骨的生物力學(xué)特性精選(九篇)

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第1篇：骨的生物力學(xué)特性范文

[關(guān)鍵詞] 月骨;關(guān)節(jié); 韌帶; 生物力學(xué)

月骨居近側(cè)列腕骨中線,在腕不穩(wěn)定中起著非常重要的作用。與月骨相連韌帶是維系月骨及相鄰?fù)蠊情g正常解剖關(guān)系的重要結(jié)構(gòu)。其韌帶損傷后引起的月骨及相鄰?fù)蠊遣环€(wěn)定正逐漸被人們認(rèn)識(shí)并受到重視,目前特別是舟月不穩(wěn)定的治療,為手外科醫(yī)師所感興趣[1,2]。為了手外科學(xué)的發(fā)展需要,對(duì)與月骨相連韌帶進(jìn)行了生物力學(xué)特性的測(cè)定。

1 材料與方法

1.1 材料 成人新鮮腕關(guān)節(jié)標(biāo)本14側(cè),右側(cè) 7例,左側(cè)7 例,供體年齡 18～40 歲,身高160～180 cm,雙側(cè)腕關(guān)節(jié)均未受外傷,經(jīng)X 線檢查證實(shí)標(biāo)本無骨性異常。 標(biāo)本冷凍保存,使用前充分解凍至關(guān)節(jié)、軟組織柔軟。

1.2 解剖觀察與生物力學(xué)測(cè)定 切開 14 個(gè)標(biāo)本腕關(guān)節(jié)囊,觀察舟月骨間韌帶、 月三角骨間韌帶、 橈月韌帶 、 尺月韌帶和橈舟月韌帶的形態(tài)、結(jié)構(gòu)。然后進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)定,首先對(duì)橈月韌帶、尺月韌帶和橈舟月韌帶的遠(yuǎn)側(cè)端月骨附著處不做處理, 近側(cè)端橈尺骨相應(yīng)部位鋸斷,保證韌帶的起止點(diǎn)完整。再對(duì)舟月骨間韌帶掌側(cè)部、舟月骨間韌帶背側(cè)部和月三角骨間韌帶進(jìn)行處理和測(cè)量。對(duì)所測(cè)韌帶的遠(yuǎn)、近端附著骨用3.5 mm骨鉆分別鉆1骨孔,然后插入1根3.5 mm粗的斯氏針;放在SWD10型材料試驗(yàn)機(jī)上以5 mm/min的定速率拉伸至韌帶斷裂,并測(cè)定斷裂時(shí)韌帶承受的最大斷裂強(qiáng)度和剛度。

2 結(jié)果

2.1 韌帶的解剖學(xué)觀察 舟月骨間韌帶和月三角骨間韌帶呈“C”形,半環(huán)形分布于舟、月骨和月、三角骨的掌、背側(cè)以及近側(cè),分為掌側(cè)部、近側(cè)部和背側(cè)部。其中背側(cè)部分較厚實(shí)、堅(jiān)韌,以致密纖維結(jié)構(gòu)為主, 掌側(cè)部較寬、薄。近側(cè)部顯示有纖維軟骨樣成份。橈月韌帶、尺月韌帶、橈舟月韌帶由縱形排列的纖維組成,并與腕關(guān)節(jié)囊相移行。

2.2 韌帶的生物力學(xué)測(cè)定 與月骨相連韌帶的斷裂強(qiáng)度和剛度測(cè)試結(jié)果見表1。舟月骨間韌帶和月三角骨間韌帶為腕骨內(nèi)在韌帶,斷裂強(qiáng)度和剛度均很大,且月三角骨間韌帶則更大。舟月骨間韌帶背側(cè)部的斷裂強(qiáng)度明顯大于其掌側(cè)部,而剛度卻掌側(cè)部較大。尺月韌帶、橈月韌帶和橈舟月韌帶為腕骨外在韌帶,其中尺月韌帶和橈月韌帶的斷裂強(qiáng)度和剛度都較大,而橈舟月韌帶最小。月三角骨間韌帶的斷裂強(qiáng)度和剛度最大,與其他各韌帶比較,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P< 0.05)。

3 討論

3.1 月骨與月骨相連韌帶的解剖學(xué)特性 月骨位于腕關(guān)節(jié)負(fù)荷傳導(dǎo)通道的中心。月骨外形比較規(guī)則, 掌面觀為四方形, 側(cè)面觀為半月形,近側(cè)凸面與橈骨下關(guān)節(jié)面構(gòu)成關(guān)節(jié),遠(yuǎn)側(cè)凹面與舟骨共同擁抱頭狀骨。月骨與舟骨之間有堅(jiān)強(qiáng)的舟月骨間韌帶相連。在尺側(cè)月骨與三角骨形成關(guān)節(jié),其內(nèi)有最大斷裂強(qiáng)度的月三角骨間韌帶相連。對(duì)舟骨、月骨與三角骨及骨間關(guān)節(jié)起穩(wěn)定性作用。月骨與橈骨之間有橈月韌帶、尺月韌帶和橈舟月韌帶,為外在韌帶。橈月韌帶和尺月韌帶堅(jiān)韌,加強(qiáng)了月骨及相鄰?fù)蠊堑姆€(wěn)定性。

3.2 生物力學(xué)特點(diǎn)與生理功能 骨的運(yùn)動(dòng)幅度和韌帶生物力學(xué)特點(diǎn)均與其承載的生理功能狀態(tài)密切相關(guān)。正常腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行過研究,發(fā)現(xiàn)在近排腕骨中,相對(duì)于橈尺骨而言,舟骨的運(yùn)動(dòng)幅度最大,三角骨次之,月骨最小;但相對(duì)于月骨,則舟骨的運(yùn)動(dòng)幅度較三角骨大[3]。這些都和韌帶的斷裂強(qiáng)度和斷裂形變有關(guān),即骨與骨之間韌帶的斷裂強(qiáng)度和剛度越大,兩骨之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度則越小。這與筆者研究結(jié)果相符,舟月骨間關(guān)節(jié)和月三角骨間關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度小,而舟月骨間韌帶和月三角骨間韌帶的斷裂強(qiáng)度和斷裂形變都很大,其中月三角骨間韌帶的斷裂強(qiáng)度最大。在所研究的韌帶中,斷裂強(qiáng)度最小的是橈舟月韌帶,它主要由疏松結(jié)締組織組成,其間血管豐富,膠原纖維束少。尺月韌帶和橈月韌帶為橈骨遠(yuǎn)端與月骨連接的韌帶,斷裂強(qiáng)度和剛度也較大,但不及舟月骨間韌帶和月三角骨間韌帶。由此可看出近排腕骨內(nèi)在韌帶斷裂強(qiáng)度和斷裂形變相對(duì)較大,這可能與近排腕骨的活動(dòng)度較大、其承受的應(yīng)力負(fù)荷較大有關(guān)。

3.3 月骨及韌帶與腕不穩(wěn)定性 在腕不穩(wěn)定中,月骨起著重要作用。月骨由強(qiáng)韌的尺月韌帶和橈月韌帶在掌側(cè)成倒V形固定,背側(cè)又有背側(cè)橈尺三角韌帶限制,所以在近排腕骨中月骨的運(yùn)動(dòng)幅度最小。手背伸是一種防御性姿勢(shì),跌倒時(shí),手掌著地,腕呈強(qiáng)有力的背伸位。在此過程中,首先引起橈舟頭韌帶、橈舟韌帶緊張,繼而引起橈舟月韌帶和尺月韌帶緊張。由于橈舟韌帶,橈舟月韌帶比較薄弱,易發(fā)生斷裂。舟月骨間韌帶與月三角骨間韌帶相比其強(qiáng)度要小一些,在腕關(guān)節(jié)極度背伸和尺偏時(shí),舟月骨間韌帶的力臂較月三角骨間韌帶的要長,故容易引起舟月骨間韌帶斷裂,造成舟月骨間分離。如果腕背伸尺偏再繼續(xù),則會(huì)引起月三角骨間韌帶斷裂,造成月三角骨間分離,這些都是臨床上常見的腕關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的原因[46]。月骨是腕骨中唯一掌側(cè)寬而背側(cè)窄的骨,當(dāng)腕關(guān)節(jié)極度背伸位著地時(shí),月骨受頭狀骨與橈骨的擠壓被迫沿腕的額狀軸急劇向側(cè)旋轉(zhuǎn)而致脫位,脫位時(shí)月骨背側(cè)的韌帶、舟月骨間韌帶和月三角骨間韌帶背側(cè)部會(huì)同時(shí)斷裂。

