周期性動(dòng)態(tài)力學(xué)載荷對抗骨質(zhì)疏松的研究.pdf

1、課題研究背景:骨質(zhì)疏松(Osteoporosis,OP)尤其是絕經(jīng)后的骨質(zhì)疏松(PostmenopausalOP)是中老年婦女中的一種常見病,特點(diǎn)是雌性激素匱乏引起的骨量下降和骨組織微觀結(jié)構(gòu)的退化與破損,主要表現(xiàn)為骨的脆性及骨折風(fēng)險(xiǎn)的顯著升高;近年來,由于在骨生理學(xué)領(lǐng)域史無前例的有效應(yīng)用,嚙齒類動(dòng)物模型成為研究并治療骨質(zhì)疏松的重要工具,小鼠骨質(zhì)疏松模型越來越受到研究者的關(guān)注。另外,力學(xué)生物學(xué)的研究已逐漸揭示出應(yīng)力/應(yīng)變與骨生長、重建之間

2、的密切關(guān)系,為骨質(zhì)疏松等骨科相關(guān)疾病的預(yù)防與治療開拓了一條嶄新的道路。
　　課題研究目的:本實(shí)驗(yàn)通過去勢手術(shù)建立可以模擬絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松癥狀的小鼠骨質(zhì)疏松模型,進(jìn)而研究周期性動(dòng)態(tài)力學(xué)加載對去勢后早期骨質(zhì)疏松形成的對抗作用與效果,為臨床預(yù)防與治療骨質(zhì)疏松提供有力的實(shí)驗(yàn)支持。
　　課題研究方法:(1)借助Micro-CT掃描得到雌性昆明(KM)小鼠前肢尺骨的影像數(shù)據(jù),在Mimics軟件中重建出其三維實(shí)體模型,導(dǎo)入ANSYS12

3、.0中劃分網(wǎng)格,定義材料常數(shù)和邊界條件后,通過有限元計(jì)算與分析,獲得尺骨整體應(yīng)變-中段應(yīng)變曲線、載荷-中段應(yīng)變曲線,并依次確定小鼠尺骨周期性動(dòng)態(tài)力學(xué)加載的具體實(shí)驗(yàn)條件;(2)2-3月齡雌性KM小鼠隨機(jī)分為去勢組(OVX)和假手術(shù)組(SHAM),并將去勢組左側(cè)和右側(cè)尺骨分別設(shè)為去勢未加載組(OVX)和去勢加載組(OVX+Loading)。去勢組切除雙側(cè)卵巢,術(shù)后對去勢加載組(OVX+Loading)小鼠尺骨施加在體軸向周期性動(dòng)態(tài)力學(xué)載荷(

4、f=15Hz,中段峰值應(yīng)變?chǔ)舖ax≈2500με),對側(cè)尺骨(OVX)作為骨質(zhì)疏松對照。4weeks后,小鼠處死,采集血液并解剖分離小鼠尺骨,血液離心得到血清,用小鼠血清骨鈣素Elisa試劑盒測定血清骨鈣素含量,對尺骨進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能、骨小梁微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、骨組織堿性磷酸酶(AKP)含量的測定。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(1)通過有限元分析計(jì)算發(fā)現(xiàn),在小應(yīng)變(<5000με)條件下,尺骨整體應(yīng)變與中段應(yīng)變存在很好的線性關(guān)系,載荷與中段應(yīng)變

5、也存在著可預(yù)測的關(guān)系,利于加載條件的簡化與確定;通過對確定加載條件的分析計(jì)算顯示,尺骨內(nèi)局部應(yīng)變在峰值載荷時(shí)分布集中趨勢明顯,病理性應(yīng)變比例很小,大部分區(qū)域處于利于成骨的生理性或微過載范圍(200-3000με),而由于動(dòng)態(tài)加載頻率較高(15Hz),較小的局部應(yīng)變(50-200με)也可能會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的成骨效應(yīng)。因此,確立了比較合理的動(dòng)態(tài)加載條件;(2)陰道涂片H.E染色的結(jié)果顯示去勢手術(shù)后小鼠停留在生理靜止期;體重增長加快的趨勢也暗示著

6、雌激素調(diào)節(jié)作用的減弱;與假手術(shù)組相比,去勢組小鼠血清BGP含量顯著下降,可能與雌激素匱乏后成骨細(xì)胞活性及更新速率降低有關(guān);三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能比較的結(jié)果顯示去勢手術(shù)4weeks后尺骨的各項(xiàng)力學(xué)性能均有顯著下降,更為有力的說明了骨質(zhì)疏松模型的成功建立。(3)通過尺骨干骺端的非脫鈣制片H.E染色以及Micro-CT掃描三維截面圖均可定性的發(fā)現(xiàn),去勢未加載組(OVX)尺骨松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)退化破損明顯,而去勢加載組尺骨(OVX+Loading)相對于

7、假手術(shù)組(SHAM)變化不太顯著;骨組織堿性磷酸酶(AKP)和血清BGP含量的測定結(jié)果顯示,去勢手術(shù)導(dǎo)致與成骨活性正相關(guān)的骨組織AKP和血清BGP含量顯著下降,而力學(xué)加載顯著提高了上述指標(biāo),因而從分子生物學(xué)角度證明動(dòng)態(tài)力學(xué)載荷對骨質(zhì)疏松的對抗作用;三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測定以及Micro-CT對松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)測量的結(jié)果則分別從宏觀和微觀兩方面定量地證明,去勢手術(shù)后,雌激素的匱乏導(dǎo)致小鼠尺骨松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)的退化與破損,主要表現(xiàn)為松質(zhì)骨面積比

8、(B.Ar/T.Ar)下降,骨小梁厚度(Tb.Th)降低,骨小梁分離度(Tb.Sp)增加,骨小梁數(shù)目(Tb.N)增加,導(dǎo)致宏觀上力學(xué)性能的下降,而動(dòng)態(tài)力學(xué)加載則顯著地抑制了以上微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的惡化,宏觀上緩解與改善了尺骨的機(jī)械性能。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)論:(1)通過有限元分析計(jì)算的方法可以很好的預(yù)測軸向載荷條件下小鼠尺骨內(nèi)的應(yīng)變分布情況,進(jìn)而確定合理的小鼠尺骨在體周期性動(dòng)態(tài)力學(xué)加載條件;(2)卵巢切除手術(shù)后4周可以成功建立小鼠的骨質(zhì)疏松模型