杜柏儒

【摘 要】 生物医学工程学是一门促进生命健康的工程学科。无论是学科基础理论的发展，还是工程技术的研发，都需要从整体的角度和动态的角度研究人体系统的变化规律，尤其是针对局部问题的解决方案，需要综合考虑与生命系统整体的切合性。文中，笔者从力学和材料学这两个角度对骨骼结构进行了诠释。

【关键词】 生物医学工程 骨骼结构 力学角度 材料学角度

骨骼系统生物力学是生物力学研究中较为成熟的一个分支，研究者利用力学的原理、方法和相关技术去认知人体骨骼、肌肉、韧带和软骨的物质成分性质、结构特征和系统功能。它在生物科学、医学、工业技术等领域建立了无数具有划时代意义的贡献，在我们日常生活、康复治疗、关节治疗和预防保健等方面已发挥了重要的作用，为生物医学工程这个新兴发展的学科奠定了基石。

1 力学角度对骨骼结构的诠释

现在推行的“力学生物学”理念，正是需要我们以骨骼结构本身为理所当然的存在体，在力的作用下，对骨骼结构、材料、系统存在的合理性进行合理解释。具体而言，是从功能所趋或外力作用的角度来解释骨骼的形态与结构。

大量研究表明骨的重建活动与骨上增加的载荷关联这一基本事实。承载骨的横截面随活动增加而增大，任何减少骨的功能性载荷都可使骨质变坏，如临床上，长期卧床或局部长期石膏固定的病人，表现出全身或局部骨质疏松。

解剖学家 Meyer 和工程师 Culmann 于 1866 年发现起重机的轨线（主应力轨迹）与股骨头部的松质骨结构有惊人的相似性，为证实松质骨的结构是由主应力方向确定的，他提出以下三个问题：

（1）所观测到的松质骨结构是否在静力状态下形成的？

（2）使这些结构如此适应于功能的内在控制机制是怎样的？

（3）如果综合考虑肌肉和韧带张力的影响，还能按照上述思路来了解结构吗？

几年后，德国的 Wolff 对此进行了思考，并对密质骨和松质骨的结构提出了自己的观点，他认为松质骨和密质骨的形成可根据轨线来解释，而轨线的密度可用以推断静力学的重要性和必要性，即轨线密度高的地方应力大，需要密質骨，相反，轨线密度低的地方仅需要松质骨，密度为零的地方则是髓腔。后来 Wolff 学说和 Roux 的功能适应性原理融合到一起来解释上述的现象，称之谓 Wolff 定律。这个定律的基本准则是“用之则强，废用则弱”，依据此，便可以解释宇航员长时间承担飞行任务后，会引起小梁骨体积的降低。

在生物体正常活动中，骨感受到外部环境（主要是外部活动，如行走、运动等），骨组织感受到外界刺激的差异，导致骨液流动，骨内液体的流动伴随着流体剪应力和黏滞力的产生，骨细胞发出重建信号并传递，效应细胞被激活，进而开启重建过程，而破骨细胞、造骨细胞导致骨吸收和生成，进而改变骨的宏观特性。信号的传递、营养成分的运输和新陈代谢，骨液流动以及产生的电信号起到了重要的作用。信息传导机制受应变感应和应变率感应等因素的影响，在微结构水平发生，受载历史引发生物信号来促使骨细胞从骨表面沉积或消失，进而促使整个骨结构发生改变。至于骨在受力后的反馈性行为，主要是由于承受变化的载荷引起。

2 材料学角度对骨骼结构的诠释

问题的不断涌现始终是促动研究工作进一步深入的根源。随后一个新的疑问产生，是什么应力状态（压应力、拉力还是剪力）从功能上刺激而产生松质骨的如此结构？对于这个问题，Evans 分析了各种不同观点后认为，“关于应力和应变在骨的形成和结构中所起的作用大多数是理论性的，需要实验数据来证实，另一方面，已有大量实验数据指出，对于骨单元的排列方向和置换来说，力学的刺激并不是唯一的，也可能不是最重要的因素”。Evans 这一评论进一步指出，仅仅了解松质骨和密质骨的区别是不够的，还需要了解其微结构单元，如骨单元、胶原纤维的合成等，这时需把骨看作一种多相复合材料来讨论。目前，人们一般认为外部刺激通过介质到达多功能细胞，多功能细胞接收信号产生变异，进而导致骨结构与形状的自组织演化过程，对于相关的控制机制，还需要更深入的分析研究。

当我们把骨作为一种材料来认识时，研究力学对其的响应便是主要任务，确切的说，是研究外加环境下骨的结构性质和几何性质的演化过程。Rauber 早期的研究工作便是如此，他首先解释了温度和湿度对强度与弹性性能的影响，并且提出了弯曲试验中骨对长时间加载的响应，以及骨的各向异性行为，指出了骨的性质有着局部解剖学差异。

Messerer 设计了液压装置来研究骨整体的破坏行为，包括对颅骨、盆骨、桡骨股骨的拉伸、扭转、压缩和弯曲。他发现，年龄和性别是决定整骨极限强度的重要因素，不同的断裂、破坏模式是由于不同类型载荷引起。Evans 的《骨的力学性质》一书中，讨论了温度、湿度，加载频率与加载速率等效应对骨力学性质的影响，但其中没有关照到方向性和局部解剖的差异，以及微结构与功能等方面，实属遗憾。此外，Evans 已意识到各种骨外科手术所施加的力对骨确定性的影响，就在关节置换物的可靠性问题还未得到解决，便又涌现出一个更加复杂问题，即人工关节与骨之间的相互作用问题。之后的骨生物力学的研究，是伴随着上述的问题展开的，即寻找一个新的骨模型，使力学行为能与其内部结构功能联系起来。

Fukada 和 Yasuda 发现了骨中的力电效应，这意味着把骨看作简单的各向同性材料是有问题的。

Katz 及其合作者构造了四个有关联的骨结构层次模型，发现呈正交各向异性的丛状骨弹性刚度常数明显大于横观各向同性哈氏骨的对应值。

3 结语

骨骼系统的复杂性决定了其多功能性，大量有着因果联系的物理、化学和反馈过程，体现了这个大系统具有的特性。在宏观上与骨的力学性质和几何性质相关。骨作为一个系统研究的观点，随着科学技术的发展和研究的深入，越来越显示其一般性。但要想透彻了解骨作为一种系统的行为，则仍有很多问题需要解决。

参考文献

[1] 论中医理论中的系统整体性思想[J]. 刘带，李锐锋. 系统科学学报. 2009（03）

[2] 生物医学工程学概论[M]. 机械工业出版社 ， （美） 安德勒 （Enderle， 2014

[3] 科学史研究的方法论原则——从与自然科学研究的比较看[J]. 邢润川，李铁强. 自然辩证法研究. 2001（07）