EH复合材料人工颅骨的生物力学研究
作者：孙春明 崔岗 周岱
单位：苏州医学院附属一院神经外科，苏州,215006
关键词：羟基磷灰石；人工颅骨；生物力学
苏州医学院学报990910 摘要 运用应变电测技术测定EH复合材料人工颅骨的各项生物力学指标。结果：EH复合材料人工颅骨的抗弯，抗冲强度大于人体颅骨，抗压、抗拉强度略小于人体颅骨。说明：EH复合材料人工颅骨的生物力学性能与人体颅骨相当，从力学角度看，EH复合材料人工颅骨是一种较理想的颅骨修补材料。
中图法分类 R318.01；R318.9
The Study on Biomechanics of the Artificial Cranium of EH Composite Material
, 百拇医药
Sun Chunming,Chui Gang,Zhou Dai
(Department of Neurosurgery,First Hospital Affiliated to Suzhou Medical College,Suzhou,215006)
Abstract Indexes of biomechanics of the artificial cranium of EH composite material are measured by strain electrical technique.Result:The bending strength and impact strength of the artificial cranium were stronger than that of man's cranium,while the compressive strength and tension strength were a little bit weeker than that of man's cranium.Conclusion:The biomechanics nature of the artificial cranium of EH composite material is nearly equal to that of man's cranium.In view of mechanics,the artificial cranium of EH composite material is and ideal material of cranioplasty.
, 百拇医药
Key words hydroxyapatite;artificial cranium;biomechanics
羟基磷灰石(Hydroxyapatite HA)是目前研究较多的生物材料，具有生物相容性好，有骨传导作用等优点[1～3]，在国外于80年代末用于颅骨修补[4]，但其生物力学性能差、脆性大等缺点限制了它在临床上的应用[6]。为此，刘义荣等将医用塑形剂EAM树脂(顺丁烯二酸改性的甲基丙烯酸环氧树脂)加入HA颗粒制成EH复合材料[7]。本研究将EH复合材料制成人工颅骨，通过对人工颅骨一系列的生物力学指标的测定，进一步确定该材料用于颅有修补的可靠性。
1 材料与方法
1.1 标本制备：将EH复合材料制成与人体颅骨相似的人工颅骨板，按照国家标准GB228-96将人工颅骨板制成标准力学试件。为模拟真实的颅骨结构，各标准试件带有一定的球面曲率，曲率半径为10.5cm。按人工颅骨厚度不同分为A组(4mm)和B组(5mm)两组。并将标本按力学性质制成下列几种基本类型(附图)：①拉伸试件制成哑呤状，②抗压试件制成板状，③抗弯试件制成直梁状，④抗冲压试件制成具有半圆缺口的直梁状。
, http://www.100md.com
附图 试件基本类型(mm)(S宽度，H厚度，r缺口半径)
2 实验结果
1.2 应变电测技术：由于人工颅骨板组织结构的特殊性，应用应变电测技术测量更为精确，将所有不同类型的每个试件贴在应变片，测量不同力作用下的应变结果。由于颅骨片呈曲率形态，加载试样为防止两端夹碎，应予埋水泥。应变电测技术要求操作严格，应予先在试件上打磨，清洁干净，以保持良好的粘结性能与应变传递性质，认真涂胶，焊接，测量电阻值。
1.3 生物力学测定装置：为WD-5A生物力学测定装置，包括加载部分、压力和位移传感器、动态应变仪等，测试时，加载速度为5.0mm/min[8]。
利用人工颅骨板进行的应变电测技术记录下来的数据，按回归法在IBM-586微机上进行数据处理，不同工况下的力学测试结果如下：
, 百拇医药
2.1 拉伸的应力：见表1。试件横形断裂，断口平滑，垂直于主应力方向折断，延伸率为0.4%。
表1 人工颅骨的机械拉伸性能(
±s)
根限强度
(MPa)
弹性模量
(GPa)
延伸率
(%)
泊松比
γ
A组
, 百拇医药
49.90±3.6
68.6±5.4
0.42±0.02
0.28±0.01
B组
