应力性骨折动物模型构建新装置的研制及骨骼微损伤时空分布特性的研究

摘要

应力性骨折（Stress fracture，SF）是一种疲劳性骨折，由于过度使用之后的疲劳肌肉无法及时吸收反复碰撞所产生的震动，而使应力直接传导至骨骼，造成微损伤。如果这种微损伤不断积累,超过骨骼自身修复的能力,就会发生应力性骨折。应力性骨折常发生于部队官兵、运动员和舞蹈演员等群体，严重影响部队官兵身体健康，削弱了部队战斗力，缩短了运动员的运动寿命，逐渐成为军事医学和运动医学重点研究的内容之一。
　　目前，国内外应对应力性骨折多为骨折后采取的措施，主要有石膏固定、手术治疗、长时间卧床休息等。应对应力性骨折，预防的意义远大于治疗。而研究预防措施的关键就是建立一种可靠科学的应力性骨折动物模型。国内常见的应力性骨折建模方法为电刺激跳跑法和跑台训练法，但无法精确控制载荷大小，建模周期长、阳性率低，且动物易出现耐受性，死亡率较高。三点弯曲和四点弯曲加载法虽然能够保证施加载荷的精确性和一致性，损伤部位明确，但由于是采用横向加载的方式，无法模拟真实的运动状态。目前国际上最常见的建模方法为轴向周期性应力加载法，包括拉伸法和压缩法，二者都能精确控制载荷的大小，实时监测应变变化，而压缩法更加接近真实的运动状态。
　　因此，本研究基于轴向循环压缩加载法，设计了一种应力性骨折动物模型构建新装置，该装置能够保证施加强度可控、时间可控、模式一致的周期性闭环反馈载荷，精确、实时地检测骨骼承受的压力和骨位移，且最大限度地接近真实应力性骨折发生的情况，适用于实验动物麻醉和无麻醉两种情况，能够建立大鼠尺骨和胫骨两种应力性骨折动物模型，为应力性骨折预防和预警措施的研究提供了坚实的模型平台保障。基于该装置，我们发现了微损伤累积具有显著的时间和空间分布特性，疲劳加载完成后一周内，线性微损伤呈现先增加后减少的变化趋势，且主要累积于承受拉伸应变的骨皮质。整个课题主要分为以下两个部分：
　　第一部分应力性骨折动物模型构建新装置的研制
　　方法：该应力性骨折动物模型构建新装置包括应力加载装置、线性促动器控制模块以及数据实时采集与处理模块。应力加载装置主要由线性促动器、线性导轨、组织固定模块（包括动夹头和定夹头）、力传感器和位移传感器组成。将大鼠尺骨或胫骨固定于不同形状的组织固定模块中，LabVIEW控制程序驱动线性促动器运动对骨施加轴向压缩载荷，同时力和位移传感器对骨所受力及形变进行实时检测并传输至PC端LabVIEW程序进行数据的实时显示和存储。建模装置设计完成后，对大鼠胫骨进行麻醉和无麻醉情况下的压缩加载实验。分别使用本系统和Bose万能材料测试机测量超高分子聚乙烯标准件的杨氏模量，对比二者的测量值来进行系统标定。基于该装置，分别通过离体和在体实验对大鼠尺骨和胫骨进行疲劳加载，验证该装置的工作稳定性和可靠性，并系统评估其成模效果。
　　结果：系统标定实验中，测量值间的误差为3.17％，证明了本装置的工作准确性。该装置可产生载荷强度0~90N、位移0~1800μm，压缩加载实验证明本装置能够施加强度和时间可控、模式一致的周期性载荷，适用于动物麻醉和无麻醉两种状态。SPECT/CT和Micro-CT扫描证明本装置可成功建立大鼠胫骨和尺骨应力性骨折动物模型。离体实验证明尺骨较胫骨具有更好的压缩加载特性，便于载荷的设置与稳定。
　　结论：本研究设计的应力性骨折动物模型构建新装置能够保证施加强度可控、时间可控、模式一致的周期性闭环反馈载荷，精确、实时地检测骨骼承受的压力和位移，适用于动物麻醉和无麻醉两种情况，能够建立大鼠尺骨和胫骨两种应力性骨折动物模型，具有精确性、科学性和可靠性的特点，且最大限度地接近真实应力性骨折发生的情况，为探索应力性骨折预防措施提供了可靠的动物模型平台支持。
　　第二部分尺骨疲劳加载下微损伤时空分布特性的研究
　　方法：取大鼠尺骨进行Micro-CT扫描，随后对尺骨进行三维有限元建模，分析尺骨中部表面所受应变大小。采用30只3~4月龄雄性大鼠（体重554±99g）进行疲劳加载实验，腹腔注射戊巴比妥钠溶液（30 mg/kg）进行麻醉，随后将大鼠右侧尺骨固定于动夹头与定夹头之间，施加1N预加载以固定样本，随后对尺骨施加频率0.67Hz、峰值压力0.055N/g体重的轴向周期性压缩载荷，位移变化量为30%的骨折位移（2.0±0.2mm），左侧尺骨作为对照，右侧尺骨加载6000个循环周期后停止。分别于疲劳加载完成后的3、5和7天处死10只大鼠，取双侧尺骨，并截取骨干中部2cm样本。样本行碱性品红染色，甲基丙烯酸甲酯包埋以及硬组织切片，光镜下观察并进行线性微损伤量化分析；样本行硫酸钡沉淀染色，Micro-CT扫描，观察并量化微损伤三维空间分布。
　　结果：三维有限元建模分析显示，位移变化量为30%的骨折位移能在尺骨干中部表面产生的应变大小为－5400~+2180μ。碱性品红染色结果显示，实验组微损伤密度显著高于对照组（P=0.04，P=0.01和P=0.03），5天组的微损伤密度显著高于3天和7天组（P＜0.05）；拉伸端的微损伤密度显著高于压缩端（P=0.03，P=0.02和P=0.01），5天组拉伸端的微损伤密度显著高于3天和7天组（P＜0.05）。压缩端3天组微损伤平均长度显著高于拉伸端（P=0.04）。硫酸钡增强Micro-CT扫描结果显示，疲劳加载完成后一周内，微损伤逐渐由骨膜向骨内膜、由前后部皮质向中部皮质累积，数据分析结果与碱性品红染色后的二维微损伤分析结果保持一致。
　　结论：本研究研制的新型应力性骨折动物模型构建装置，其动物模型成模率可达100%。微损伤累积的时间分布特性为疲劳加载后一周内线性微损伤数量呈先增加后减少的变化趋势，微损伤累积的空间分布特性为线性微损伤主要累积于承受拉伸应变的骨皮质。本研究不仅为应力性骨折发生机制和预防方法的研究奠定了坚实的方法学基础，并通过系统动物实验为揭示骨骼微损伤的发生规律提供重要依据，具有重要的实验研究和潜在临床应用价值。

目录

声明

缩略语表

前言

文献回顾

1 应力性骨折概述

2 应力性骨折的检测方法

3 应力性骨折动物模型构建方法

第一部分 应力性骨折动物模型构建新装置

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

第二部分 在体疲劳加载下大鼠尺骨微损伤累积的时空分布特性的研究

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

小结

参考文献

个人简历和研究成果

致谢