探讨人体跖骨显微硬度的分布特征。
选取年龄>40岁(性别不限)、既往身体健康、无慢性病史的新鲜冰冻成人尸体3具，来源于河北医科大学解剖学教研室，取出全部右足，剔除软组织。用高精慢速锯于第1～5跖骨基底、跖骨干、跖骨头3个节段，垂直于其长轴进行切割，将骨骼制成若干厚3 mm的试样，并用砂纸打磨。应用维氏方法测量标本跖、背、内、外侧不同区域的硬度值，在跖骨头和跖骨基底标本测量松质骨的硬度值，在跖骨干标本测量皮质骨的硬度值。采用50 g力加载50 s、维持12 s标准操作方法测定，同一区域选取5个有效值，全体有效值的平均值作为该部位的硬度值。
选取45个骨骼区域，共制备45个骨组织试样，测量900个位点。跖骨硬度分布规律基本保持一致，跖骨硬度为(36.35±7.43) HV，其中第三跖骨硬度最大为(38.95±9.01)HV；跖骨干硬度高于跖骨头和跖骨基底，分别为(40.95±6.65)、(34.86±6.68)、(33.25±6.64)HV，差异有统计学意义(F＝111.831, P<0.01)，而跖骨跖侧、背侧、内侧、外侧的硬度分别为(36.11±7.05)、(36.32±7.49)、(36.69±7.79)、(36.28±7.42)HV，差异无统计学意义(F＝0.246, P>0.05)。
本研究首次报道了人体跖骨显微维氏硬度的分布特征；了解不同部位间的骨显微硬度差异，可帮助骨科医师在该部位骨折内固定手术中，正确选择钢板放置的位置，置钉的密度和方向等，从而获得更加合理的固定效果。本研究结果还可为未来设计硬度和弹性模量与人体生理特点更加接近的接骨板、螺钉、人工骨等奠定了理论基础和数据支持。
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临床上常通过评估患者骨强度来评估骨折手术固定的预期效果，骨强度越高，螺钉把持力就越大，手术固定越牢固。骨强度主要由骨密度和骨质量两方面决定[1]。临床上，常用骨密度测量骨量来预测骨折风险[2]，并通过生物力学实验评价骨质量，但存在以下问题：骨密度只能测量某些特定部位的骨量，其敏感性及特异性一般[2,3]；生物力学实验只能用于整段骨骼或关节整体力学性能的测定，不能用于某一节段或体积较小骨骼[4,5]。骨显微硬度可在组织水平直接测量骨骼的矿化程度、组织构成及微观机械性能等，且可广泛应用于全身骨骼，为骨质量的评估提供了新的方法[6,7,8,9,10,11]。本课题组在人体骨骼硬度系统研究[12,13]框架内开展跖骨硬度研究，本文将重点报道人体跖骨的骨硬度分布特征，并在此基础上探究跖骨骨硬度与应力、骨折流行病学特征等的关系。
纳入标准：(1)新鲜冰冻且右足完整的成人尸体标本；(2)年龄>40岁，性别不限；(3)既往身体健康，无慢性病史；(4)遗体捐献者生前授权或家属知情同意，并签署知情同意书。排除标准：(1)腐败或防腐处理过的尸体；(2)代谢性骨病病史；(3)影响骨代谢的药物使用史；(4)既往足部骨折或手术史；(5)骨质疏松；(6)原发性骨肿瘤或肿瘤骨转移；(7)足部先天性畸形；(8)严重的肝肾疾病。
纳入3例标本，均来源于河北医科大学解剖学教研室，分别是62岁男性、58岁男性和45岁女性。实验前标本均置于－20 ℃冰柜保存。
根据既往文献结论，双侧肢体骨硬度近似[8]，因此，本研究中均采用右侧跖骨标本为具体研究对象。如图1所示，剔除软组织后，按照AO原则将跖骨分为跖骨基底、跖骨干、跖骨头3个节段，并用BUEHLER11-1280-250型慢速锯(美国标乐公司)于跖骨的3个节段垂直其长轴进行切割，将骨骼制成若干厚3 mm的试样，固定在载玻片上并进行标记。用碳化硅分别为800、1 000、1 200、2 000、4 000目的砂纸依次打磨标本。
应用德国KB Prüftechnik公司生产的KB-5型维氏硬度仪测试标本跖、背、内、外侧不同区域的硬度值，在跖骨头和跖骨基底标本测量松质骨的硬度值，在跖骨干标本测量皮质骨的硬度值。同一区域选取5个有效值，全体有效值的平均值作为该部位的硬度值，维氏硬度值单位为HV。本系列研究的显微硬度测量方法相同，详见文献[14]。见图2。
