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

1、應(yīng)力性骨折（Stress fracture，SF）是一種疲勞性骨折，由于過(guò)度使用之后的疲勞肌肉無(wú)法及時(shí)吸收反復(fù)碰撞所產(chǎn)生的震動(dòng)，而使應(yīng)力直接傳導(dǎo)至骨骼，造成微損傷。如果這種微損傷不斷積累,超過(guò)骨骼自身修復(fù)的能力,就會(huì)發(fā)生應(yīng)力性骨折。應(yīng)力性骨折常發(fā)生于部隊(duì)官兵、運(yùn)動(dòng)員和舞蹈演員等群體，嚴(yán)重影響部隊(duì)官兵身體健康，削弱了部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，縮短了運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)壽命，逐漸成為軍事醫(yī)學(xué)和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。
　　目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)對(duì)應(yīng)力性骨折多為

2、骨折后采取的措施，主要有石膏固定、手術(shù)治療、長(zhǎng)時(shí)間臥床休息等。應(yīng)對(duì)應(yīng)力性骨折，預(yù)防的意義遠(yuǎn)大于治療。而研究預(yù)防措施的關(guān)鍵就是建立一種可靠科學(xué)的應(yīng)力性骨折動(dòng)物模型。國(guó)內(nèi)常見的應(yīng)力性骨折建模方法為電刺激跳跑法和跑臺(tái)訓(xùn)練法，但無(wú)法精確控制載荷大小，建模周期長(zhǎng)、陽(yáng)性率低，且動(dòng)物易出現(xiàn)耐受性，死亡率較高。三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)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(wú)法模擬真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。目前國(guó)際上最常見

3、的建模方法為軸向周期性應(yīng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)變變化，而壓縮法更加接近真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
　　因此，本研究基于軸向循環(huán)壓縮加載法，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)力性骨折動(dòng)物模型構(gòu)建新裝置，該裝置能夠保證施加強(qiáng)度可控、時(shí)間可控、模式一致的周期性閉環(huán)反饋載荷，精確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)骨骼承受的壓力和骨位移，且最大限度地接近真實(shí)應(yīng)力性骨折發(fā)生的情況，適用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物麻醉和無(wú)麻醉兩種情況，能夠建立大鼠尺骨和脛骨兩種應(yīng)力性骨

4、折動(dòng)物模型，為應(yīng)力性骨折預(yù)防和預(yù)警措施的研究提供了堅(jiān)實(shí)的模型平臺(tái)保障?；谠撗b置，我們發(fā)現(xiàn)了微損傷累積具有顯著的時(shí)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(shì)，且主要累積于承受拉伸應(yīng)變的骨皮質(zhì)。整個(gè)課題主要分為以下兩個(gè)部分：
　　第一部分應(yīng)力性骨折動(dòng)物模型構(gòu)建新裝置的研制
　　方法：該應(yīng)力性骨折動(dòng)物模型構(gòu)建新裝置包括應(yīng)力加載裝置、線性促動(dòng)器控制模塊以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理模塊。應(yīng)力加載裝置主要由

5、線性促動(dòng)器、線性導(dǎo)軌、組織固定模塊（包括動(dòng)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(dòng)線性促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)對(duì)骨施加軸向壓縮載荷，同時(shí)力和位移傳感器對(duì)骨所受力及形變進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并傳輸至PC端LabVIEW程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。建模裝置設(shè)計(jì)完成后，對(duì)大鼠脛骨進(jìn)行麻醉和無(wú)麻醉情況下的壓縮加載實(shí)驗(yàn)。分別使用本系統(tǒng)和Bose萬(wàn)能材料測(cè)試機(jī)測(cè)量超高分子聚乙烯標(biāo)準(zhǔn)件的楊氏模量，

6、對(duì)比二者的測(cè)量值來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定?；谠撗b置，分別通過(guò)離體和在體實(shí)驗(yàn)對(duì)大鼠尺骨和脛骨進(jìn)行疲勞加載，驗(yàn)證該裝置的工作穩(wěn)定性和可靠性，并系統(tǒng)評(píng)估其成模效果。
　　結(jié)果：系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量值間的誤差為3.17％，證明了本裝置的工作準(zhǔn)確性。該裝置可產(chǎn)生載荷強(qiáng)度0~90N、位移0~1800μm，壓縮加載實(shí)驗(yàn)證明本裝置能夠施加強(qiáng)度和時(shí)間可控、模式一致的周期性載荷，適用于動(dòng)物麻醉和無(wú)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(yīng)力性骨折動(dòng)物模型。離體實(shí)驗(yàn)證明尺骨較脛骨具有更好的壓縮加載特性，便于載荷的設(shè)置與穩(wěn)定。
　　結(jié)論：本研究設(shè)計(jì)的應(yīng)力性骨折動(dòng)物模型構(gòu)建新裝置能夠保證施加強(qiáng)度可控、時(shí)間可控、模式一致的周期性閉環(huán)反饋載荷，精確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)骨骼承受的壓力和位移，適用于動(dòng)物麻醉和無(wú)麻醉兩種情況，能夠建立大鼠尺骨和脛骨兩種應(yīng)力性骨折動(dòng)物模型，具有精確性、科學(xué)性和可靠性的特點(diǎn)，且最大限度地接近真實(shí)應(yīng)力性骨折發(fā)生的情況，為探索應(yīng)力性骨折

8、預(yù)防措施提供了可靠的動(dòng)物模型平臺(tái)支持。
　　第二部分尺骨疲勞加載下微損傷時(shí)空分布特性的研究
　　方法：取大鼠尺骨進(jìn)行Micro-CT掃描，隨后對(duì)尺骨進(jìn)行三維有限元建模，分析尺骨中部表面所受應(yīng)變大小。采用30只3~4月齡雄性大鼠（體重554±99g）進(jìn)行疲勞加載實(shí)驗(yàn)，腹腔注射戊巴比妥鈉溶液（30 mg/kg）進(jìn)行麻醉，隨后將大鼠右側(cè)尺骨固定于動(dòng)夾頭與定夾頭之間，施加1N預(yù)加載以固定樣本，隨后對(duì)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(duì)照，右側(cè)尺骨加載6000個(gè)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(jìn)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(yīng)變大小為－5400~+2180μ。堿性品紅染色結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組微損傷密度顯著高于對(duì)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(zhǎng)度顯著高于拉伸端（P=0.04

11、）。硫酸鋇增強(qiáng)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(yīng)力性骨折動(dòng)物模型構(gòu)建裝置，其動(dòng)物模型成模率可達(dá)100%。微損傷累積的時(shí)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(shì)，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(yīng)變的骨皮質(zhì)。本研究不僅為應(yīng)力性骨