3.4 韌帶斷裂與修復(fù) 舟月骨間韌帶撕裂引起的不穩(wěn)定最為常見,次之為月三角骨間的不穩(wěn)定。在舟月骨間韌帶中,背側(cè)部較厚,斷裂強(qiáng)度最大,它在防止舟、月分離方面起最重要作用。所以在臨床治療舟、月分離時(shí),應(yīng)優(yōu)先修復(fù)重建舟月骨間韌帶背側(cè)部[7,8]。由于骨與骨間的愈合效果優(yōu)于骨與韌帶間的愈合效果,且自體移植物不會(huì)出現(xiàn)排異反應(yīng),所以常選用自體骨韌帶骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行舟月骨間韌帶的替代[9,10]。韌帶替代物的選擇,由于解剖學(xué)及操作技術(shù)等原因,不可能對(duì)全部舟月骨間韌帶進(jìn)行重建,因此目前對(duì)舟月骨間韌帶中相對(duì)重要且手術(shù)操作方便的背側(cè)部進(jìn)行替代的研究較多。理想的韌帶供體應(yīng)在大小、外形、結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性上與舟月骨間韌帶背側(cè)部盡可能相似,且較易獲取,術(shù)后對(duì)供區(qū)的功能不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。臨床上常采用的供體有頭鉤背側(cè)韌帶、小多角骨第2掌骨背側(cè)韌帶、頭狀骨第3掌骨背側(cè)韌帶等。

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第2篇：骨的生物力學(xué)特性范文

關(guān)鍵詞: 骨質(zhì)疏松癥;骨折;彈性模量;極限強(qiáng)度

摘 要:目的 探討骨質(zhì)疏松骨折愈合過程中骨痂局部生物力學(xué)性能的變化. 方法 利用SD大鼠骨質(zhì)疏松脛骨骨折模型，測(cè)量了骨痂局部彈性模量和極限強(qiáng)度的變化. 結(jié)果 骨質(zhì)疏松骨折愈合過程中，彈性模量和極限強(qiáng)度均隨著骨折愈合過程的進(jìn)行而增加，在骨折后35d編織骨完全形成后，極限強(qiáng)度與非骨折組相比無明顯差別，而彈性模量有明顯差別;而兩者在同一時(shí)間點(diǎn)與正常骨折組相比均無明顯差別. 結(jié)論 骨質(zhì)疏松骨折骨痂局部的彈性模量及極限強(qiáng)度的變化模式與正常骨折骨痂相比無明顯差別.

Keywords:osteoporosis;fracture;elastic modulus;maxi-mum intensity

Abstract:AIM To research the changes of the biomechanics of the local bone callus in the process of osteoporotic bone healing.METHODS The elastic modulus and maximum in-tensity in the local callus were measured using osteoporotic tibial fracture model.RESULTS The values of elastic mod-ulus and maximum intensity increased with the proceeding of the osteoporotic bone healing.There were significant differ-ence in the maximum intensity but not in the elastic modulus at fracture day35compared with the non-fracture group.But there was no significant difference at the identical time points between two groups.CONCLUSION There may be no sig-nificant difference in the changing model of the elastic modu-lus and the maximum intensity between the osteoporotic and normal groups.

0 引言

骨質(zhì)疏松（osteoporosis，OP）后，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的生物力學(xué)性能均發(fā)生了改變［1］ :骨皮質(zhì)變薄，骨彈性下降，骨脆性增加，骨小梁變得纖細(xì)，骨小梁的完整性和連續(xù)性下降，甚至發(fā)生微損害，骨骼的生物力學(xué)性能均下降.骨折后，骨骼的支撐負(fù)重功能隨之喪失，但隨著骨折的愈合，結(jié)構(gòu)的再生和修復(fù)，其生物力學(xué)性能也逐漸恢復(fù)［2］ .然而，有關(guān)骨質(zhì)疏松骨折后骨痂局部生物力學(xué)性能發(fā)生的變化，尚缺乏相關(guān)研究.本實(shí)驗(yàn)對(duì)骨質(zhì)疏松骨折后骨痂局部生物力學(xué)性能的改變進(jìn)行了研究，這不僅有助于深入了解骨質(zhì)疏松骨折愈合過程，而且對(duì)臨床具有一定的指導(dǎo)意義.

1 材料和方法

1.1 材料

所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物選用純種SD雌性大鼠，體質(zhì)量250～450g（由本校實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供），年齡在6～9mo之間，共120只，隨機(jī)分為骨質(zhì)疏松組（Vox）及假手術(shù)對(duì)照組（Sham）.每組又分為非骨折對(duì)照組及骨折組（骨折組以骨折后7，14，21，28和35d各分為5組），每組10只.10g L-1 戊巴比妥鈉（40mg kg-1 ）腹腔麻醉下經(jīng)背側(cè)切口，Vox組行雙則卵巢切除術(shù);Sham手術(shù)組做雙側(cè)卵巢暴露，即關(guān)閉切口.術(shù)后2mo，腹腔麻醉下先用0.5mm齒科鋼絲行脛骨髓腔內(nèi)固定術(shù)，立即用專用大鼠骨折器于大鼠雙側(cè)脛骨中段造成閉合性骨折.分別取骨折后7，14，21，28和35d正常骨折及骨質(zhì)疏松性骨折組脛骨標(biāo)本，于BLR型生物力學(xué)測(cè)試機(jī)（北京科學(xué)儀器廠）上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲載荷的測(cè)定，以骨痂中點(diǎn)為三點(diǎn)彎曲的支點(diǎn)，兩側(cè)加載點(diǎn)跨距20mm.測(cè)定時(shí)脛骨標(biāo)本放置的方向、位置等保持相對(duì)一致，以減少系統(tǒng)誤差.

1.2 方法

1.2.1 骨痂局部彈性模量（Ef ）的測(cè)定 取不同時(shí)間段骨折模型全長脛骨，在生物力學(xué)測(cè)定儀上測(cè)定致使骨痂局部斷裂的最大應(yīng)力等指標(biāo)，根據(jù)以下公式計(jì)算出彈性模量:Ef =ΔP L

3 （48Ixc Δy）-1 ，［L:跨距，單位:mm;ΔP:載荷變量，單位:N;Ixc :軸慣性矩，毫米的四次方（mm 4 ）;Δy:載荷作用截面的撓度，單位:mm，Ef :彈性模量，單位:MPa］.

1.2.2 骨痂局部極限強(qiáng)度（σf ）的測(cè)定

取不同時(shí)間段骨折模型全長脛骨，在生物力學(xué)測(cè)定儀上，進(jìn)行三點(diǎn)應(yīng)力測(cè)定致使骨痂局部斷裂的最大應(yīng)力，根據(jù)以下公式計(jì)算出極限強(qiáng)度:σf =Pmax L Yc （4Ixc ）-1 ，［Pmax :最大載荷，單位:N;Yc:形心軸至測(cè)試點(diǎn)的距離，單位:mm;Ixc :軸慣性矩，單位:mm4 .σf :極限強(qiáng)度，單位:MPa］.

正常對(duì)照采用正常組與骨質(zhì)疏松組非骨折脛骨進(jìn)行比較.實(shí)驗(yàn)對(duì)照采用正常組與骨質(zhì)疏松組骨折脛骨進(jìn)行比較.

統(tǒng)計(jì)學(xué)處理:骨折組同一時(shí)間點(diǎn)組間數(shù)據(jù)及同組不同時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)通過SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA），非骨折組Vox與Sham組間數(shù)據(jù)進(jìn)行均數(shù)t檢驗(yàn).