分析标本第1～5跖骨基底、跖骨干和跖骨头不同部位，以及同一部位中的跖侧、背侧、内侧、外侧的维氏硬度分布特征，并进行比较。
应用SPSS 15.0统计学软件对数据进行处理。计量资料服从正态分布采用
±s表示，组间硬度值的比较采用单因素方差分析，多重比较中方差齐的组间采用Tukey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。
在三具尸体右足标本上，共制备第一至第五跖骨基底、跖骨干和跖骨头标本骨组织节段45个，测量每个节段跖、背、内、外侧四个部位，每个部位测5个位点，共计测量900个位点。第一至第五跖骨基底、跖骨干和跖骨头的跖、背、内、外侧不同部位的显微维氏硬度值比较结果显示：第三跖骨总体硬度高于其他跖骨(P值均<0.01)；跖骨干硬度高于跖骨头和跖骨基底(P值均<0.01)；而跖骨跖、背、内、外侧硬度则无明显差异(P值均>0.05)；表现出硬度分布规律的一致性。见表1、表2。
3具成人尸体右足跖骨标本的不同部位及不同跖骨间显微维氏硬度的比较(HV, 
±s)
3具成人尸体右足跖骨标本的不同部位及不同跖骨间显微维氏硬度的比较(HV, ±s)
| 解剖结构 | 测量位点 | 第一跖骨 | 第二跖骨 | 第三跖骨 | 第四跖骨 | 第五跖骨 | 总体 | F值b | P值 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 跖骨头 | 60 | 34.49±6.57 | 36.61±6.13 | 34.85±8.04 | 34.09±6.2 | 34.26±6.15 | 34.86±6.68 | 1.406 | >0.05 |
| 跖骨干 | 60 | 38.15±5.27 | 40.60±6.05 | 45.69±7.53 | 39.24±5.68 | 41.08±6.07 | 40.95±6.65 | 13.157 | <0.01 |
| 跖骨基底 | 60 | 31.25±5.70 | 32.99±6.54 | 36.32±7.40 | 33.05±6.69 | 32.64±5.89 | 33.25±6.64 | 4.977 | <0.01 |
| 总体 | 180 | 34.63±6.49 | 36.73±6.95 | 38.95±9.01 | 35.46±6.74 | 35.99±7.03 | 36.35±7.43 | 9.127 | <0.01 |
| F值a | 20.781 | 22.329 | 35.352 | 17.128 | 33.020 | 111.831 | |||
| P值 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 |
注：a为跖骨头、干和基底部的比较；b为第一至第五跖骨比较
3具成人尸体右足跖骨标本的不同部位及跖骨跖、背、内、外侧间显微维氏硬度的比较(HV, 
±s)
3具成人尸体右足跖骨标本的不同部位及跖骨跖、背、内、外侧间显微维氏硬度的比较(HV, ±s)
| 解剖结构 | 测量位点 | 跖侧 | 背侧 | 内侧 | 外侧 | 总体 | F值b | P值 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 跖骨头 | 75 | 33.88±6.58 | 35.28±6.67 | 35.47±5.90 | 34.79±7.48 | 34.86±6.68 | 0.850 | >0.05 |
| 跖骨干 | 75 | 40.86±6.86 | 40.19±6.26 | 42.39±6.75 | 40.36±6.63 | 40.95±6.65 | 1.705 | >0.05 |
| 跖骨基底 | 75 | 34.22±6.93 | 32.85±6.18 | 32.22±6.98 | 33.69±6.40 | 33.25±6.64 | 1.345 | >0.05 |