60.0±4.8
66.6±4.8
0.44±0.04
0.28±0.01
A、B组均值
54.95±4.2
67.6±5.1
, 百拇医药
0.43±0.03
0.28±0.01
人颅骨
63.19±2.7
76.8±4.2
0.85±0.12
0.29±0.01
2.2 压缩的应力：结果见表2，试件断裂形态呈撕裂状。表2 人工颅有的压缩强度性质(±s)
根限强度
(MPa)
, 百拇医药
弹性模量
(GPa)
压缩比
(%)
泊松比
γ
A组
62.0±4.2
59.60±3.2
0.84±0.12
0.24±0.01
B组
78.0±6.4
, 百拇医药
62.90±4.8
0.78±0.20
0.25±0.01
A、B组均值
70.0±5.3
61.25±4.0
0.81±0.16
0.24±0.01
人颅骨
60.0±4.2
69.74±3.2
0.92±0.12
, 百拇医药
0.25±0.01
2.3 弯曲强度：见表3。表3 人工颅骨弯曲力学性能(±s)
弯曲极限强度
(MPa)
弯曲挠度
(mm)
弯曲弹性模量
(MPa)
弯曲韧
性系数
A组
, http://www.100md.com
33.53±0.21
2.43±0.10
126±1.5
0.05±0.03
B组
31.65±0.18
1.27±0.10
117±1.2
0.03±0.02
A、B组均值
32.59±0.19
1.85±0.11
, 百拇医药
121.5±1.35
0.03±0.01
人颅骨
23.20±0.20
1.90±0.21
1.90±0.21
0.03±0.01
2.4 冲击韧性：结果见表4。表中T(N,M)为破坏时吸收的能量，α(NM/cm2)为冲击韧度。表4 人工颅骨板的冲击韧性值(±s)
T(N,M)
, 百拇医药
α(N,M)/cm2
A
34.6±2.4
1.97±0.14
B
56.6±3.6
2.52±0.16
人颅骨
——
0.49
2.5 实验对照组人体颅骨的数据引自文献[9]。
, 百拇医药
3 讨论
颅骨修补要求颅骨修补本身有较大的机械强度以保护大脑[9]。本实验结果提示，人工颅骨的抗拉强度、抗压强度接近人体颅骨，且试件断裂时的延伸率小，相当于干燥人颅骨[9]。而人工颅骨的抗弯性能和抗冲击韧性明显优于人颅骨。因此，我们认为EH复合材料人工颅骨的机械强度十分接近甚至超过人颅骨。相对应，比碳纤维材料和有机玻璃材料具有一定的优势，也优于硅化橡胶[10]。本实验还显示，随EH复合材料人工颅骨厚度的增加其机械强度也将稍增大，实验资料提示4mm厚度的EH复合材料人工颅骨的机械强度已与人体颅骨相当。因此，可用4mm厚的EH复合材料人工颅骨作为颅骨修补的标准材料。
作者简介：孙春明 硕士研究生
周岱 导师
参考文献
, 百拇医药
1 Costantino PD.et al.Experimental hydroxyapatite cement cranicoplasty.Plast Recomstr surg,1992,90∶174
2 Holmes RE,et al.Porous hydroxy a patite as a bone-graft substitute in metaphyseal(defects).J Bone Joint Surg(Am),1986,686∶904
3 Kveton TF,et al.Endicotions for hydroxyaatite cenment reconstruction in lateral skull base surgery.Am J Otol,1995,16∶465
4 Waite PD,et al.Reconstruction of cranial defects with porous hydroxyapatite.Neurosurgery,1989,125∶214
, 百拇医药
5 Monuel Dujovny,et al.An innorative approach for cranioplasty using hydroxyapatite cement.Surg Neurol,1997,482∶294
6 Okazaki M,Ohmae H.Mechanical and biological porpertices of apatite resins.Biometerials,1988,9∶345
7 刘义荣，等.EH型复合材料短期生物相容性的评价.口腔材料器械杂志，1993，2∶12
8 王以进，王介麟著.骨科生物力学.北京：军医出版社，1989∶56-157
9 吴桂荣，等.人体和猕猴颅骨静态力特性的实验研究.航天医学与医学工程，1997，2∶92
10 王宪荣，等.高强度室温硫化硅橡胶板颅骨成形术.中华神经外科杂志，1986，4∶247
(1999年3月20日收稿), http://www.100md.com
