疏松股骨头不同区域的表面微观形貌参数为:正常区矿化胶原纤维束纤维直径(915±307)nm、纤维趋向(37.9±25.8)°、纤维数目(22±4)条;骨质减少区矿化胶原纤维束纤维直径(1077±358)nm、纤维趋向(43.0±20.1)°、纤维数目(18±3)条;骨质疏松区矿化胶原纤维束纤维直径(1282±349)nm、纤维趋向(31.4± 19.2)°、纤维数目(16±2)条。正常区、骨质减少区、骨质疏松区3种不同区域的矿化胶原纤维直径有显著性差异(p<0.001),两组组间直径比较有统计学差异(p<0.05);正常区、骨质减少区、骨质疏松区3种不同区域的矿化胶原纤维趋向差异有统计学意义(p<0.05),两两组件比较后骨质减少组与骨质疏松组之间有统计学意义(P<0.05),正常组与骨质减少组、正常组和骨质疏松组之间差异无统计学意义(P>0.05);正常区、骨质减少区、骨质疏松区3种不同区域的矿化胶原纤维条数差异有统计学意义(p<0.05),正常组与骨质减少组、正常组与骨质疏松组之间比较有统计学意义(P<0.05),骨质减少组与骨质疏松组之间比较无统计学差异(P>0.05)。5.扫描电镜表征骨质疏松股骨头不同分组区域的表面微观形貌参数为:中老年组与老年组正常区域比较中纤维趋向组间差异有统计学意义(P<0.05);中老年组与老年组骨质疏松区域比较中纤维趋向组间差异有统计学意义(P<0.05);男性组与女性组正常区域比较纤维直径组间差异有统计学意义(P<0.05);男性组与女性组骨质疏松区域纤维直径组间差异有统计学意义(P<0.05);其余指标组内对比差异无统计学意义。[结论]1.通过Micro-CT扫描与病理学对骨质疏松患者股骨头进行了检测,对骨质疏松股骨头划分为正常区、骨质减少区和骨质疏松区。2.通过纳米压痕技术对划分区域进行测量,得出骨质疏松股骨头不同区域的力学性能参数与载荷-位移曲线。3.对骨质疏松股骨头不同区域的骨组织行SEM微观形貌表征,得到不同区域骨微观形貌图像,并分析得到了不同区域的骨微观形貌形态学差异。4.利用实验组前期建立的形貌参数提取流程对骨组织SEM图像进行提取,骨质疏松区的纤维直径较骨质减少区和正常区增粗,而骨质疏松区的纤维趋向排列较乱,正常区的纤维数目较骨质减少区与骨质疏松区数量多。中老年与老年组中不同区域纤维趋向差异明显。男性组与女性组不同区域纤维直径差异明显。5.本实验研究结果有助于了解物理因素在骨质疏松发病过程中的影响机制,并建立人股骨头微观形貌参数数据库,为骨修复材料提供参数依据。