模拟生理受力状态下大段牛股骨力电效应的实验研究

摘要

骨组织在受到应力作用变形后在骨内产生电位的现象(SGP)称为骨的力电效应，其研究始于20世纪50年代。目前认为：骨内应力产生的电位能够促进骨的重建，这在临床医疗方面尤其是对骨折、骨缺损的预防和治疗等方面都具有重要意义，所以众多学者从理论和实验上对骨的力电效应进行了广泛的研究。
　　 本文采用INSTRON(8847)试验机，对密致的大段牛股骨进行加载测试其压电效应。准确来说是对整体骨结构试件进行动载荷试验，生命状态的骨大都作为一个整体来承受外部动载荷的，如行走、跑步、跳跃等等。所以测试整体骨结构(包括皮质骨、密质骨、松质骨)的力电效应更具有实际参考价值。本文初步得到以下结论：
　　 (1)当牛股骨给以人正常行走和跑步状态下的载荷和频率时，它都会产生压电效应，跑步产生的压电电位较行走的大。步态时的电压幅值范围为：0.1～15mv，跑步为：0.4～26 mv。据此说明人在行走或跑步时也会产生压电信号，并且跑步时的电位较行走时大。
　　 (2)人股骨在行走和跑步过程中产生的电压随频率和载荷的增大而增大。此外电压幅值与加载循环数有关，电压幅值随循环数的增加而增大。
　　 (3)牛股骨试件按人行走和跑步时的载荷和频率加载时，产生的电压有明显的滞后现象。步态时的滞后时间大约为223ms，跑步为182ms。行走时的滞后时间长于跑步状态，但其衰减时间却短于跑步状态，且滞后时间与衰减时间都随频率的增大而减小。
　　 (4)人股骨在行走和跑步过程中会产生两个压电电位峰值，一个是脚后跟着地时(加载)所形成的负峰值，另一个是前脚掌离地时(卸载)所形成的正峰值，而且后一个峰值大于前一个峰值(绝对值)。
　　 (5)骨在受拉伸和压缩时压电特性不相同，在相同的应变率或应力梯度下受拉伸时产生的压电电位大于受压缩时的值。在压应力动载荷作用下，卸载相当于施加拉应力，因此产生的电荷多于加载(压缩)，从而使卸载段的电位峰值(绝对值)高于加载段的电位峰值。同理在拉应力动载荷作用下，加载可以看成拉伸，卸载时相当于加压应力，所以加载时产生的电荷多于卸载时的电荷，结果使加载段的电位峰值(绝对值)高于卸载段的电位峰值。
　　 本文研究工作为SGP的研究提供了新的研究途径和方案，丰富了SGP的研究内容。并且为骨组织工程学和增高仪的研制提供了参考依据。