单位：苏州医学院附属一院神经外科，苏州,215006
关键词：羟基磷灰石；人工颅骨；生物力学
苏州医学院学报990910 摘要 运用应变电测技术测定EH复合材料人工颅骨的各项生物力学指标。结果：EH复合材料人工颅骨的抗弯，抗冲强度大于人体颅骨，抗压、抗拉强度略小于人体颅骨。说明：EH复合材料人工颅骨的生物力学性能与人体颅骨相当，从力学角度看，EH复合材料人工颅骨是一种较理想的颅骨修补材料。
中图法分类 R318.01；R318.9
The Study on Biomechanics of the Artificial Cranium of EH Composite Material
, 百拇医药
Sun Chunming,Chui Gang,Zhou Dai
(Department of Neurosurgery,First Hospital Affiliated to Suzhou Medical College,Suzhou,215006)
Abstract Indexes of biomechanics of the artificial cranium of EH composite material are measured by strain electrical technique.Result:The bending strength and impact strength of the artificial cranium were stronger than that of man's cranium,while the compressive strength and tension strength were a little bit weeker than that of man's cranium.Conclusion:The biomechanics nature of the artificial cranium of EH composite material is nearly equal to that of man's cranium.In view of mechanics,the artificial cranium of EH composite material is and ideal material of cranioplasty.
, 百拇医药
Key words hydroxyapatite;artificial cranium;biomechanics
羟基磷灰石(Hydroxyapatite HA)是目前研究较多的生物材料，具有生物相容性好，有骨传导作用等优点[1～3]，在国外于80年代末用于颅骨修补[4]，但其生物力学性能差、脆性大等缺点限制了它在临床上的应用[6]。为此，刘义荣等将医用塑形剂EAM树脂(顺丁烯二酸改性的甲基丙烯酸环氧树脂)加入HA颗粒制成EH复合材料[7]。本研究将EH复合材料制成人工颅骨，通过对人工颅骨一系列的生物力学指标的测定，进一步确定该材料用于颅有修补的可靠性。
1 材料与方法
1.1 标本制备：将EH复合材料制成与人体颅骨相似的人工颅骨板，按照国家标准GB228-96将人工颅骨板制成标准力学试件。为模拟真实的颅骨结构，各标准试件带有一定的球面曲率，曲率半径为10.5cm。按人工颅骨厚度不同分为A组(4mm)和B组(5mm)两组。并将标本按力学性质制成下列几种基本类型(附图)：①拉伸试件制成哑呤状，②抗压试件制成板状，③抗弯试件制成直梁状，④抗冲压试件制成具有半圆缺口的直梁状。
, http://www.100md.com
附图 试件基本类型(mm)(S宽度，H厚度，r缺口半径)
2 实验结果
1.2 应变电测技术：由于人工颅骨板组织结构的特殊性，应用应变电测技术测量更为精确，将所有不同类型的每个试件贴在应变片，测量不同力作用下的应变结果。由于颅骨片呈曲率形态，加载试样为防止两端夹碎，应予埋水泥。应变电测技术要求操作严格，应予先在试件上打磨，清洁干净，以保持良好的粘结性能与应变传递性质，认真涂胶，焊接，测量电阻值。
1.3 生物力学测定装置：为WD-5A生物力学测定装置，包括加载部分、压力和位移传感器、动态应变仪等，测试时，加载速度为5.0mm/min[8]。
利用人工颅骨板进行的应变电测技术记录下来的数据，按回归法在IBM-586微机上进行数据处理，不同工况下的力学测试结果如下：
, 百拇医药
2.1 拉伸的应力：见表1。试件横形断裂，断口平滑，垂直于主应力方向折断，延伸率为0.4%。
表1 人工颅骨的机械拉伸性能(
±s)根限强度
(MPa)
弹性模量
(GPa)
延伸率
(%)
泊松比
γ
A组
, 百拇医药
49.90±3.6
68.6±5.4
0.42±0.02
0.28±0.01
B组
60.0±4.8
66.6±4.8