2 結(jié)果

2.1 骨痂局部彈性模量

見Tab1.表1 骨質(zhì)疏松組骨痂局部彈性模量（略）

2.2 骨痂局部極限強(qiáng)度

見Tab2.表2 骨質(zhì)疏松組骨痂局部極限強(qiáng)度（略）

3 討論

正常骨折骨痂局部以及骨質(zhì)疏松后骨骼的生物力學(xué)變化，國內(nèi)外已有相關(guān)研究［3-5］ .骨折愈合過程是機(jī)體內(nèi)典型的創(chuàng)傷修復(fù)反應(yīng)，隨著骨折愈合過程的進(jìn)行，骨折斷端之間逐漸被結(jié)構(gòu)和來源均為復(fù)合性的結(jié)締組織所填充連接，由于其組織類型、成分及結(jié)構(gòu)的變化，其生物學(xué)特性也隨之發(fā)生著變化:骨痂局部的生物力學(xué)特性逐漸恢復(fù)，抵抗不良應(yīng)力的能力增強(qiáng)，至內(nèi)外骨痂在骨折斷端間形成骨性連接，骨痂局部的生物力學(xué)性能也基本恢復(fù).

本實(shí)驗(yàn)中，正常骨折骨痂局部的彈性模量和極限強(qiáng)度均隨著骨折愈合過程而增加，彈性模量分別在骨折后14d和28d有顯著性增加，但在骨折后第35日，骨折端已完全被編織骨所替代，彈性模量未能恢復(fù)到骨折前水平;極限強(qiáng)度也在骨折后14d和28d有顯著性增加，并在骨折后35d已恢復(fù)至接近非骨折水平，這與以前的研究結(jié)果相符合［3］ .相比較而言，彈性模量較極限強(qiáng)度恢復(fù)的程度相對(duì)較慢.由于彈性模量是代表某一材料生物力學(xué)的綜合特性，其結(jié)果可受到某一材料多方面因素的影響，如:材料的形狀、測(cè)試點(diǎn)的截面積，材質(zhì)的均勻性以及受力的方向等

［6，7］ .而在骨折愈合的不同時(shí)期，骨痂局部的形狀、截面積、均勻性等均發(fā)生著變化［8］ ，因此，骨痂局部彈性模量的恢復(fù)過程相對(duì)緩慢.即使在編織骨已完全形成階段，由于骨痂的塑形尚未完成，骨痂局部的形狀，截面積、均勻性等與正常相比尚有差別［9，10］ ，故其彈性模量仍不能達(dá)到正常水平.骨質(zhì)疏松性骨折骨痂局部生物力學(xué)的變化，尚未見文獻(xiàn)報(bào)道.我們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松性骨折骨痂局部生物力學(xué)特性的變化，在彈性模量和極限強(qiáng)度方面與正常骨痂相比，其變化模式相似，極限強(qiáng)度在骨折后35d已恢復(fù)至接近正常水平，但彈性模量仍未恢復(fù)至正常水平;同一時(shí)間點(diǎn)骨質(zhì)疏松組與正常組相比無明顯差別.由于我們實(shí)驗(yàn)采用的是6～9mo的去勢(shì)雌性大鼠，屬于高代謝型骨質(zhì)疏松模型［11，12］ ，以前的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具有成骨作用的細(xì)胞因子基因表達(dá)增強(qiáng)［13-15］ ，因此，我們發(fā)現(xiàn)的骨質(zhì)疏松性骨折骨痂局部的彈性模量和極限強(qiáng)度在均數(shù)值上比正常骨痂較高，應(yīng)與骨質(zhì)疏松性骨折后相對(duì)增強(qiáng)的骨形成作用有關(guān).但是否與破骨細(xì)胞活性的增強(qiáng)有關(guān)，尚需進(jìn)一步的研究證實(shí).

骨質(zhì)疏松骨折愈合過程中，彈性模量和極限強(qiáng)度兩項(xiàng)生物力學(xué)指標(biāo)均隨著骨折愈合過程的進(jìn)行而增強(qiáng).雖然與正常骨折愈合過程相比，在不同時(shí)間段兩者在數(shù)值上無顯著性差異，但骨質(zhì)疏松組相對(duì)均較正常組高，因此，在骨質(zhì)疏松性骨折愈合過程中，局部骨痂的生物力學(xué)性能也至少是與正常相同的.這提示，在臨床上，對(duì)于Ⅰ型骨質(zhì)疏松性骨折患者，無論采取外固定或內(nèi)固定治療，無須延長外固定時(shí)間或術(shù)后開始功能鍛煉的時(shí)間.相反，由于骨折?？梢鹁植恳约芭R近部位的骨質(zhì)疏松，因此，骨質(zhì)疏松性骨折后更應(yīng)注意早期的功能鍛煉，以免進(jìn)一步加重骨質(zhì)疏松癥，進(jìn)而增加再次骨折的危險(xiǎn)性.

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第3篇：骨的生物力學(xué)特性范文

【摘要】 目的 觀察中藥復(fù)方對(duì)尾部懸吊模擬失重大鼠骨密度(BMD)、骨生物力學(xué)強(qiáng)度及組織形態(tài)計(jì)量學(xué)的影響。方法 50只Wistar大鼠按隨機(jī)區(qū)組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法分成正常對(duì)照組、模型組及懸吊中藥低劑量組、中劑量組、高劑量組，每組10只，實(shí)驗(yàn)周期21 d。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取右側(cè)股骨和第4腰椎，用雙能X線骨密度儀測(cè)量股骨、腰椎BMD；三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)法及腰椎壓縮實(shí)驗(yàn)法分別測(cè)定股骨和腰椎生物力學(xué)指標(biāo)；取第3腰椎，制作不脫鈣切片測(cè)量骨形態(tài)計(jì)量學(xué)指標(biāo)。結(jié)果 與正常對(duì)照組相比，模型組大鼠股骨、腰椎BMD明顯降低(P＜0.05)，股骨最大載荷、彈性載荷、最大撓度、彈性撓度明顯降低(P＜0.05)；腰椎最大載荷、彈性載荷明顯降低(P＜0.05)；腰椎骨小梁體積百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁礦化率明顯降低(P＜0.05)。與模型組相比，中藥中劑量組可明顯增加模擬失重大鼠股骨BMD和腰椎最大載荷、彈性載荷和腰椎骨小梁體積百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁礦化率(P＜0.05)。結(jié)論 中藥復(fù)方能促進(jìn)骨的形成和礦化過程，增加BMD以及增強(qiáng)骨力學(xué)強(qiáng)度，從而達(dá)到防治骨丟失的作用。

【關(guān)鍵詞】 中藥；模擬失重；骨密度；骨生物力學(xué)；骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)

Abstract：Objective To study the effects of Chinese medicine compound on bone density， biomechanics， histomorphometry of weightlessness rats simulated by tail suspension. Methods Fifty Wistar rats were randomly pided into 5 groups with 10 rats each group：control group， model group， and low dose， medium dose and high dose Chinese medicine compound treated suspension group， the experiment period was 21 days. BMD of femur and lumbar vertebrae were detected by dual energy X-ray absorptiometry. The femoral biomechanics parameters and anti-compress ability of lumbar vertebrae were measured by three-point assay and compress test respectively. The quantitative structures of non- decalcified bone tissue sections were analyzed by histomorphometry. Result Compared with control group， BMD of femur and lumbar of model group decreased remarkably (P＜0.05)， Maximum Load， Elastic Load， Maximum Deflection and Elastic Deflection of femoral bone and Maximum Load and Elastic Load of lumbar vertebrae of model group decreased remarkably (P＜0.05)， TBV%， TFS%， AFS% and MAR% of lumbar vertebrae of model group also decreased remarkably (P＜0.05). Compared with model group， BMD of femoral bone， Maximum Load and Elastic Load， TBV%， TFS%， AFS% and MAR% of lumbar of medium dose group increased remarkably (P＜0.05). Conclusion Chinese medicine compound can improve the bone formation， prevent bone loss by improving ossify， bone mineral deposition and mineralization， as well as increase BMD， improve the bone biomechanics property.

