Sawbones® “absolute™”人工骨的性能与应用
引言
在骨科医学和生物力学研究中，实验模型的选择至关重要。传统上，人体尸体骨（cadaver bone）常被用于教学和机械实验。然而，尸体骨存在供应不足、个体差异大、保存条件苛刻以及伦理问题等限制，严重制约了实验的可重复性与数据的普适性。为解决这一问题，Pacific Research Laboratories 开发了 Sawbones® 系列人工骨，其中的 “absolute™”产品线，因其更接近真实人骨的结构与力学性能，近年来逐渐成为研究与教学的理想替代品。
材料构成与设计原理
“absolute™” 人工骨通过复合材料的设计，精确模拟人体皮质骨与松质骨的力学特征。其核心设计要点包括：
- 环氧树脂皮质层（epoxy cortical shell）
外层采用短纤维增强环氧树脂，硬度与强度接近真实皮质骨，为模型提供足够的弯曲、扭转和抗剪切能力。 - 聚氨酯泡沫内核（polyurethane foam core）
内部使用不同密度的聚氨酯泡沫，以模拟松质骨结构。例如 10 PCF（磅/立方英尺）的实心泡沫可用于模拟骨质疏松状态，而 17 PCF 则接近正常骨密度。 - 区域性结构差异
模型根据不同解剖部位（如股骨近端、腰椎 L3 等）设计皮质层厚度和髓腔大小，从而在宏观和微观力学表现上更贴近真实人骨。 - 颜色与标识
外层通常采用蓝色环氧层，以便在实验过程中区分皮质层与松质层，提高操作可视性。
这种材料与结构的结合，使“absolute™” 系列人工骨能够在力学行为上高度还原真实人骨。
力学性能与验证研究
大量实验表明，“absolute™” 人工骨与真实骨骼在主要力学指标上表现一致：
- 轴向压缩与弯曲刚度：股骨和肱骨的模拟件在承受压缩和弯曲载荷时，其刚度与真实骨骼差异不显著。
- 扭转性能：人工骨在扭转试验中的表现与尸体骨接近，能够真实模拟骨折及固定器械在旋转应力下的力学反应。
- 螺钉拔出实验：皮质骨区域的螺钉固定强度略高于尸体骨，但整体趋势一致，这意味着其在内固定研究中具有良好的代表性。
此外，与尸体骨相比，人工骨具有 高度一致性与可重复性。不同批次、不同样品之间的力学差异远小于真实骨，从而提升了实验的可靠性。这一优势尤其适合用于对比性研究和植入物评估。
典型产品与参数
目前，“absolute™” 系列涵盖多种解剖部位的模型：
- 股骨（Femur absolute™ Osteo）：采用环氧皮质层和 10 PCF 实心泡沫内核，部分型号设有 18 mm 髓腔，以模拟骨质疏松髋部骨折研究。
- 肱骨（Humerus absolute™ Osteo）：同样以低密度泡沫和皮质层复合而成，适合研究肩肘部固定装置和螺钉稳定性。
- 腰椎 L3（Lumbar vertebra L3 absolute™）：设计为实心泡沫核，结合皮质外层，常用于脊柱固定和椎体置换实验。
这些产品均在美国制造，确保质量一致性和供应稳定性。
应用领域
- 医学教育
在骨科住院医师培训和外科技能课程中，“absolute™” 骨广泛应用于模拟手术，包括切开复位、螺钉插入、钢板固定和关节置换等操作。由于其力学特性接近真实骨，学习者能获得类似临床的反馈体验。 - 生物力学研究
人工骨可用于各种力学测试，如疲劳试验、螺钉固定力评估、钢板强度验证等。其重复性优于尸体骨，能为医械研发提供更可靠的数据支撑。 - 植入物开发与验证
医疗器械公司利用“absolute™” 骨进行新型螺钉、髓内钉和椎体置换系统的研发与测试。由于其仿真度高，能在产品上市前进行充分的机械学评估。
优势与局限
优势：
- 高度仿真，力学性能与真实骨相符
- 样本间一致性强，实验重复性佳
- 无需冷藏保存，易于运输与长期储存
- 规避伦理问题，操作更便捷
局限：
- 仍难以完全模拟骨骼的生物学特性（如血供、愈合过程）
- 部分实验（如长期疲劳与骨重建研究）仍需借助动物或尸体骨
- 螺钉拔出强度略高于真实骨，可能影响部分实验的绝对数据
结论与展望
Sawbones® “absolute™” 系列人工骨为骨科教育和研究提供了高质量、标准化的实验模型。其在结构与力学上的高度仿真，使其成为尸体骨的重要替代品，并在医学教育、医械开发和生物力学验证中展现出巨大应用价值。
未来，随着材料科学和制造工艺的发展，结合 3D 打印与可变密度复合材料技术，人工骨有望进一步提升仿真度，甚至实现个体化定制。这将为精准医学与个性化医疗器械的研发提供更加坚实的实验平台。