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基金项目 国家自然科学基金资助课题（40672038）
摘 要 目的：研究正常股骨头和老年无菌性坏死股骨头（病态）的粘弹性力学性质，为临床提供生物力学参数。方法：对正常和病态股骨头中立位（纵向）进行应力松弛、蠕变实验。结果：得出了正常组和病态组应力松弛、蠕变数据和曲线。对应力松弛、蠕变实验数据进行回归分析，得出了归一化应力松弛函数、归一化蠕变函数及曲线。结论：病态组股骨头粘弹性指标显著低于正常组(P＜0.05)。
关键词 股骨头 正常 病态 粘弹性归一化应力松弛函数归一化蠕变函数
材料与方法
实验标本：本实验所用正常组8个标本均取自正常国人急性头部外伤致死的新年男性尸体，年龄19～28岁，股骨头坏死标本8个标本均为男性，年龄58～70岁。正常组标本于死者死亡后1～2小时之内解剖取下股骨头。病态标本取自老年置换人工关节坏死股骨头，正常组与病态标本取下后用生理盐水浸透的沙布包裹，装入塑料袋中密封后置于-20℃水箱内保存。实验前取出标本在常温下解冻后待用。
标本测量：以万能工具显微镜测量标本的高度和直经，标本的高度为34.2～42.6mm，直经为31.6～40.2mm。
实验器材：岛津AG-10TA自动控制电子万能试验机。载荷由载荷传感器传递，应变由机器的应变单元传递。载荷传感器最大量程为2KN使用量程为1KN。
应力松弛实验方法：取正常组，病态组各8个标本进行压缩应力松弛实验。将试验样的原始尺寸输入到控制机器的计算机内。骨组织的弹性主要来自熵的改变，因而不存在惟一的状态，这样组织会随加载、卸载循环次数而变化，要多次重复才能达到稳定状态。本实验在最大应力为其破坏应力的30%以下对标本反复加、卸载20次，预调处理后实验。
本实验模拟正常人体温，在36.5±0.5℃的温度场下进行。将标本置于pH值为7.4的生理盐水槽中，中立位（纵向）将生理盐水槽放在试验机工作台上。本实验对正常组，病态组股骨头各8个标本分别以50%/分的应变增加速度对试样施加常应变。当正常组应变达到0.8707%，病态组应变达到0.646%，正常组应力达到0.352mPa，病态组应力达到0.352mPa 时使应变保持恒定，应力随时间的改变不断下降。计算机程序设定从时间t（0）开始采集数据，每0.6S采集1个数据，采集10次；之后每10S采集1个数据，采集40次之后每136S采集1个数据，采集50个数据；共采集100个数据，历时7200S。达到设定的进间后，打印机自动打印出实验数据和曲线。
蠕变实验方法取正常与病态股骨头各8个标本进行蠕变实验。加载方式，标本预调处理，数据采集等与应力松弛实验相同。本实验以0.5GPa/分的应力增加速度对试样施加常应力，当正常组应力达到0.335mPa；应变达到0.625%，病态组应力达到0.336mPa；应变达到0.296%时使应保持恒定，应变随时间的改变不断上升。达到设定的时间后计算机自动输出实验数据和曲线。
结果
应力松弛实验结果：正常组、病态组股骨头应力松弛曲线经计算机拟合后见图1。正常组、病态组股骨头应力松弛函数曲线经计算机拟合见图2。
应力松弛函数计算结果：应力松弛曲线往往是以对数关系变化的，经计算：
蠕变实验结果：正常组、病态组8个试样蠕变曲线经计算机进行曲线拟合见图3。
正常组、病态组归一化蠕变函数曲线经计算机拟合见图4。