Key words：Chinese medicine；simulated weightlessness；BMD；bone biomechanics；bone histomorphometry

失重性骨丟失是長期航天飛行中最危險(xiǎn)的因素之一，因而探討和尋求有效的對(duì)抗失重骨丟失的有效措施一直是航天醫(yī)學(xué)界的難題，但至今仍無切實(shí)有效的防護(hù)措施。我們將中醫(yī)藥理論應(yīng)用于航天醫(yī)學(xué)研究，研制了以滋補(bǔ)肝腎、健脾益氣、活血化瘀、強(qiáng)筋健骨等治法為依據(jù)組成的中藥復(fù)方，并利用尾部懸吊模擬失重動(dòng)物模型，對(duì)其藥理、藥效和機(jī)理進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究。本實(shí)驗(yàn)是該方對(duì)骨代謝影響系列研究的一個(gè)組成部分，重點(diǎn)探討該方對(duì)模擬失重大鼠骨密度(BMD)、骨生物力學(xué)強(qiáng)度及組織形態(tài)計(jì)量學(xué)的影響，為研究中醫(yī)藥對(duì)抗模擬失重骨丟失措施及探討中藥對(duì)抗模擬失重骨丟失機(jī)理的研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 動(dòng)物

Wistar大鼠，雄性，體重(150±10)g，北京維通利華公司提供，合格證號(hào)：SCXK(京)2002-0003。適應(yīng)環(huán)境7 d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 藥物

中藥復(fù)方由刺五加、黃芪、當(dāng)歸、補(bǔ)骨脂等藥按一定比例組成。全部藥材經(jīng)北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥教研室鑒定，按傳統(tǒng)工藝煎煮，制成1 g原藥材/mL濃度的口服液。

1.3 試劑

甲基丙烯酸甲酯(批號(hào)20061010)，北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司；鄰苯二甲酸二丁酯(批號(hào)040401)，北京化學(xué)試劑公司；過氧化苯甲酰(批號(hào)20040610)，北京金龍化學(xué)試劑有限公司。

1.4 儀器

雙能X線骨密度儀，美國LUNAR公司；WD-1型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，長春第二試驗(yàn)機(jī)廠；WDW-5型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，長春市朝陽試驗(yàn)儀器有限公司；Reicheit-Jung 2040切片機(jī)，德國。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 尾部懸吊模型的建立

采用陳氏等[1]改進(jìn)的鼠尾懸吊法。將大鼠在懸吊籠中尾部懸吊，后肢離地，使軀干與地面成300°角，前肢著地可以自由活動(dòng)。

2.2 分組及給藥

Wistar大鼠按隨機(jī)區(qū)組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法分成正常對(duì)照組(K組)、模型組(M組)及懸吊中藥低劑量組(D組)、中劑量組(Z組)、高劑量組(X組)共5組，每組10只，均用懸吊籠單籠飼養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)周期21 d。造模前7 d懸吊中藥3個(gè)劑量組給予中藥復(fù)方(10 mL/kg)灌胃，K組、M組給予蒸餾水灌胃(10 mL/kg)，每日灌胃1次。第8日灌胃1 h后，M組與懸吊中藥3個(gè)劑量組尾部懸吊，K組大鼠籠中自由活動(dòng)。繼續(xù)每日灌胃1次，每周稱重1次，按重量調(diào)整給藥劑量，連續(xù)灌胃14 d。

2.3 標(biāo)本處理及檢測(cè)

2.3.1 大鼠股骨、腰椎骨密度的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)第21日處死大鼠，取右側(cè)股骨和第4腰椎骨，去凈附著結(jié)締組織，分別用生理鹽水紗布包裹后即刻保存于-70 ℃冰箱中，并盡快進(jìn)行BMD測(cè)定。測(cè)定前取出上述樣本，室溫下復(fù)溫，然后將各樣本分別置于有機(jī)玻璃板上，固定位置，以全長的1/2交界處為測(cè)量點(diǎn)，應(yīng)用雙能X線骨密度儀作骨橫越掃描，熒光屏顯示測(cè)量圖像，自動(dòng)打印測(cè)量結(jié)果。

2.3.2 股骨、腰椎生物力學(xué)的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)前取出冰箱保存的大鼠股骨，室溫下復(fù)溫，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，跨距20 mm，加載速度2 mm/min，同時(shí)記錄載荷-變形曲線；第4腰椎體進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，加載速度為2 mm/min，同時(shí)記錄載荷-變形曲線，2組樣本均計(jì)算最大載荷和彈性載荷、最大撓度和彈性撓度。

2.3.3 腰椎組織形態(tài)計(jì)量學(xué)的測(cè)定

在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物處死前14、3 d分別皮下注射鹽酸四環(huán)素30 mg/kg。大鼠處死后，迅速取出第3腰椎。剔凈骨周圍肌肉及軟組織，用生理鹽水擦洗干凈，置于10%福爾馬林中固定24 h，然后制作5 μm和10 μm的縱向不脫鈣骨切片。5 μm切片用二甲苯溶掉樹脂后，梯度乙醇至水，甲苯胺藍(lán)染色；10 μm切片直接用于熒光觀察。主要參數(shù)包括：骨小梁體積百分比、骨小梁吸收表面百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁礦化率。

3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所測(cè)定指標(biāo)均采用x±s表示，BMD和生物力學(xué)指標(biāo)使用SPSS12.0統(tǒng)計(jì)軟件中的方差分析(ANOVA)進(jìn)行檢驗(yàn)，骨組織形態(tài)劑量學(xué)使用Student-Newman方法進(jìn)行檢驗(yàn)，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

4 結(jié)果

(見表1～表3)表1 中藥復(fù)方對(duì)模擬失重大鼠腰椎骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)的影響(略)注：與K組比較，#P＜0.05；與M組比較，*P＜0.05；與Z組比較，ΔP＜0.05(下同)表2 中藥復(fù)方對(duì)模擬失重大鼠股骨、腰椎BMD的影響((x±s，g/cm2)表3 中藥復(fù)方對(duì)模擬失重大鼠股骨、腰椎最大載荷、最大撓度、彈性載荷、彈性撓度的影響(x±s)

5 討論

我們的前期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，尾部懸吊后大鼠出現(xiàn)了明顯骨代謝異常，而在本實(shí)驗(yàn)中模型組大鼠股骨、腰椎BMD以及最大載荷、彈性載荷均顯著減少，這與國內(nèi)外的相關(guān)報(bào)道一致[2-3]，說明應(yīng)用尾部懸吊大鼠的模型是成功的。

BMD是反映骨皮質(zhì)厚度、骨小梁結(jié)構(gòu)和骨量的重要指標(biāo)，也是間接評(píng)價(jià)骨丟失程度的指標(biāo)之一。本實(shí)驗(yàn)中，與正常對(duì)照組比較，模型組大鼠股骨、腰椎BMD明顯降低，中藥中劑量組可明顯增加股骨BMD。說明尾部懸吊模擬失重時(shí)，后肢去負(fù)荷后肌肉萎縮、骨應(yīng)力刺激消失、骨骼血液供應(yīng)不足等引起大鼠承重骨骨礦鹽大量丟失，給與中藥干預(yù)后有可能增加骨骼血液供應(yīng)以及刺激成骨細(xì)胞活性或抑制破骨細(xì)胞活性而促進(jìn)大鼠的骨礦鹽沉積，促進(jìn)骨的礦化，增強(qiáng)BMD。但中藥復(fù)方對(duì)股骨和腰椎BMD的藥效有差異，可能與藥物劑量、給藥時(shí)間以及作用途徑有關(guān)。

由于單純骨礦鹽含量測(cè)定不能表現(xiàn)骨結(jié)構(gòu)和材料特征的變化，因此結(jié)合骨力學(xué)指標(biāo)測(cè)定可以更全面評(píng)價(jià)骨質(zhì)量，反映骨骼抗骨折能力。最大載荷和彈性載荷反映骨結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，他們的變化反映骨小梁質(zhì)量、結(jié)構(gòu)連續(xù)性和皮質(zhì)厚度的改變[4]。撓度是骨骼柔韌性指標(biāo)，其數(shù)值的大小與骨基質(zhì)膠原蛋白含量高低有關(guān)。對(duì)于受試骨骼來說，單獨(dú)考慮撓度并不能說明受試骨骼的質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)具體的情況來綜合分析。失重及模擬失重下骨骼力學(xué)特性(如硬度、強(qiáng)度、柔韌性、彈性及扭轉(zhuǎn)力)皆有下降，尤其是扭轉(zhuǎn)力的下降最為顯著。Cosmos飛行發(fā)現(xiàn)大鼠股骨和脊柱的力學(xué)性能下降[5]。馬氏等[6]于尾吊大鼠模型模擬失重90 d后測(cè)量長骨的生物力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，股骨的強(qiáng)度、硬度、剛度各項(xiàng)參數(shù)均較對(duì)照顯著下降。在本實(shí)驗(yàn)中，模型組大鼠股骨、腰椎力學(xué)強(qiáng)度均降低，中藥中劑量組可明顯增加腰椎最大載荷和彈性載荷。提示中藥復(fù)方通過增加BMD，增強(qiáng)骨力學(xué)強(qiáng)度而有效防止骨折發(fā)生，而對(duì)最大撓度和彈性撓度沒有顯著影響，可能與中藥復(fù)方對(duì)骨基質(zhì)膠原蛋白含量影響不明顯有關(guān)。

