應力性骨折動物模型構(gòu)建新裝置的研制及骨骼微損傷時空分布特性的研究.pdf

1、應力性骨折（Stress fracture，SF）是一種疲勞性骨折，由于過度使用之后的疲勞肌肉無法及時吸收反復碰撞所產(chǎn)生的震動，而使應力直接傳導至骨骼，造成微損傷。如果這種微損傷不斷積累,超過骨骼自身修復的能力,就會發(fā)生應力性骨折。應力性骨折常發(fā)生于部隊官兵、運動員和舞蹈演員等群體，嚴重影響部隊官兵身體健康，削弱了部隊戰(zhàn)斗力，縮短了運動員的運動壽命，逐漸成為軍事醫(yī)學和運動醫(yī)學重點研究的內(nèi)容之一。
　　目前，國內(nèi)外應對應力性骨折多為

2、骨折后采取的措施，主要有石膏固定、手術治療、長時間臥床休息等。應對應力性骨折，預防的意義遠大于治療。而研究預防措施的關鍵就是建立一種可靠科學的應力性骨折動物模型。國內(nèi)常見的應力性骨折建模方法為電刺激跳跑法和跑臺訓練法，但無法精確控制載荷大小，建模周期長、陽性率低，且動物易出現(xiàn)耐受性，死亡率較高。三點彎曲和四點彎曲加載法雖然能夠保證施加載荷的精確性和一致性，損傷部位明確，但由于是采用橫向加載的方式，無法模擬真實的運動狀態(tài)。目前國際上最常見

3、的建模方法為軸向周期性應力加載法，包括拉伸法和壓縮法，二者都能精確控制載荷的大小，實時監(jiān)測應變變化，而壓縮法更加接近真實的運動狀態(tài)。
　　因此，本研究基于軸向循環(huán)壓縮加載法，設計了一種應力性骨折動物模型構(gòu)建新裝置，該裝置能夠保證施加強度可控、時間可控、模式一致的周期性閉環(huán)反饋載荷，精確、實時地檢測骨骼承受的壓力和骨位移，且最大限度地接近真實應力性骨折發(fā)生的情況，適用于實驗動物麻醉和無麻醉兩種情況，能夠建立大鼠尺骨和脛骨兩種應力性骨

4、折動物模型，為應力性骨折預防和預警措施的研究提供了堅實的模型平臺保障。基于該裝置，我們發(fā)現(xiàn)了微損傷累積具有顯著的時間和空間分布特性，疲勞加載完成后一周內(nèi)，線性微損傷呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，且主要累積于承受拉伸應變的骨皮質(zhì)。整個課題主要分為以下兩個部分：
　　第一部分應力性骨折動物模型構(gòu)建新裝置的研制
　　方法：該應力性骨折動物模型構(gòu)建新裝置包括應力加載裝置、線性促動器控制模塊以及數(shù)據(jù)實時采集與處理模塊。應力加載裝置主要由

5、線性促動器、線性導軌、組織固定模塊（包括動夾頭和定夾頭）、力傳感器和位移傳感器組成。將大鼠尺骨或脛骨固定于不同形狀的組織固定模塊中，LabVIEW控制程序驅(qū)動線性促動器運動對骨施加軸向壓縮載荷，同時力和位移傳感器對骨所受力及形變進行實時檢測并傳輸至PC端LabVIEW程序進行數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲。建模裝置設計完成后，對大鼠脛骨進行麻醉和無麻醉情況下的壓縮加載實驗。分別使用本系統(tǒng)和Bose萬能材料測試機測量超高分子聚乙烯標準件的楊氏模量，

