骨头是生的硬还是熟的硬?

骨头是生的硬还是熟的硬?

孙悦礼,临床 | 科研 | 运动|科普

这篇回答可能完全违反了你的直觉。作为骨科医生,尽管我每天都在和骨头打交道,但这次的实验结果却和我的预期……

完!全!相!反!

无意中看到这个问题,好像一下子也难以给出明确的答案,理论再多不如实证,正巧学生取材了一批大鼠,就留了一些大鼠大腿骨下来。

是的,为了回答这个问题,

我煮了一份“大鼠筒骨骨头汤”,

相信当你看完这篇实验报告,可能会比任何时候都了解骨头。

那就进入正题,多图预警!


在实验之前,先要明确一下“硬”的定义。

硬度,物理学专业术语,材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力,是比较各种材料软硬的指标。

这是狭义的“硬”,这种参数集中于表面,和材料性质基本是绑定的,比如木头、钢铁、钻石,都有各自的表面硬度。

而另一种广义的“硬”,我觉得用刚性来描述比较恰当。

刚性,是指两个物体相碰撞不会发生变形,因此两个刚体就不会占据同一个空间,微粒、原子就是这样的物质。

木头被加工成木板和木桩,让它们断裂的受力是不一样的,这就是刚性在其中所反映的特性。

生骨头和熟骨头哪个更硬?

在这次的实验中,我采用“刚性”测试来比较,其实也是受限于没有足够敏感的硬度测试仪。

生骨头和熟骨头哪个硬?

为了保证可比性,我把正值壮年的健康大鼠的左右腿配对,一条水里煮熟,另一条保持湿润新鲜

通过观察,熟骨头冒着香气,颜色发灰变暗,手感比较“韧”;生骨头还很新鲜,颜色呈淡粉色,还能看到表面细微的小血管,手感比较轮廓分明。

第一步:表面划痕“硬度测试”

我用镊子在骨头表面划压,熟骨头上可以看到淡淡的划痕,生骨头上没啥印记。

起初我还以为熟骨头不如生骨头硬,一划拉就出印迹了,我把老鼠骨头炖烂炖酥了。

可用镊子继续刮拭之后,发现熟骨头上的压痕逐渐消失,一坨胶体物质被我从骨头上挂下来了。

我才意识到,高温炖煮,让骨头表面的骨膜变软了,骨膜是覆盖骨头表面富含蛋白质的滋养层。

覆盖在骨头表面有一层半透明的骨膜

硬度测试没有看出差别。

第二步:三点弯折动态疲劳测试

一般成年大鼠骨头最大承重能力约为 60N,我就用 20%-40%之间的压力,对骨头施压并放开,2 秒钟一次循环,1 分钟完成 30 次循环。

继续用到 TA Electroforce

动态疲劳测试的同时会画出滞回曲线。

这个椭圆就是循环加载下骨头的受力 - 变形曲线。

滞回曲线示意图

如果循环次数足够多,每次椭圆形状会发生细微的差别,椭圆变得更“瘦”(耗散能减少),说明材料正在“疲劳”。

这次试验没有做到上万次的材料疲劳。

只是用这样的测试,来比较生骨头和熟骨头的「耗散能」(滞回曲线面积)和「刚性」(长轴斜率)。

按照公式:

长轴斜率

k=

滞回曲线面积

S=

从斜率来看,熟骨头是 0.009,生骨头是 0.02。

在同样的受力下,生骨头的形变更大。熟骨头不太会被外力改变形状。

那不就表示熟骨头更“硬”吗?

具体原因还得看「耗散能」,上面的两个不同的滞回曲线,很明显可以看到,熟骨头的耗散能更大,也就是说骨头炖熟之后变得反应慢了。

受力引发形变,撤掉力恢复形变,熟骨头都比生骨头慢半拍,这也反映在椭圆的面积上。一般而言,这种反应变慢的特性更加不容易断。

冷知识:动物年龄越大,骨质疏松不可避免,骨头的椭圆曲线会越小,骨头受力后的缓冲能力会衰减,在突然的冲撞暴力下,更容易骨折——

上图这种暴力的实验就是「压断实验」,机器以固定的速度(0.01mm/s)很慢很慢的往下压骨头,直到骨头断裂,实验结束。

压下去的同时,传感器会把骨头的受力反馈在电脑里。就可以得到一整段曲线,详细地描述骨头受压时候的“挣扎”

绿框里的线就表示骨头受压到断裂的整个过程,从右上一直到左下。

生骨头受压时几乎是一根直线,熟骨头受压时是一段弧线。

直线表示线性形变,内部结构比较简单,给一分钱干一分活,没钱给了,就罢工了。

弧线是非线性形变,内部结构已经不是常规的弹性介质,对于外界的压力会变得迟钝,不容易马上给到反馈。

生骨头受到 61N 就断了,但是熟骨头因为反应慢,等到外力达到 67N 时,才反应过来——

于是,也应声而断。

从断端也可以看到,熟骨头有明显的藕断丝连,这也是造成受压断裂“反应更慢”的主要原因。

初步测试下来得到结论,生骨头相对比较脆,熟骨头相对比较韧。在同样的受力下,生骨头会先断。

第三步:高精度 CT 扫描

CT 的原理就是用 X 射线把身体结构“切成”一层一层,结合计算机计算重建,可以更精准的定量。

和传统 CT 扫描相比,microCT 扫描可以做到每一层更薄,因此精度和分辨率也能更高,适合用于实验动物的骨头。

放射线可以穿透软组织,但不能穿透矿物质。所以可以进一步定量生骨头和熟骨头的骨矿盐(钙、磷)含量。

左:生骨头;右:熟骨头

结果显示,把骨头煮熟并不会让骨头里的钙流失,熟骨头和生骨头的含钙量没啥显著差别。

分析可能的原因,骨头其实是一个蛋白质纤维构成的网络,钙和磷附着在支架上,让它同时保持足够的刚性和韧性。

水煮之后,大量的水分涌入骨骼中的空隙,蛋白质结构受热卷曲缠绕变得更粘,钙质并不那么流失,进水里,所以水煮的熟骨头会变的更粘更不容易断。

冷知识:水煮骨头,钙质不容易进入水里,骨头汤不补钙

如果把骨头放在油锅里炸,烤箱里烤,大量的水分从蛋白质里析出,即使变性卷曲,却失去了粘性。骨头就会变的更酥脆。

所以,硬度方面:水煮的熟骨头>生骨头>油炸火烤的熟骨头