在本實(shí)驗(yàn)中，中藥復(fù)方中劑量組比低劑量組和高劑量組更明顯增加BMD和骨力學(xué)強(qiáng)度，因此，我們選擇中藥復(fù)方中劑量組，從骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)方面進(jìn)一步考察了該方的療效。骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)是新近發(fā)展起來的一種骨組織定量研究方法，它將骨組織切片中二維圖像展示的骨組織形態(tài)轉(zhuǎn)化為數(shù)量資料，從而得出較多的定量結(jié)構(gòu)信息，可從組織和細(xì)胞水平了解骨結(jié)構(gòu)的變化情況。而骨組織的力學(xué)特征不僅決定于骨質(zhì)的密度，還與骨小梁的微觀結(jié)構(gòu)有著非常密切的關(guān)系。目前有關(guān)骨形態(tài)及結(jié)構(gòu)的研究證明，失重狀態(tài)下骨結(jié)構(gòu)的變化包括骨小梁變薄、數(shù)目減少、成骨細(xì)胞的數(shù)目和活動(dòng)減少等[7]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型組大鼠骨小梁結(jié)構(gòu)及其形態(tài)發(fā)生明顯改變，骨小梁明顯變細(xì)，骨小梁體積百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁礦化率明顯降低，部分骨小梁中斷而逐漸被吸收，骨小梁之間的距離變寬，骨小梁的連接遭到破壞，失去原來的三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致松質(zhì)骨的整體力學(xué)強(qiáng)度下降。提示模擬失重可抑制大鼠松質(zhì)骨類骨質(zhì)的形成和礦化，對(duì)骨吸收影響不大，表明模擬失重使骨形成減少而導(dǎo)致骨的丟失。經(jīng)中藥治療后，骨小梁數(shù)目增加、變粗、間隙減小，骨小梁體積百分比和形成表面百分比及礦化率等明顯增加，表明中藥復(fù)方能明顯的促進(jìn)模擬失重大鼠類骨質(zhì)的形成和礦化，改善骨的顯微結(jié)構(gòu)，從而增加了骨量和提高了骨的強(qiáng)度。

綜上，中藥復(fù)方可以有效改善失重性骨丟失，有效促進(jìn)骨的形成和礦化過程，增加BMD以及增強(qiáng)骨力學(xué)強(qiáng)度，從而達(dá)到防治骨丟失的作用。表明該中藥復(fù)方對(duì)防治失重性骨丟失方面具有一定的應(yīng)用意義，有待于細(xì)胞水平和分子水平的深入研究。

參考文獻(xiàn)

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第4篇：骨的生物力學(xué)特性范文

【摘要】

目的：觀察大鼠急性脊髓損傷后大劑量甲基強(qiáng)的松龍（methylprednisolone，MP）沖擊療法對(duì)大鼠骨密度及生物力學(xué)的影響。方法: 46只成年健康SD大鼠隨機(jī)分為對(duì)照組、模型組、治療組等3組。按改良Allen's法建立大鼠急性脊髓損傷模型。治療組傷后 30min 經(jīng)腹膜腔注入MP30mg／kg，以后每小時(shí)注入 MP5.4mg／kg，維持24h；模型組應(yīng)用生理鹽水替代 MP，處理方法同治療組。觀察模型組與治療組大鼠在傷后1、3和6個(gè)月 BBB 運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分、各組L4椎體、股骨不同部位骨密度及生物力學(xué)參數(shù)的變化。結(jié)果: 術(shù)后各時(shí)間點(diǎn)模型組與治療組BBB 評(píng)分總體呈增高趨勢(shì)，治療組在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)BBB 神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分均優(yōu)于模型組（P

【關(guān)鍵詞】 急性脊髓損傷；甲基強(qiáng)的松龍；骨質(zhì)疏松；骨密度；生物力學(xué)

［ABSTRACT］ Objective: To investigate the effect of high dose MP on bone density and biomechanics changes after acute spinal cord injury（ASCI）．Methods: A total of 46 adult rats were randomly pided into three groups， namely， the control group (CG)， the model group (MG)， and the experimental group (EG). After anesthesia， T8 vertebrae plate resection were performed to rats in both CG and EG with spinal cords injury by Allen method. Thirty minutes after ASCI， the subjects in experimental group received MP injection through intraperitoneal with dosage of 30 mg/kg. Then a dosage of 5.4 mg/kg of MP was given through intraperitoneal injection every hour in 24 hours. The subjects in the model group received normal saline instead of MP with the same method. A detection of both Basso， Beattie and Bresnahan (BBB) locomotor rating scaling， bone density and biomechanics was performed to the L4 vertebral body and the femur of rats 1， 3 and 6 months following operation， respectively. Results: BBB scale: after operation， the scale of groups MG and EG was increased over time; group EG was significantly higher than group MG from 1， 3， 6 month (P< 0.05， P

［KEY WORDS］ Acute spinal cord injury；MP；Osteoporosis；Bone density；Biomechanics

急性脊髓損傷（acute spinal cord injury，ASCI）是一種嚴(yán)重的損傷，其病死率、致殘率很高。傷后大劑量甲基強(qiáng)的松龍（methylprednisolone，MP）沖擊是目前急性脊髓損傷公認(rèn)治療方法，它的作用機(jī)制復(fù)雜。甲基強(qiáng)的松龍?jiān)缙诳梢燥@著增加神經(jīng)系統(tǒng)興奮性，改善脊髓血流量，減輕組織損傷［1，2］，但其遠(yuǎn)期對(duì)患者的影響不明確。筆者以通過改良Allen’s法［3］建立大鼠脊髓損傷動(dòng)物模型，研究大鼠脊髓損傷MP治療前、后骨密度及生物力學(xué)改變情況，推測(cè)大劑量 MP 治療對(duì)患者遠(yuǎn)期療效的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

46只雌性 SD 大鼠，體質(zhì)量（250±10）g；4％多聚甲醛 PBS（磷酸緩沖液）固定液；甲基強(qiáng)的松龍注射用粉劑（法瑪西亞普強(qiáng)有限公司）；DPXL型雙能 X 射線骨密度儀（美國Lunar 公司）；858 Mini Bionix 型生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)（美國MTS公司）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 分組與造模

46只雌性SD大鼠隨機(jī)等分為對(duì)照組（control group，CG）6只，模型組(model group，MG)20只，治療組（experimental group，EG）20只。造模：將大鼠腹腔麻醉后，常規(guī)消毒，以T8棘突中心作長約3cm切口，暴露硬脊膜，采用改良Allen’s裝置制備脊髓急性打擊傷動(dòng)物模型，損傷力度為10g×2.5cm。模型制作成功判定標(biāo)準(zhǔn)：打擊后損傷處脊髓出血、水腫，大鼠出現(xiàn)擺尾反射，雙下肢及軀體回縮樣撲動(dòng)，麻醉清醒后雙下肢呈弛緩性癱瘓。治療組傷后30min 腹膜腔注入MP30mg/kg， 以后每小時(shí)注入MP5.4mg/kg，連續(xù)注射24h。 模型組以生理鹽水替代MP，按治療組同樣方法給藥。致傷后每日按壓大鼠膀胱促進(jìn)排尿，定時(shí)喂食。

1.2.2 神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分

評(píng)分觀察者為非本試驗(yàn)組員。在損傷后1、3、6個(gè)月參照 BBB(basso beattie bresnahan locomotor rating scale，BBB) 神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分法［4］綜合評(píng)定MG組和EG 組的功能。最小值為 0 分，表示神經(jīng)行為功能完全喪失；最大值為 21 分，表示行為功能完全正常。

1.2.3 骨密度及生物力學(xué)檢測(cè)

