孙悦礼，临床 | 科研 | 运动｜科普 阅读原文 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 阅读原文
