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为探究皮质骨取向相关力学性能及骨折传播行为，研究人员结合多种技术，对牛皮质骨展开研究。发现板层平面取向影响骨折路径和应变分布，该成果对骨植入物设计及骨折风险评估意义重大。
在人体骨骼的微观世界里，皮质骨有着精妙的结构，其从亚毫米到纳米级别的分层结构，对骨骼的机械强度和抗骨折能力起着关键作用。板层（lamellae）作为皮质骨的基本构建单元，在不同类型的骨骼中排列方式不同。在骨单位骨（osteonal bone）里，它围绕中央的哈弗斯管（Haversian canal）呈同心圆排列形成骨单位；在丛状骨（plexiform bone）中，则是类似砖墙的排列模式。每一层板层都由平行的胶原纤维束和无机矿物质（主要是羟基磷灰石）组成 。骨单位骨是成年人类皮质骨的主要结构，一般与骨的长轴平行排列，有助于骨骼抵抗机械应力和骨折；丛状骨常见于快速生长的幼年哺乳动物，能支持早期骨骼快速沉积并维持结构完整性。
然而，尽管科研人员一直致力于探索骨骼的奥秘，但目前仍存在诸多尚未完全解决的问题。在研究皮质骨时，虽然已经有多种机械测试方法用于表征不同长度尺度下骨骼的力学性能，但在一项研究中同时结合弯曲状态下皮质骨的原位（in situ）裂纹扩展、裂纹区域应变分布以及板层尺度分层结构的力学特性研究却很少。了解板层尺度微观结构与皮质骨骨折传播之间的关系，对于改进骨植入物设计、临床骨折风险评估以及合成骨材料的开发都至关重要，这促使研究人员开展了新的探索。
来自德克萨斯 A&M 大学（Texas A&M University）的研究人员针对这些问题展开了深入研究。他们通过结合机械测试、显微计算机断层扫描（micro - CT）、数字体积相关（DVC）和原子力显微镜（AFM）等技术，对牛皮质骨的区域和取向相关力学性能，以及潜在微观结构对裂纹扩展的影响进行了全面探究。研究发现，板层平面（lamellar plane）相对于加载平面的取向在决定裂纹路径和局部应变分布方面起着关键作用。这一研究成果发表在《Extreme Mechanics Letters》上，为深入理解皮质骨的抗骨折机制提供了新视角，对骨植入物的设计和临床骨折风险评估具有重要意义。
研究人员开展研究时用到的主要关键技术方法如下：首先是样本制备，从 18 个月大的牛股骨获取样本，经处理后用于后续实验；接着采用三点弯曲试验，对不同区域、不同板层平面取向的样本进行力学测试；利用 micro - CT 可视化裂纹扩展；通过 DVC 测量裂纹扩展过程中的变形和应变；借助 AFM 在流体环境下对裂纹横截面进行纳米力学测试。
在研究结果方面：
- 样本制备：从 18 个月大的牛股骨获取样本，将股骨中段中央三分之一部分用于制备弯曲试验样本，并进一步将每个皮质骨圆柱体分为前、后、内、外四个区域。
- 区域和取向变化对皮质骨机械强度的影响：对不同区域、不同板层平面取向（0°、45°、90°）的样本进行三点弯曲试验，观察到不同区域和取向的样本在力学性能上存在差异。
- 裂纹扩展行为：通过原位三点弯曲试验结合 micro - CT，发现骨单位平行和垂直于弯曲载荷时，裂纹扩展行为明显不同。在亚毫米尺度下，利用 DVC 捕捉到的三维位移和应变，详细展示了裂纹扩展过程中的内部变形模式。
- 纳米力学特性：在裂纹横截面进行 AFM 纳米力学映射，揭示了分层板层结构内的力学性能异质性。从正交裂纹横截面获得的微米级测量结果，有助于解释弯曲试验中观察到的不同裂纹扩展机制。
在研究结论和讨论部分，研究人员强调了板层平面取向和分层微观结构在影响皮质骨抗骨折能力方面的关键作用。观察到的裂纹偏转和扩展模式，尤其是与形成骨单位的板层平面取向相关的模式，突出了这些结构元素在骨骼机械强度中的重要性。不过，研究也存在一定局限性，本次研究基于 18 个月大牛股骨皮质骨样本，而骨微观结构会因同一骨骼不同横截面、年龄等因素变化，所以研究结果可能与其他部位、其他长骨或不同年龄动物的结果有所差异。但总体而言，该研究通过原位机械测试结合成像和 DVC 分析，多尺度揭示了皮质骨分层结构的抗骨折功能，填补了宏观机械强度与微观骨折行为之间的研究空白，为骨植入物设计、临床骨折风险评估以及合成骨材料开发提供了重要依据 。