分別于術(shù)后1、3、6個(gè)月，在麻醉狀態(tài)下對(duì)各組大鼠用雙能X射線骨密度儀的小動(dòng)物測(cè)量軟件測(cè)定右股骨、腰4椎體的骨密度。術(shù)后6個(gè)月處死大鼠后取各組大鼠的右側(cè)股骨及腰4椎體，去除表面附著軟組織，用生理鹽水浸濕的紗布包裹后置于20℃冰箱保存。力學(xué)檢測(cè)前室溫解凍標(biāo)本，使用生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行股骨3點(diǎn)彎曲和腰椎結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。股骨3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)跨距2mm，加載速度為2mm/min，腰椎結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)加載速度為1mm/min，勻速加載直至標(biāo)本斷裂。每個(gè)樣本放置在儀器上的位置及方向保持一致。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用 SPSS 12.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較采用t檢驗(yàn)，P

2 結(jié)果

2.1 動(dòng)物一般情況

模型組和治療組造模后，大鼠雙側(cè)下肢癱瘓，模型組及治療組各有5只在造模1個(gè)月內(nèi)死亡，模型組有1只在第60天死亡，故均未列入統(tǒng)計(jì)。

2.2 大鼠神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分

治療組在1、3、6個(gè)月 BBB 神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分均優(yōu)于模型組，兩組相比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P< 0.05，P < 0.01)，見表1。 表1 各組大鼠脊髓損傷后后肢功能 BBB 評(píng)分 （略）

2.3 各組骨密度測(cè)定

術(shù)后1、3、6個(gè)月，模型組及治療組大鼠右側(cè)股骨、第4腰椎骨密度明顯下降，與對(duì)照組相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P< 0.05，P

2.4 各組大鼠股骨3點(diǎn)彎曲和腰椎結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)定

術(shù)后6個(gè)月，模型組及治療組大鼠右側(cè)股骨、第4腰椎骨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均顯著降低，與對(duì)照組相比有極顯著性差異(P

3 討論

海南醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào) Vol.16 No.7 Jul.2010ASCI是一種嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷。目前臨床治療急性脊髓損傷均按全美急性脊髓損傷隨機(jī)受控臨床試驗(yàn)的方案進(jìn)行治療。糖皮質(zhì)激素藥物MP是目前臨床上用于干預(yù)性治療急性脊髓損傷的首選藥物，其防止繼發(fā)性脊髓損傷的作用機(jī)制可能與抑制脂類過氧化有關(guān)物，中和氧自由基，防止神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)蘇［1，57］。文獻(xiàn)報(bào)道［8］大部分患者都能耐受大劑量MP沖擊治療，部分患者治療時(shí)短時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)激素應(yīng)用的不良反應(yīng)，但其對(duì)患者的遠(yuǎn)期影響還有待進(jìn)一步研究。本實(shí)驗(yàn)通過脊髓損傷后模型組與治療組神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分、骨密度及生物力學(xué)的測(cè)定，對(duì)2組骨大鼠骨質(zhì)疏松的差異進(jìn)行分析，了解ASCI早期大劑量應(yīng)用甲基強(qiáng)的松龍對(duì)患者的遠(yuǎn)期影響。

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模型組大鼠神經(jīng)功能受損后隨著時(shí)間延長有所恢復(fù)，但比治療組差，大劑量MP可以提高運(yùn)動(dòng)和感覺恢復(fù)，特別是不完全脊髓損傷患者，這也與目前臨床應(yīng)用結(jié)果相一致［9，10］。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)造模后1、3、6個(gè)月，模型組及治療組的骨密度明顯下降，這與國內(nèi)外研究相同［1113］。實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)造模6個(gè)月后，治療組股骨及腰椎的骨密度要低于模型組，具有顯著性差異，這說明大劑量MP遠(yuǎn)期有可能會(huì)加快骨質(zhì)疏松的進(jìn)程。

骨生物力學(xué)反映骨對(duì)抗外力作用的強(qiáng)度，集中體現(xiàn)了骨的材料特性和結(jié)構(gòu)特性，骨質(zhì)疏松時(shí)由于骨量減少與骨結(jié)構(gòu)的改變，直接影響骨的生物力學(xué)性能，使骨強(qiáng)度降低［14］，增加骨折的危險(xiǎn)性。因此，測(cè)定骨的生物力學(xué)性能的變化是評(píng)價(jià)骨質(zhì)疏松癥的一個(gè)重要和特殊的指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)術(shù)后6個(gè)月，模型組右側(cè)股骨的3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、第4腰椎壓碎試驗(yàn)結(jié)果要優(yōu)于治療組，說明大劑量MP對(duì)大鼠遠(yuǎn)期骨的生物力學(xué)有影響。

以上結(jié)果表明，早期大劑量MP治療ASCI對(duì)于阻止或減少脊髓繼發(fā)損傷，保留脊髓殘存功能，提高患者生存質(zhì)量有重要意義，是治療急性脊髓損傷的一項(xiàng)有效措施，值得進(jìn)一步的深入研究和應(yīng)用。但大劑量MP治療過程中，有可能加重骨量丟失，加速患者骨質(zhì)疏松的進(jìn)程，應(yīng)建議患者盡量早期進(jìn)行各種功能鍛煉，配合預(yù)防骨質(zhì)疏松藥物的長期應(yīng)用，這樣才能提高沖擊療法的安全性和有效性。

參考文獻(xiàn)

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第5篇：骨的生物力學(xué)特性范文

【關(guān)鍵詞】跟痛癥; 跖腱膜炎

Plantar fasciitis heel pain caused by Plantar aponeurositis

LIU Zhan-qi.Shuozhoushuocheng People’s Hospital of Shanxi,Shuozhou 036002,China

【Abstract】 Objective To investigate the etiology of heel pain.Methods 60 patients with pain plantar fascia in patients treated with needle knife.Results The plantar fascia to release results were satisfactory.Conclusion The incidence of pain with plantar fasciitis has close contact.

【Key words】

Pain with plantar fasciitis; Plantar aponeurositis

跟痛癥在臨床上多發(fā)、常見,筆者經(jīng)多年治療研究,認(rèn)為其發(fā)病多由足底跖腱膜誘發(fā),相應(yīng)改進(jìn)了治療方法,減輕了患者的痛苦,筆者就2005年7月至2009年7月收治的60例跟痛癥患者臨床治療與研究報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組60例68足,男49例,女11例,年齡34~67歲。其中單側(cè)左足是30例、右足26例,雙足4例,病種4個(gè)月至3年。

1.2 臨床表現(xiàn) 患者足跟休息痛或懸起行走時(shí)痛,休息后好轉(zhuǎn),久站或活動(dòng)量增加時(shí)加重,有的伴有酸脹、麻木,下肢沉重感。壓痛點(diǎn)多較廣泛,以跟內(nèi)側(cè)、跟骨結(jié)節(jié)及跖腱膜附著處為主,病程多反復(fù)且漸重。

1.3 X線檢查 跟骨底無骨刺或有輕微骨刺。多數(shù)患者跟骨骨質(zhì)疏松。

1.4 診斷標(biāo)準(zhǔn) 參照高等中醫(yī)要院校骨傷專業(yè)教材 《中醫(yī)筋傷學(xué)》擬定:①根底疼痛,功能受限,行走困難;②查體跟底或跟骨內(nèi)側(cè)結(jié)節(jié)處有局限性壓痛點(diǎn)或全足跟有壓痛;③力線顯示跟底有或無骨刺樣增生物;④排除骨關(guān)節(jié)炎、創(chuàng)傷性、關(guān)節(jié)炎跟腱滑膜炎、跟骨骨髓炎、骨結(jié)核、骨感染、骨腫瘤引起的跟痛病變。

1.5 治療方法 ①熱敷理療按摩或局部注射藥物封閉;②針刀松解跖腱膜(如有跟骨高壓癥行鉆孔減壓)[1]。

1.6 療效標(biāo)準(zhǔn) 治愈:臨床治愈,足跟痛和麻木等癥狀,體征完全骨化,6個(gè)月以上無復(fù)發(fā);好轉(zhuǎn):顯效,癥狀、體征基本消失,長時(shí)間激烈活動(dòng)后疼痛出現(xiàn);有效:癥狀、體征減輕,負(fù)重或激烈活動(dòng)后疼痛加重;無效:癥狀、體癥無改善。