0.44±0.04
0.28±0.01
A、B组均值
54.95±4.2
67.6±5.1
, 百拇医药
0.43±0.03
0.28±0.01
人颅骨
63.19±2.7
76.8±4.2
0.85±0.12
0.29±0.01
2.2 压缩的应力：结果见表2，试件断裂形态呈撕裂状。表2 人工颅有的压缩强度性质(
±s)根限强度
(MPa)
, 百拇医药
弹性模量
(GPa)
压缩比
(%)
泊松比
γ
A组
62.0±4.2
59.60±3.2
0.84±0.12
0.24±0.01
B组
78.0±6.4
, 百拇医药
62.90±4.8
0.78±0.20
0.25±0.01
A、B组均值
70.0±5.3
61.25±4.0
0.81±0.16
0.24±0.01
人颅骨
60.0±4.2
69.74±3.2
0.92±0.12
, 百拇医药
0.25±0.01
2.3 弯曲强度：见表3。表3 人工颅骨弯曲力学性能(
±s)弯曲极限强度
(MPa)
弯曲挠度
(mm)
弯曲弹性模量
(MPa)
弯曲韧
性系数
A组
, http://www.100md.com
33.53±0.21
2.43±0.10
126±1.5
0.05±0.03
B组
31.65±0.18
1.27±0.10
117±1.2
0.03±0.02
A、B组均值
32.59±0.19
1.85±0.11
, 百拇医药
121.5±1.35
0.03±0.01
人颅骨
23.20±0.20
1.90±0.21
1.90±0.21
0.03±0.01
2.4 冲击韧性：结果见表4。表中T(N,M)为破坏时吸收的能量，α(NM/cm2)为冲击韧度。表4 人工颅骨板的冲击韧性值(
±s)T(N,M)
, 百拇医药
α(N,M)/cm2
A
34.6±2.4
1.97±0.14
B
56.6±3.6
2.52±0.16
人颅骨
——
0.49
2.5 实验对照组人体颅骨的数据引自文献[9]。
, 百拇医药
3 讨论
颅骨修补要求颅骨修补本身有较大的机械强度以保护大脑[9]。本实验结果提示，人工颅骨的抗拉强度、抗压强度接近人体颅骨，且试件断裂时的延伸率小，相当于干燥人颅骨[9]。而人工颅骨的抗弯性能和抗冲击韧性明显优于人颅骨。因此，我们认为EH复合材料人工颅骨的机械强度十分接近甚至超过人颅骨。相对应，比碳纤维材料和有机玻璃材料具有一定的优势，也优于硅化橡胶[10]。本实验还显示，随EH复合材料人工颅骨厚度的增加其机械强度也将稍增大，实验资料提示4mm厚度的EH复合材料人工颅骨的机械强度已与人体颅骨相当。因此，可用4mm厚的EH复合材料人工颅骨作为颅骨修补的标准材料。
作者简介：孙春明 硕士研究生
周岱 导师
参考文献
, 百拇医药
1 Costantino PD.et al.Experimental hydroxyapatite cement cranicoplasty.Plast Recomstr surg,1992,90∶174
2 Holmes RE,et al.Porous hydroxy a patite as a bone-graft substitute in metaphyseal(defects).J Bone Joint Surg(Am),1986,686∶904
3 Kveton TF,et al.Endicotions for hydroxyaatite cenment reconstruction in lateral skull base surgery.Am J Otol,1995,16∶465
4 Waite PD,et al.Reconstruction of cranial defects with porous hydroxyapatite.Neurosurgery,1989,125∶214
, 百拇医药
5 Monuel Dujovny,et al.An innorative approach for cranioplasty using hydroxyapatite cement.Surg Neurol,1997,482∶294
6 Okazaki M,Ohmae H.Mechanical and biological porpertices of apatite resins.Biometerials,1988,9∶345
7 刘义荣，等.EH型复合材料短期生物相容性的评价.口腔材料器械杂志，1993，2∶12
8 王以进，王介麟著.骨科生物力学.北京：军医出版社，1989∶56-157
9 吴桂荣，等.人体和猕猴颅骨静态力特性的实验研究.航天医学与医学工程，1997，2∶92
10 王宪荣，等.高强度室温硫化硅橡胶板颅骨成形术.中华神经外科杂志，1986，4∶247
(1999年3月20日收稿), http://www.100md.com