测量并分析肱骨干不同层面和方位显微骨硬度分布特征及其临床意义。
选取新鲜成人尸体标本3具(62岁男性、45岁女性和58岁男性)，取其右侧肱骨干部分，垂直于肱骨干长轴水平，使用金刚石慢速锯在每一段精确切取厚3 mm的骨组织标本共7层，分别标记为第Ⅰ～Ⅶ层，进而区分为肱骨干上段(Ⅰ、Ⅱ层)、中段(Ⅲ～Ⅴ层)、下段(Ⅵ、Ⅶ层)，并将每层划分为前、后、内、外四个区域；应用维氏金刚石显微硬度压头在标本表面进行硬度测量并分区统计，进而分析不同区域肱骨干显微硬度分布规律。
共获得肱骨干84个测量部位420个测量位点的有效测量值。分析显示，肱骨干总体硬度(47.52±6.01)HV，肱骨干中段整体硬度大于肱骨干上段及下段(F＝11.594, P<0.01)。肱骨干7个分层中，Ⅳ层硬度最大(51.34±7.01)HV、Ⅶ硬度最小(45.72±6.25)HV；肱骨中段Ⅳ层内侧部分硬度最大(53.77±8.70)HV，肱骨干下段Ⅶ层后侧区域硬度最小(42.02±7.47)HV。肱骨干后侧整体硬度(45.28±6.47)HV，小于肱骨外侧(49.12±5.22)HV、内侧(48.28±6.10)HV、前侧(47.40±5.55)HV硬度，差异有统计学意义(F＝8.347, P<0.01)。
肱骨干骨皮质不同层面及方位骨显微硬度存在差异，该分布规律数据可指导设计适应生理状态下骨骼应力传导特性的3D打印仿生内置入物。亦可对模拟生理状态下骨骼生物力学性能的骨骼建模及有限元分析提供数据支持。
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肱骨在人类是上肢骨中最粗且最长的管状骨。肱骨干上自外科颈下1～2 cm，下至肱骨髁上2 cm处，上半部近似圆柱形，下半部逐渐变扁、变宽，呈前后径上狭窄的三棱柱形。肱骨干全长不同部位有凹凸不平的粗隆区和锐利的骨嵴，是为适应上肢功能需要，臂部肌肉牵张所致。肱骨干不同部位的形态与结构变化是人类进化过程中上肢功能进化的结果。然而，与这种形态和结构所对应的骨骼生物力学特点尚不明晰，有关人类肱骨干骨硬度的研究尚未见文献报道。在既往研究基础上[1]，本研究进一步探究肱骨干硬度不同层面和方位分布规律[1]，旨在进一步了解肱骨干形态与结构的变化和生物力学特点，指导临床对肱骨内固定材料和固定方式选择，为肱骨骨缺损后3D打印仿生骨及骨连接装置的设计提供数据支持。
纳入标准：(1)新鲜成人冰冻标本，性别不限；(2)标本外观完整，无畸形；(3)既往身体健康，无慢性病史。排除标准：(1)代谢性骨病病史；(2)肱骨外伤或手术史；(3)骨肿瘤性疾病史。
本研究为人体骨骼显微硬度系列研究组成部分，采用62岁男性、45岁女性和58岁男性3具新鲜尸体标本中的右侧肱骨干(由河北医科大学解剖学教研室提供)。该研究经河北医科大学第三医院伦理委员会批准(科2017-003-1)，并于临床试验注册平台注册(注册号：ChiCTR-BPR-17010818)。
采用人体骨骼显微骨硬度系列研究的统一标本制备和硬度测量方法。剔除右侧肱骨干周围附着软组织后，使用微型机械台锯及Isomet 11-1280-250型金刚石慢速锯(Buehler，Ltd.，美国)，根据肱骨的解剖结构，将肱骨干部分7等分，垂直于肱骨干长轴进行切割，等距精确切取厚3 mm的标本7层(Ⅰ～Ⅶ层)，进而区分为肱骨干上段(Ⅰ、Ⅱ层)、中段(Ⅲ～Ⅴ层)、下段(Ⅵ、Ⅶ层)，并将每层划分为前、后、内、外皮质区域4个区域，层面标本表面应用碳化硅400～3000目砂纸打磨抛光(见图1)。样品以－20 ℃低温恒湿密封保存，避免过度水化或水化不足对骨硬度及物理性质影响[2,3]。