2 結(jié)果

本組隨訪6個(gè)月~1年,均熱敷理療按摩封閉效果不佳后行針刀松解跖腱膜。術(shù)后6個(gè)月結(jié)果:其中治療31例33足,好轉(zhuǎn)12例17足,有效3例,有效率76.7%。其余14例14足1年結(jié)果:治愈13例13足,好轉(zhuǎn)1例1足,總有效率達(dá)100%。

3 討論

3.1 正常人足底是不平的,足底的弓行結(jié)構(gòu)使人體負(fù)重時(shí)足部具有彈性。足的縱弓是由跖腱膜維持的,跖腱膜旗子跟骨底面的結(jié)節(jié),向前伸展,最后分成5股,分別止于5個(gè)足趾的趾骨上。跖腱膜與足弓之間的關(guān)系就如弦和弓。因此,人在站立、行走時(shí),跖腱膜受到弦牽拉力,弓維持足弓的正常結(jié)構(gòu),如此,跖腱膜及跟骨骨膜容易拉傷,另外,跟骨結(jié)節(jié)也是足的負(fù)重點(diǎn),人體重量相當(dāng)大一部分集中在跟骨結(jié)節(jié)上,這也是跖腱膜容易拉傷的原因之一。中老年人跖腱膜彈性減弱,跟骨骨質(zhì)疏松,是易患此病的內(nèi)因。突然長途行走或長時(shí)間站立勞動(dòng)是跟痛癥發(fā)病的常見誘發(fā)因素。足跟是人體負(fù)重的集中區(qū),拉傷后周圍軟組織可出現(xiàn)炎癥反應(yīng)。因足跟周圍軟組織堅(jiān)韌,疼痛較重,軟組織拉傷后再負(fù)重可進(jìn)一步加重拉傷。

3.2 發(fā)病機(jī)制 足跟痛臨床多見,其根本原因是足的生物力學(xué)平衡異常,當(dāng)跖腱膜承受了超過起生理限度的作用力時(shí),這種反復(fù)長期的超負(fù)荷將誘發(fā)炎癥,形成褪變、纖維化,導(dǎo)致跖腱膜炎。久之,跖腱膜于跟骨附著點(diǎn)鈣鹽沉積,鈣化和骨化形成骨刺[2]。

以往一般認(rèn)為骨刺是引起疼痛的主要原因,然而,部分患者X無異常表現(xiàn),臨床上缺乏專有體征,有骨刺者可無癥狀,有癥狀者可無骨刺。本組病歷患者大都病程長,癥狀反復(fù)并漸加重,X線B超70%患者無特異表現(xiàn),以骨刺解釋跟痛缺乏根據(jù)?，F(xiàn)普遍認(rèn)為跟痛癥的病因是多方面的,包括與體胖、勞累、寒濕、外傷、骨刺或繼發(fā)無菌性炎癥有關(guān),跟痛癥與跖腱膜及周圍的軟組織的炎癥有關(guān),足跟墊和足底腱膜組織有獨(dú)特的生物力學(xué)特性,足跟位于身體最低點(diǎn),血液回流困難,任何原因引起的跖腱膜拉傷或足跟內(nèi)壓升高,造成微循環(huán)變化和血液變異常,是引起跟痛癥的主要原因。因而跟痛癥發(fā)病與跖腱膜炎有著密切的關(guān)系。

3.3 療效分析 采用跖腱膜松解術(shù),使跖腱膜恢復(fù)原有狀態(tài),重新達(dá)到生理平衡,臨床效果滿意[3]。通過臨床病例觀察研究,跟痛癥的發(fā)病主要與跖腱膜拉傷、攣縮、粘連、瘢痕、鈣化等引起的生物力學(xué)等失衡有關(guān),通過松解、減壓治療,帶來新的血供,改善了局部的微循環(huán),從而緩解癥狀。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉捷,劉劍弦.針刀治療跟骨骨刺200例.中國針刀醫(yī)學(xué),2008,2,116.

第6篇：骨的生物力學(xué)特性范文

[關(guān)鍵詞]下頜角截骨整形;三維有限元;生物力學(xué)

[中圖分類號(hào)]R782.2[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1008-6455(2010)03-0344-04

Establishment of three-dimensional finite element model for mandibular angle osteotomy

ZHANG Jin1, LUO Qi 1, WANG Jing-peng1, LIU Da-lie1, HUANG Shi-qing2

(1.Department of Plastic Surgery,Zhujiang Hospital,the South Medical University, Guangzhou 510282,Guangdong,China;2.Institute of Applied Mechanics,Jinan University, Guangzhou 510632, Guangdong,China)

Abstract:ObjectiveTo study the biomechanics of mandibular angle osteotomy, a more precise method for establishment of the three-dimensional (3D) finite element model of edentulous mandible and Temporomandibular Joint (TMJ) is presented.MethodsThe CT images of a young female volunteer were analyzed and managed with DICOM standard and Mimics software. Tension-only Link10 element and contact element were both used for boundary condition in ANSYS software.ResultsA whole 3D finite element model comprising the mandible, TMJ, muscles and ligaments was established. Conclusion A 3D finite element model of mandible and TMJ with highly biomechanical similarity was established for the further study of the biomechanics in the mandibular angle osteotomy.

Key words: mandibular angle osteotomy; 3D finite element method; biomechanics.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步,有限元法逐漸成為力學(xué)研究中最為重要的分析方法之一,并廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域,近年來在生物力學(xué)研究中也得到廣泛的應(yīng)用。由于生物體在幾何形狀和材料性質(zhì)上的特殊性和復(fù)雜性,快速、準(zhǔn)確地建立生物組織結(jié)構(gòu)的三維有限元模型是生物力學(xué)有限元研究的難題,同時(shí)也是進(jìn)行三維有限元分析的基礎(chǔ)。以往的生物力學(xué)研究由于有限元模型建立手段的限制,只能采取手工或者多種軟件結(jié)合方式針對(duì)單一組織結(jié)構(gòu)建立具有共性的有限元模型。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的進(jìn)步計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的發(fā)展,使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化影像文件結(jié)合單一軟件建立三維有限元模型成為可能。本文應(yīng)用薄層CT掃描技術(shù),采用DICOM標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入Mimics軟件處理,最終應(yīng)用Ansys有限元軟件快速有效建成無牙下頜骨和TMJ三維有限元模型。

1材料和方法

1.1 樣本來源:選擇顱頜系統(tǒng)發(fā)育正常的健康女性青年志愿者,I類磨牙關(guān)系,牙周健康,無TMJ 疾患。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備:①CT掃描機(jī):采用飛利浦Brilliance 64排螺旋CT 掃描機(jī);②試驗(yàn)所用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件配置:CPU Core 2 雙核2.8G,4G DDR2內(nèi)存,640G硬盤;③試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng):Windows XP Professional Sp3;④試驗(yàn)用軟件:Mimics12.0(Materialise's Interactive Medical Image Control System):Ansys12.0(Analysis System)。

1.3 方法

1.3.1 CT掃描:頭顱固定架對(duì)患者頭顱進(jìn)行固定,進(jìn)行顱頜面(全顱)的軸向斷層掃描,連續(xù)無間隔掃描。掃描基準(zhǔn)線平行于眶-耳平面。層厚0.67mm,掃描參數(shù)為120kV,230mas,掃描矩陣512×512。顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)及下頜骨連續(xù)進(jìn)行170 層掃描。所得圖像經(jīng)聯(lián)機(jī)工作站處理DICOM格式數(shù)據(jù)文件,刻錄存盤。

1.3.2 CT圖像的處理:CT掃描所獲得DICOM格式數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Mimics12.0軟件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求通過對(duì)蒙罩(Mask)的分割(segementation)操作,在CT圖像上確定需要進(jìn)行三維成像的組織結(jié)構(gòu)邊界,提取出不含下牙列的下頜骨和顳下頜關(guān)節(jié)窩,設(shè)定參數(shù)后重建三維圖像。得到的三維模型是原始三維表面模型,表面粗糙,直接利用其進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分將會(huì)產(chǎn)生單元形狀畸形,單元數(shù)量過多等問題,影響到后續(xù)力學(xué)計(jì)算的速度和結(jié)果分析精確性。因此必須利用Mimics的Remesh模塊對(duì)三維模型的表面進(jìn)行平滑(smooth),見圖1。再通過Remesh模塊對(duì)模型表面的三角形面片數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。表面三角形數(shù)量由126178減少到18008個(gè),且三角形底邊與高之比均大于0.3,符合有限元分析要求,見圖2。

