第一部分 胫骨近端骨组织显微硬度分布特征研究目的:测量胫骨近端内侧髁、髁间区和外侧髁不同层面骨组织显微硬度,探讨胫骨近端骨组织显微硬度分布特征,为3D打印与人体弹性模量一致的仿生骨提供数据基础。方法:取3个新鲜冰冻近端胫骨标本,标本来自3位尸体捐献者分别为A,男性,62岁;B,女性,45岁;C,男性,58岁,行影像学检查除外影响骨骼的疾病。将每个近端胫骨分为内侧髁、髁间区和外侧髁三个部位,再将每部位为近、中、远3个部分。使用高精度低速锯于每部分取骨骼标本,经适当前处理后使用维氏显微硬度仪测量骨组织显微硬度,分析骨组织显微硬度分布特征。结果:在所有标本中,本研究共进行270次有效压痕测试并取得骨组织显微硬度值。胫骨近端总体显微硬度值范围24.8~49.7 HV,均值38.46±4.76 HV。胫骨内侧髁、髁间区和外侧髁平均硬度值分别为40.81±4.17 HV,36.44±4.67 HV,38.12±4.40 HV,差异有统计学意义。胫骨近、中、远3个层面硬度值分别为37.91±4.74 HV,36.68±4.53 HV,40.79±4.05 HV,差异有统计学意义。其中硬度最高的区域位于第3层面的内侧髁区,平均硬度值为42.57±3.92 HV;硬度最低的区域位于第2层面的髁间区,平均硬度值为34.69±5.03 HV。小结:胫骨近端不同区域松质骨显微硬度有显著性差异。胫骨内侧髁显微硬度大于外侧髁和髁间区,原因与胫骨内侧髁承受载荷较大有关。胫骨近端不同层面骨组织显微硬度也有着相当的差异。本研究收集的数据可以为制造与人体骨骼弹性模量一致的仿生骨/仿生内植物提供数据支持。第二部分 胫骨干骨组织显微硬度分布及其对在体骨质量测量位点选择的影响目的:压痕硬度是一种优秀的骨质量评价方法,分为在体骨质量评估的参考点技术及离体骨质量评估的显微压痕技术。本研究的目的是分析胫骨骨干骨组织显微硬度分布特征,为参考点技术在体评估骨质量的测试位点选择提供理论支持。方法:取3个新鲜冰冻胫骨干标本,标本来自3位尸体捐献者分别为A,男性,62岁;B,女性,45岁;C,男性,58岁。将胫骨干平均分为6个部分,使用高精度低速锯从每个部分取下3mm厚骨骼样本。经适当的前处理后,在骨骼样本的不同区域进行显微压痕测试获取显微硬度值。使用随机区组设计的方差分析进行数据分析,分析骨组织显微硬度分布特征。结果:在胫骨体部共选取72个区域进行了360次有效压痕测试并取得显微硬度值。与以往研究不同,本研究发现胫骨干骨组织显微硬度分布并不均匀。胫骨干的前、内、后、外侧皮质骨的平均显微硬度分别为45.58±4.39HV,52.33±3.93HV,54.00±4.21HV,52.89±4.44HV。前方皮质的显微硬度值低于其他区域(p<0.001),在同一区域内,不同位置的骨组织显微硬度也有着一定的波动。小结:胫骨干不同解剖部位骨组织显微硬度有显著性差异,胫骨干前方皮质显微硬度低于其他区域。参考点技术在体测量骨质量测试位点的选择应尽可能固定以获得更为准确的结果。参考点技术实验设计中应考虑到个体间及各解剖位置间的骨组织显微硬度差异。第三部分 接骨板设计对胫骨干骨折内固定后生物力学环境的影响目的:胫骨干骨折接骨板内固定术后,骨折周围所处的生物力学与环境对骨折能否愈合、接骨板是否出现疲劳断裂影响很大。本研究的目的是分析接骨板设计对骨折周围生物力学环境的影响,以利于优化接骨板设计,减少内固定失败风险。方法:建立基于不同接骨板设计的胫骨干骨折接骨板内固定模型,使用有限元技术进行模拟计算。研究和记录使用不同设计的接骨板模型时骨折周围生物力学环境变化,如骨、接骨板承受的应力,骨折端微动等。分析不同生物力学环境参数的影响因素。结果:接骨板的工作长度与接骨板承受的最大应力、最大应变以及骨折端微动呈正相关关系;与骨组织承受的最大应力呈负相关关系。接骨板的长度与接骨板承受的应变呈正相关关系,与骨组织承受的应变呈负相关关系。螺钉-骨界面是内固定失效的最薄弱环节。如接骨板的工作长度上存在钉孔,接骨板承受的峰值应力、峰值应变均有显著增加,骨折端微动也明显增大。钉孔的存在导致的应力集中是导致接骨板承受的峰值应力显著增加的重要原因。小结:在本研究给定的实验条件下,有以下建议和措施可以优化接骨板的设计,促进骨折愈合,减少内固定物疲劳失败的可能。首先,术后早期患肢部分负重。其次,接骨板的工作长度存在最佳范围,在本实验条件下,应在38.5mm-62.mm之间。第三,接骨板工作长度上的钉孔应去除以避免应力集中,减少接骨板承受的应力,促进骨折骨折愈合。结论:1.胫骨近端不同区域松质骨显微硬度有显著性差异。胫骨内侧髁显微硬度大于外侧髁和髁间区,胫骨近端不同层面骨组织显微硬度也有着相当的差异。2.胫骨干不同解剖部位骨组织显微硬度有显著性差异,胫骨干前方皮质显微硬度低于其他区域。参考点技术在体测量骨质量测试位点的选择应尽可能固定以获得更为准确的结果。3.接骨板的设计对胫骨干骨折内固定术后骨折周围生物力学环境影响较大,其中接骨板的工作长度、长度、工作长度上存在的钉孔对生物力学环境影响最为显著。本研究的结果有助于优化接骨板的设计,可促进骨折愈合,减少内固定物疲劳失败的可能。