6、對比二者的測量值來進行系統(tǒng)標定?；谠撗b置，分別通過離體和在體實驗對大鼠尺骨和脛骨進行疲勞加載，驗證該裝置的工作穩(wěn)定性和可靠性，并系統(tǒng)評估其成模效果。
　　結(jié)果：系統(tǒng)標定實驗中，測量值間的誤差為3.17％，證明了本裝置的工作準確性。該裝置可產(chǎn)生載荷強度0~90N、位移0~1800μm，壓縮加載實驗證明本裝置能夠施加強度和時間可控、模式一致的周期性載荷，適用于動物麻醉和無麻醉兩種狀態(tài)。SPECT/CT和Micro-CT掃描證明本裝置

7、可成功建立大鼠脛骨和尺骨應力性骨折動物模型。離體實驗證明尺骨較脛骨具有更好的壓縮加載特性，便于載荷的設置與穩(wěn)定。
　　結(jié)論：本研究設計的應力性骨折動物模型構(gòu)建新裝置能夠保證施加強度可控、時間可控、模式一致的周期性閉環(huán)反饋載荷，精確、實時地檢測骨骼承受的壓力和位移，適用于動物麻醉和無麻醉兩種情況，能夠建立大鼠尺骨和脛骨兩種應力性骨折動物模型，具有精確性、科學性和可靠性的特點，且最大限度地接近真實應力性骨折發(fā)生的情況，為探索應力性骨折

8、預防措施提供了可靠的動物模型平臺支持。
　　第二部分尺骨疲勞加載下微損傷時空分布特性的研究
　　方法：取大鼠尺骨進行Micro-CT掃描，隨后對尺骨進行三維有限元建模，分析尺骨中部表面所受應變大小。采用30只3~4月齡雄性大鼠（體重554±99g）進行疲勞加載實驗，腹腔注射戊巴比妥鈉溶液（30 mg/kg）進行麻醉，隨后將大鼠右側(cè)尺骨固定于動夾頭與定夾頭之間，施加1N預加載以固定樣本，隨后對尺骨施加頻率0.67Hz、峰值壓力

9、0.055N/g體重的軸向周期性壓縮載荷，位移變化量為30%的骨折位移（2.0±0.2mm），左側(cè)尺骨作為對照，右側(cè)尺骨加載6000個循環(huán)周期后停止。分別于疲勞加載完成后的3、5和7天處死10只大鼠，取雙側(cè)尺骨，并截取骨干中部2cm樣本。樣本行堿性品紅染色，甲基丙烯酸甲酯包埋以及硬組織切片，光鏡下觀察并進行線性微損傷量化分析；樣本行硫酸鋇沉淀染色，Micro-CT掃描，觀察并量化微損傷三維空間分布。
　　結(jié)果：三維有限元建模分析顯

10、示，位移變化量為30%的骨折位移能在尺骨干中部表面產(chǎn)生的應變大小為－5400~+2180μ。堿性品紅染色結(jié)果顯示，實驗組微損傷密度顯著高于對照組（P=0.04，P=0.01和P=0.03），5天組的微損傷密度顯著高于3天和7天組（P＜0.05）；拉伸端的微損傷密度顯著高于壓縮端（P=0.03，P=0.02和P=0.01），5天組拉伸端的微損傷密度顯著高于3天和7天組（P＜0.05）。壓縮端3天組微損傷平均長度顯著高于拉伸端（P=0.04

11、）。硫酸鋇增強Micro-CT掃描結(jié)果顯示，疲勞加載完成后一周內(nèi)，微損傷逐漸由骨膜向骨內(nèi)膜、由前后部皮質(zhì)向中部皮質(zhì)累積，數(shù)據(jù)分析結(jié)果與堿性品紅染色后的二維微損傷分析結(jié)果保持一致。
　　結(jié)論：本研究研制的新型應力性骨折動物模型構(gòu)建裝置，其動物模型成模率可達100%。微損傷累積的時間分布特性為疲勞加載后一周內(nèi)線性微損傷數(shù)量呈先增加后減少的變化趨勢，微損傷累積的空間分布特性為線性微損傷主要累積于承受拉伸應變的骨皮質(zhì)。本研究不僅為應力性骨