采用KB-5型显微硬度仪(BVZ-Video，德国)，应用维氏金刚石显微硬度压头在每层样本断面4个皮质区域分别进行硬度测量，测量单位为HV(kgf/mm2)。根据材料学标准测试方法[4,5]进行检测：采用50 gf的最大载荷，均速加载时间50 s后维持载荷12 s；通过计算机读取每个压痕位点的两条对角线的长度，选取对角线之间差异不超过10%的压痕以减小误差。测量压痕硬度值，每个区域选取5个有效硬度值。本系列研究具体测量及取值方法相同，见文献[6]。
应用SPSS 22.0统计软件对测量数据进行分析。采用Kolmogorov-Smirnov检验对计量数据进行正态性检验，服从或近似服从正态分布的计量资料以
±s表示；肱骨干各层面间、各方位间采取单因素方差分析(One-way ANOVA)进行比较，方差齐的组间比较采用Scheffe检验，方差不齐的采用Dunnett T3检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
3具尸体右侧肱骨干标本上、中、下三段Ⅰ～Ⅶ层骨皮质前、后、内、外方4个测量部位各获取5个有效测量值，合计84个测量部位、420个测量位点的有效测量值(上段120个、中段180个、下段120个)。测量得肱骨骨干硬度整体分布如下：肱骨干区域总体硬度(47.52±6.01)HV，其中肱骨中段Ⅳ层内侧部分硬度最大(53.77±8.70)HV；硬度最小处为肱骨干下段Ⅶ层后侧区域(42.02±7.47)HV。
肱骨干三段硬度分别为：上段(46.37±4.71)HV，中段(49.11±6.44)HV，下段(46.28±5.98)HV；其中肱骨干中段整体硬度大于肱骨干上段及下段处硬度，差异有统计学意义(F＝11.594, P<0.01)；而肱骨干上段和下段之间硬度差异无统计学意义(t＝0.133, P>0.05)。肱骨干上段前、后、内、外方位硬度比较，差异无统计学意义(F＝0.280, P>0.05)；但骨干中段和下段的外侧骨硬度均大于后侧骨硬度，差异均有统计学意义(t中段＝－3.481、t下段＝－4.421, P值均<0.01)。见表1。
3具新鲜成人尸体标本右侧肱骨干各段不同方位骨硬度比较(HV, 
±s)
3具新鲜成人尸体标本右侧肱骨干各段不同方位骨硬度比较(HV, ±s)
| 肱骨干分段 | 压痕数 | 前侧 | 后侧 | 内侧 | 外侧 | F值 | P值 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 上段(Ⅰ、Ⅱ层) | 30 | 46.05±4.41 | 45.98±5.67 | 46.97±4.48 | 46.48±4.30 | 0.280 | >0.05 |
| 中段(Ⅲ～Ⅴ层) | 45 | 48.42±5.81 | 46.55±6.71a | 50.38±6.79 | 51.08±5.58 | 4.809 | <0.01 |
| 下段(Ⅵ、Ⅶ层) | 30 | 47.21±6.03 | 42.66±6.28b | 46.42±5.59 | 48.82±4.32 | 6.492 | <0.01 |
| F值 | 1.690 | 3.675 | 5.112 | 8.001 | |||
| P值 | >0.05 | <0.05 | <0.05 | <0.05 |
注：与同段外侧比较，at＝－3.481、P<0.01，bt＝－4.421、P<0.01
肱骨干Ⅰ～Ⅶ层骨皮质硬度分别为(46.76±4.27)、(45.98±5.11)、(46.47±5.79)、(51.34±7.01)、(49.52±5.56)、(46.84±5.70)、(45.72±6.25)HV，其中Ⅶ层硬度最小，Ⅳ层硬度最大，Ⅳ层与除Ⅴ层外的其他各层相比，差异有统计学意义(F＝8.028, P<0.05)。见图3。