| 总体 | 225 | 36.11±7.05 | 36.32±7.49 | 36.69±7.79 | 36.28±7.42 | 36.35±7.43 | 0.246 | >0.05 |
| F值a | 25.189 | 25.794 | 47.062 | 20.434 | 111.831 | |||
| P值 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 |
注：a为跖骨头、干和基底部的比较；b跖侧、背侧、内侧、外侧间的比较
骨显微硬度测量是评价人体骨强度和骨质量的最直观的方法之一，可在组织水平精确测量全身骨骼的机械性能。本研究首次应用显微维氏硬度方法对人体跖骨硬度的分布特征进行观察。随着人体生长发育、疾病转归等因素影响，骨组织的生物力学环境一直发生着变化，骨骼形态与质量也同时发生着顺应性改变[15,16]。然而，笔者分析发现，骨硬度在不同健康个体中的分布规律基本保持一致。本研究结果显示，跖骨硬度最强的区域为跖骨干，其次是跖骨头、跖骨基底；第1～5跖骨中，第三跖骨硬度最大，其次为第二跖骨，均显著高于其他跖骨。Cheung等[17]采用三维有限元分析的方法研究了人体跖骨在站立位的应力分布，结果显示第二、三跖骨是应力最为集中的区域。既往文献报道跖骨应力性骨折也最常见于第二、三跖骨[18]，由于主要是跖骨局部应力增加会导致矿物质的沉积增多，从而导致骨显微硬度更高。骨骼的结构和功能在很大程度上依赖于其所处的力学环境，早在19世纪Juliuswolff就提出骨骼所受应力可影响骨的形状与结构，促使骨骼塑形，大量的实验研究也证明了这一点[15]。反之，宇航失重环境会导致骨生成、矿物质含量和骨基质蛋白合成的减少[16]。
跖骨属短管状骨，形态和力学特性均与长骨相似。既往研究显示，长骨骨干的硬度显著高于两端干骺端的硬度[12]。本研究结果显示，跖骨也表现出了相同的特征，跖骨干的维氏硬度明显高于跖骨头和跖骨基底。由于跖骨干主要为皮质骨，由紧密排列的骨单位构成(哈佛系统)，矿化程度高；而跖骨头和跖骨基底是松质骨，其分布于长骨干骺端的内部，由互相交织的骨小梁排列而成，因此，松质骨的微观骨硬度即为骨小梁的硬度。研究显示，皮质骨的骨硬度比松质骨硬度高10%～20%[12,13,19]。皮质骨的矿化程度明显高于松质骨。
人在站立位时，第一和第五跖骨头区域直接与地面接触，是支撑体重的两个主要组成部分。然而本研究中这两个区域并没有预想的那样硬度很高，这应视为身体的保护机制，相对柔韧的组织结构更适合于生理活动。如果过度矿化，硬度太高，脆性加大，则骨折风险亦增大[20]。
流行病学研究显示：跖骨骨折中，跖骨近端骨折占跖骨骨折的73.35%，远远大于跖骨干和跖骨头；而其中跖骨基底关节内骨折占50%，排除骨折时跖骨的位置和应力传导等损伤机制因素外，跖骨基底硬度低也应视为此处骨折高发的因素之一[21]。
本研究首次报道人体跖骨骨骼显微硬度的分布特征和跖骨不同区域、不同部位间的骨硬度的差异，其结果可指导骨科医师在此类骨折内固定手术中，合理选择钢板螺钉放置的位置，置钉的密度和数量、置钉方向等。钢板的选择和放置位置应考虑跖骨局部骨硬度的差异，螺钉应尽量放置于硬度高的区域，这样较少的螺钉即可获得坚强固定，同时最大限度保护局部血供；必须在硬度低的区域置钉时，宜选用螺纹大的粗螺钉双皮质固定，螺钉数量可适当增加，螺钉过少或方向不合理都可导致内固定强度不够甚至失败。因此，骨科医师应充分认识到人体骨骼硬度的分布特点，科学合理的选择内固定物及螺钉数量、位置、方向等，取得更加满意的疗效。本研究结果还可应用于人工骨材料的生产和3D打印骨科内植物的制备。目前，临床上应用广泛的人工骨及3D打印的内植物全部为均质材料[22,23]，并不符合人体骨骼硬度梯度分布的生理特点；因此，本研究结果为未来制作符合人体跖骨梯度硬度及弹性模量的接骨板、螺钉、仿生骨、人工骨等骨科内植物奠定了理论基础，并提供有价值的数据支持。本研究旨在探讨跖骨显微硬度分布的固有规律，而非骨硬度的标准值；同时，本研究仅局限于探讨健康中老年的骨硬度分布趋势，未针对儿童、青年或疾病状态下的人群的骨硬度进行研究。