蠕变函数计算结果：归一化蠕变函数的建立：归一化蠕变函数J(t)反映试样某一时刻的长度与原长之比，即J（t）=L(t)/L0 。由正常组，病态组的J(t)值进行曲先拟合，得到J(t)的一组实验曲线见图4。
根据J(t)曲线可以看出J(t)随时间的变化规律与指数函数接近，经计算：
讨论
股骨头软骨的粘弹性力学性质等研究国内外学者做了大量研究［1~3］。
股骨头坏死主要是由于股骨头缺血后髋关节承受巨大的应力而造成的。如果股骨头与髋臼不相适应，滑动将不平行于表面或不沿表面切向；使关节软骨及股骨头密质骨和松质骨受到异常压缩分离，打乱了股骨头正常的应力分布，这也是股骨头坏死的发病原因之一。
应力松弛、蠕变实验结果表明，正常组的松弛量为0.209mPa，病态组的松弛量为0.151mPa，病态组松弛量低于正常组0.058mPa。正常组蠕变量为0.6644%，病态组蠕变量为0.3925%，病态组蠕变量低于正常组0.2719%。病态组的初始应力、应变都低于正常组，且达相对平衡点的时间长。胶原纤维使胶原组织具有一定的强度和刚度。分析认为病态组由于股骨头坏死，作用于股骨头的应力改变，过高的应力使弹性纤维，胶原纤维、网状纤维遭到破坏，所以其应力松弛量，蠕变量降低，应力松弛、蠕变速度慢，达到相对平衡点时间长。
股骨头粘弹性与年龄密切相关，年龄越大应力或应变变化更加缓慢，尤其是50岁以上表现更为突出，分析认为50岁以上年龄段都伴有一定的骨质疏松，所以其粘弹性更差。
参考文献
1 马洪顺，李振宇.人股骨头软骨生物力学性能实验研究.北京生物医学工程，1990；9（4）238-241.
2 王成学.人体肩髋膝关节软粘弹性实验研究.白求恩医科大学硕士研究生论文，2000，5.
3 初日德，程永春，马洪顺，等.人股骨头软骨应力松弛实验研究.中国生物医学工程学报，1994，13（2）：188-191.
摘 要 目的：研究正常股骨头和老年无菌性坏死股骨头（病态）的粘弹性力学性质，为临床提供生物力学参数。方法：对正常和病态股骨头中立位（纵向）进行应力松弛、蠕变实验。结果：得出了正常组和病态组应力松弛、蠕变数据和曲线。对应力松弛、蠕变实验数据进行回归分析，得出了归一化应力松弛函数、归一化蠕变函数及曲线。结论：病态组股骨头粘弹性指标显著低于正常组(P＜0.05)。
关键词 股骨头 正常 病态 粘弹性归一化应力松弛函数归一化蠕变函数
材料与方法
实验标本：本实验所用正常组8个标本均取自正常国人急性头部外伤致死的新年男性尸体，年龄19～28岁，股骨头坏死标本8个标本均为男性，年龄58～70岁。正常组标本于死者死亡后1～2小时之内解剖取下股骨头。病态标本取自老年置换人工关节坏死股骨头，正常组与病态标本取下后用生理盐水浸透的沙布包裹，装入塑料袋中密封后置于-20℃水箱内保存。实验前取出标本在常温下解冻后待用。
标本测量：以万能工具显微镜测量标本的高度和直经，标本的高度为34.2～42.6mm，直经为31.6～40.2mm。
实验器材：岛津AG-10TA自动控制电子万能试验机。载荷由载荷传感器传递，应变由机器的应变单元传递。载荷传感器最大量程为2KN使用量程为1KN。
应力松弛实验方法：取正常组，病态组各8个标本进行压缩应力松弛实验。将试验样的原始尺寸输入到控制机器的计算机内。骨组织的弹性主要来自熵的改变，因而不存在惟一的状态，这样组织会随加载、卸载循环次数而变化，要多次重复才能达到稳定状态。本实验在最大应力为其破坏应力的30%以下对标本反复加、卸载20次，预调处理后实验。