注：a Ⅳ层与其他层比较(除Ⅴ层外)，F＝8.028，P<0.05
肱骨7个层面总体骨硬度前、后、内、外侧分别为(47.40±5.55)、(45.28±6.47)、(48.28±6.10)、(49.12±5.22)HV，其不同方位骨硬度分布变化见图4。7个层面总体骨硬度不同方位间比较，肱骨后侧整体硬度小于肱骨外侧、内侧和前侧，差异有统计学意义(P<0.01)。见表1。
注：a与内、外、前侧相比，F＝8.347，P<0.05
本研究首次应用显微维氏硬度测量方法对肱骨干不同层面及方位硬度分布规律进行系统研究。研究结果显示，肱骨干骨皮质不同层面及方位硬度存在差异，其中肱骨干中段硬度大于骨干上、下段，肱骨干中、下段外侧硬度大于后侧硬度。
在生理载荷下，肱骨干的应力随肩关节外展和旋转功能位置变化而变化，且呈线性分布。肩关节处于30°～60°外展伴旋转状态时下肱骨干承受更大的应力，此时是肱骨干易发生骨折的受力状态[7]。骨骼强度受其结构特性及材料特性影响[8]，同时骨骼不同区域的的应力分布差异也通过骨的重建影响对应部位的骨结构与材料性能，肱骨干中段为肱骨随上肢屈伸及旋转活动的应力集中区域。同时解剖学证实，肱骨骨干表面有较多的肌肉附着，受肌肉牵张的影响，骨干上段、中段和下段之间存在着肌肉韧带牵拉力的交错点，其中以中段居多。而在应力和肌肉韧带牵拉力交错点区域，肱骨干更易在肌肉频繁地作用下发生骨折和移位。故肱骨中段硬度(49.11±6.44)HV明显大于骨干上段(46.37±4.71)HV和下段(46.28±5.98)HV。
肱骨虽为非负重骨，但肱骨干前间隔内肱二头肌、喙肱肌和肱肌等肌肉力量常大于后间隔内肱三头肌肌力，故肱骨干的后侧为张力侧。张力侧承受较小的应力，随之发生较小的应变。而压力侧在较大较强的应力作用下，其骨微损伤较张力侧更早发生。相关研究表明，骨微损伤在受张力区累积较快[9,10]。骨骼中微裂纹的累积通过降低骨的弹性模量方式破坏骨的力学性能。而骨硬度分布可以较好地反映微观层面中骨弹性模量的变化。亦有研究表明，骨骼结构单元层面的硬度数值可以较为准确地反映骨微损伤状况[11,12]。而且肱骨干后侧大部分区域仅被肱三头肌包饶，其肌肉韧带牵拉力交错点较外侧、内侧、前侧较简单。本实验中，可见肱骨干后侧整体硬度(45.28±6.47)HV，小于肱骨外侧(49.12±5.22)HV、内侧(48.28±6.10)HV、前侧(47.40±5.55)HV整体硬度。
近年来，肱骨干骨折功能复位及骨缺损后填充符合生物力学特征置入物对肱骨功能恢复具有重要影响的观念逐步获得共识[13,14]。手术治疗肱骨干骨折及骨缺损对肱骨干功能恢复具有良好效果[15]。但传统均质材料3D打印出的内置物和人体生理状态下骨骼硬度、弹性模量不同，因此骨-置入物接触界面易出现应力分布不均，导致内置物的松动及接触界面的宏观骨质破坏。故3D打印置入材料应考虑植入部位骨骼本身的生物力学性能，硬度和弹性模量与生理骨骼近似的内置物可能好地适应骨骼应力传导特性。本研究硬度分布规律数据可指导该类置入物的设计与制备。此外，骨硬度分布数据对模拟生理状态下骨骼生物力学性能的骨骼建模及有限元分析亦提供了良好的数据支持。
因新鲜尸源稀缺，故不能开展针对特定人群骨硬度标准值的研究。本研究通过3具新鲜中老年尸体标本进行了该人群自身肱骨干骨硬度分布固有规律的分析探讨。该结果为分析肱骨干骨折的原因提供了新思路，并可以指导设计适应生理状态下骨骼应力传导特性的层面3D打印仿生内置入物。将骨硬度与肱骨建模及有限元分析结合研究，是下一步的研究内容。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
