生物力学实验科普

生物力学实验科普：原理、过程与应用

一、什么是生物力学实验

生物力学（Biomechanics）是研究生物体，尤其是人体在受力状态下运动规律与力学特性的学科。通过建立实验模型，研究骨骼、关节、肌肉以及相关组织在不同应力环境下的表现，生物力学实验能够为医疗器械设计、骨科临床治疗和运动科学提供基础支持 [1]。

在医学研究中，直接使用人体骨骼进行实验存在伦理、保存和个体差异等问题。因此，科研人员通常使用人工骨模型（如 Sawbones 模型）来代替真实骨骼。这类材料不仅能够复现骨骼的力学特性，而且成本较低，重复性强 [2]。

二、生物力学实验的目的

生物力学实验的目的主要包括以下几个方面：

  1. 验证医疗器械设计
    例如髋关节假体、脊柱内固定系统在植入后是否能提供足够的稳定性。通过在模拟骨骼上的实验，可以预测器械在临床中的表现 [3]。
  2. 评估骨折固定方法
    不同的固定方式（如钢板、螺钉、髓内钉、外固定架）在力学上有不同表现。实验帮助医生选择最优方案，提高治疗效果。
  3. 理解运动与损伤机制
    运动医学和康复领域需要了解关节在不同动作下的受力情况，以预防运动损伤并指导康复训练。
  4. 教学与培训
    医学院和手术培训中心广泛使用 Sawbones 模型进行教学和手术演练，让学员在接近真实的条件下进行操作 [2]。

三、生物力学实验的一般过程

一个完整的生物力学实验通常包括以下步骤：

  1. 准备实验模型
    实验可使用尸体骨或人工骨。由于伦理和差异性问题，人工骨模型（如 Sawbones）被广泛应用 [1]。
  2. 固定与装夹
    利用金属夹具或环氧树脂固定骨样本，确保在加载过程中不发生额外位移。
  3. 加载实验
    通过力学测试机（如 Instron、MTS 系统），施加轴向压缩、扭转、弯曲或剪切等载荷，模拟实际受力情况。
  4. 数据采集与分析
    通过传感器记录力和位移，计算刚度、强度和能量吸收等指标。这些结果直接反映骨骼或植入物的力学性能。

四、常用工具与设备

  1. 力学测试系统：如 MTS Bionix 或 Instron，用于施加载荷和记录反应。
  2. 应变计与位移传感器：用于测量骨表面变形和位移情况。
  3. 三维运动捕捉系统：记录实验过程中骨段或关节的动态运动。
  4. 人工骨模型（Sawbones）：具有标准化结构和重复性，广泛用于实验 [2][3]。

五、应用领域与案例

1. 医疗器械研发

Hou 等人（2024）的研究利用 Sawbones 模型，比较了新型三角固定干（TFS）股骨假体与传统假体的稳定性。结果显示，TFS 在轴向压缩与扭转下表现更优 [4]。

2. 骨折固定方法比较

Oh 等人（2005）在 Sawbones 和尸体骨上进行实验，发现外固定结合髓内钉比单纯外固定器具有更高的轴向刚度 [3]。这类实验为临床骨折治疗提供了依据。

3. 教学与模拟训练

Hausmann（2006）的综述指出，Sawbones 在骨科教学与力学研究中有重要作用，其低成本和标准化优势使其成为训练和实验的理想材料 [2]。

六、总结

生物力学实验在现代医学和工程学中扮演着重要角色。从研究骨骼受力规律，到验证新型医疗器械，再到教学和临床指导，生物力学实验都有着广泛的应用。人工骨模型如 Sawbones 的使用，极大推动了该领域的发展，使研究更加高效、规范和可重复 [1][2][4]。

参考文献

[1] Zdero, R., Brzozowski, P., & Schemitsch, E. H. (2023). Biomechanical properties of artificial bones made by Sawbones: A review. Medical Engineering & Physics, 117, 103044. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2023.103044

[2] Hausmann, J.-T. (2006). Sawbones in biomechanical settings – a review. Osteosynthesis and Trauma Care, 14(4), 259–264. https://doi.org/10.1055/s-2006-942333

[3] Oh, C. W., Kim, J. W., Park, K. H., Min, W. K., & Park, B. C. (2005). A biomechanical advantage of the lengthening with an external fixator over an intramedullary nail: An experimental study in saw bones and cadaveric bones. Journal of the Korean Fracture Society, 18(2), 109–115. https://doi.org/10.12671/jkfs.2005.18.2.109

[4] Hou, Z., Zhao, C., Guo, J., et al. (2024). The primary stability of ultrashort residual proximal femur fixed with triangular fixation stem prosthesis: A comparative biomechanical study based on sawbones models. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 12, 1493738. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1493738