本实验模拟正常人体温，在36.5±0.5℃的温度场下进行。将标本置于pH值为7.4的生理盐水槽中，中立位（纵向）将生理盐水槽放在试验机工作台上。本实验对正常组，病态组股骨头各8个标本分别以50%/分的应变增加速度对试样施加常应变。当正常组应变达到0.8707%，病态组应变达到0.646%，正常组应力达到0.352mPa，病态组应力达到0.352mPa 时使应变保持恒定，应力随时间的改变不断下降。计算机程序设定从时间t（0）开始采集数据，每0.6S采集1个数据，采集10次；之后每10S采集1个数据，采集40次之后每136S采集1个数据，采集50个数据；共采集100个数据，历时7200S。达到设定的进间后，打印机自动打印出实验数据和曲线。
蠕变实验方法取正常与病态股骨头各8个标本进行蠕变实验。加载方式，标本预调处理，数据采集等与应力松弛实验相同。本实验以0.5GPa/分的应力增加速度对试样施加常应力，当正常组应力达到0.335mPa；应变达到0.625%，病态组应力达到0.336mPa；应变达到0.296%时使应保持恒定，应变随时间的改变不断上升。达到设定的时间后计算机自动输出实验数据和曲线。
结果
应力松弛实验结果：正常组、病态组股骨头应力松弛曲线经计算机拟合后见图1。正常组、病态组股骨头应力松弛函数曲线经计算机拟合见图2。
应力松弛函数计算结果：应力松弛曲线往往是以对数关系变化的，经计算：
蠕变实验结果：正常组、病态组8个试样蠕变曲线经计算机进行曲线拟合见图3。
正常组、病态组归一化蠕变函数曲线经计算机拟合见图4。
蠕变函数计算结果：归一化蠕变函数的建立：归一化蠕变函数J(t)反映试样某一时刻的长度与原长之比，即J（t）=L(t)/L0 。由正常组，病态组的J(t)值进行曲先拟合，得到J(t)的一组实验曲线见图4。
根据J(t)曲线可以看出J(t)随时间的变化规律与指数函数接近，经计算：
讨论
股骨头软骨的粘弹性力学性质等研究国内外学者做了大量研究［1~3］。
股骨头坏死主要是由于股骨头缺血后髋关节承受巨大的应力而造成的。如果股骨头与髋臼不相适应，滑动将不平行于表面或不沿表面切向；使关节软骨及股骨头密质骨和松质骨受到异常压缩分离，打乱了股骨头正常的应力分布，这也是股骨头坏死的发病原因之一。
应力松弛、蠕变实验结果表明，正常组的松弛量为0.209mPa，病态组的松弛量为0.151mPa，病态组松弛量低于正常组0.058mPa。正常组蠕变量为0.6644%，病态组蠕变量为0.3925%，病态组蠕变量低于正常组0.2719%。病态组的初始应力、应变都低于正常组，且达相对平衡点的时间长。胶原纤维使胶原组织具有一定的强度和刚度。分析认为病态组由于股骨头坏死，作用于股骨头的应力改变，过高的应力使弹性纤维，胶原纤维、网状纤维遭到破坏，所以其应力松弛量，蠕变量降低，应力松弛、蠕变速度慢，达到相对平衡点时间长。
股骨头粘弹性与年龄密切相关，年龄越大应力或应变变化更加缓慢，尤其是50岁以上表现更为突出，分析认为50岁以上年龄段都伴有一定的骨质疏松，所以其粘弹性更差。
参考文献
1 马洪顺，李振宇.人股骨头软骨生物力学性能实验研究.北京生物医学工程，1990；9（4）238-241.
2 王成学.人体肩髋膝关节软粘弹性实验研究.白求恩医科大学硕士研究生论文，2000，5.
3 初日德，程永春，马洪顺，等.人股骨头软骨应力松弛实验研究.中国生物医学工程学报，1994，13（2）：188-191.