1.4 三維有限元模型建立:將優(yōu)化好的表面網(wǎng)格輸出為Ansys12.0軟件可以識(shí)別的Ansys element文件,在Ansys12.0導(dǎo)入該文件,選擇10節(jié)點(diǎn)四面體單元Solid92進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分,生成實(shí)體模型,共生成161788單元189057節(jié)點(diǎn)。

材料力學(xué)參數(shù):下頜骨的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及其他組織(髁突軟骨、關(guān)節(jié)盤等)均為各向同性、均勻連續(xù)的線彈性材料。骨組織力學(xué)參數(shù)由下頜骨CT值計(jì)算得出。利用頜骨CT值、表觀密度和骨彈性模量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)構(gòu)成骨的像素的灰度值(CT值)來進(jìn)行插值計(jì)算,得到此骨的表觀密度,并由表觀密度推算出它的彈性模量[1]。

在本模型中,骨表觀密度由CT值(Hounsfield)導(dǎo)出。根據(jù)以下公式計(jì)算出單元的表觀密度 :

骨組織彈性模量由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

由已知水的CT值和表觀密度,皮質(zhì)骨平均CT值和表觀密度,取已知皮質(zhì)骨最大彈性模量,公式(2)簡化為:

則得,k =4249 GPa(g/cm3)-3,

由于不同部位下頜骨皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的CT值有一定變化,所以測(cè)量下頜骨五個(gè)部位,求得皮質(zhì)骨最大CT值平均為1600HU,松質(zhì)骨最大CT值平均為600HU,導(dǎo)入公式(1)和(3)計(jì)算出該模型皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的彈性模量分別為14963.78 MPa和1179.75MPa。

將Ansys前處理模塊中生成的實(shí)體模型導(dǎo)回,在Mimics的FEA模塊中根據(jù)下頜骨各單元CT值分別賦材料性質(zhì)。

1.5 模型的邊界約束設(shè)計(jì):對(duì)咀嚼肌、下頜韌帶采用桿單元模擬其約束,桿單元材料定義為只受拉不受壓的非線性材料,單元橫截面積與各自模擬的肌肉和韌帶截面積相同。根據(jù)Spronsen等[5-6]的研究結(jié)果獲得咀嚼肌的有關(guān)參數(shù)(見表1)。參考周學(xué)軍等[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,獲得關(guān)節(jié)韌帶的參數(shù)(表2),并采用“面-面接觸對(duì)” 模擬牙合面和關(guān)節(jié)窩之間的連接。

2結(jié)果

建立了一個(gè)包括下頜骨、顳下頜關(guān)節(jié)、肌肉和韌帶的下頜骨三維有限元總體模型,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)不同需要調(diào)用,見圖3。

3討論

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)性應(yīng)力分析相比,有限元技術(shù)具有更多的優(yōu)點(diǎn)。但有限元方法分析結(jié)果受諸多因素的影響。例如:模型的相似性,單元?jiǎng)澐值拇旨?xì)程度,載荷情況及邊界條件與真實(shí)情況的差異等,均影響分析結(jié)果的精確性[8]。提高有限元分析結(jié)果的可靠性,模型精確程度及邊界條件設(shè)置等都是十分重要的。由于牙頜組織中的牙齒、牙周膜、牙槽骨、頜骨以及修復(fù)體的結(jié)構(gòu)外形多樣性、不規(guī)則性、受力的復(fù)雜性,如何準(zhǔn)確獲取上述結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)并將其計(jì)算機(jī)數(shù)字化,建立完整準(zhǔn)確的下頜骨三維有限元模型是有限元分析能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

生物體三維有限元建模方法經(jīng)歷了數(shù)代演進(jìn),主要包括:①磨片、切片法[9-10];②三維測(cè)量法[11-12];③CT圖像處理法;④DICOM數(shù)據(jù)直接建模法等[13]。磨片、切片法是破壞性建模方法并且磨切片厚度難以控制,圖像的拍攝處理,邊緣提取等環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生誤差,因此該方法目前很少采用。三維掃描測(cè)量的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的成本高,數(shù)據(jù)采集后處理的時(shí)間長,生成CAD模型后還要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后才能供有限元建模使用,且測(cè)量只能得到表面數(shù)據(jù),不能夠區(qū)分結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的變化,更適用于實(shí)物的測(cè)量反求。CT圖像處理方法需要人工把CT膠片上的每一張圖像掃描轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的位圖格式,并且使用圖像處理軟件中人工定位配準(zhǔn)。不僅需要花費(fèi)大量的人力、物力,而且在通過膠片掃描傳遞數(shù)據(jù)的過程中容易丟失很多信息;配準(zhǔn)精度也直接影響著所建立模型精確性[13-15]。

本實(shí)驗(yàn)采用DICOM數(shù)據(jù)直接建模法其過程為:①CT掃描輸出DICOM格式數(shù)據(jù)文件;②DICOM數(shù)據(jù)的讀入專用軟件。分割圖像,生成3D模型,優(yōu)化表面網(wǎng)格;③通過與有限元分析軟件的良好的數(shù)據(jù)接口,直接導(dǎo)入有限元分析軟件前處理模塊生成體網(wǎng)格;④根據(jù)各單元的CT值給單元賦材料性質(zhì);⑤最后將賦完材料性質(zhì)的實(shí)體導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行裝配,完成建模。

DICOM格式數(shù)據(jù)文件直接建模,可以直接讀取數(shù)據(jù)并處理,避免反復(fù)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出,文件格式的轉(zhuǎn)換造成的數(shù)據(jù)失真或丟失,大大提高了模型的精確度。本研究將DICOM數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Mimics軟件直接生成三維模型,再通過Ansys element文件接口將模型導(dǎo)入Ansys12.0,由表面單元直接生成體單元,避免了過去由面生成體以后再劃分體單元,造成的體單元質(zhì)量下降。利用DICOM文件中包含的CT值信息,根據(jù)模型每個(gè)單元密度賦材料性質(zhì),使數(shù)據(jù)得到最大限度的利用。避免了過去建模中將皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨進(jìn)行分割,分別建模的繁瑣,同時(shí)極大提高了模型的精度。

三維有限元模型的幾何相似性、單元的大小、形狀、數(shù)目、載荷情況、邊界條件與真實(shí)情況的差異等,均影響應(yīng)力分析結(jié)果。目前根據(jù)不同研究需要已建立的下頜骨三維有限元模型[7, 16-18],邊界約束設(shè)計(jì)也各不相同,周學(xué)軍等[7]考慮到肌肉的柔索性質(zhì),即只能限制物體沿著柔索伸長方向的運(yùn)動(dòng),而不能限制物體在其他方向的運(yùn)動(dòng)[19],采用纜索元模擬肌肉約束,更符合分析下頜骨經(jīng)矯形力作用下的受力情況。史真等建立了下頜牽張成骨三維有限元模型[20],李勇等正常人下頜升支矢狀截骨術(shù)的三維有限元模型[21]李慧超建立了下頜角整形手術(shù)術(shù)前術(shù)后模型[22],Frivo等建立了單側(cè)TMJ有限元模型[23]。柳大烈等建立了咬肌牽動(dòng)的顴骨復(fù)合體三維有限元模型用于研究顴骨縮小整形手術(shù)的生物力學(xué)[24]。因此,本實(shí)驗(yàn)在ANSYS軟件中采用只受拉的Link10單元模擬咀嚼肌及韌帶的約束。此外,與以往主要研究咬合力的有限元模型不同的是,在研究下頜角整形手術(shù)時(shí),必須考慮顳下頜關(guān)節(jié)及其韌帶作用,本實(shí)驗(yàn)在模擬嚼肌、顳肌、翼內(nèi)肌和翼外肌約束的同時(shí),模擬了顳下頜關(guān)節(jié)韌帶包括顳下頜韌帶、莖突下頜韌帶、蝶下頜韌帶對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)的約束,提高了模型的生物和力學(xué)相似性。為進(jìn)一步研究下頜截骨整形手術(shù)提供了基礎(chǔ)。

下頜角截骨整形的一種方法是通過沿截骨線進(jìn)行鉆孔后鑿斷。目前用有限元法模擬下頜截骨整形手術(shù)的研究還鮮見報(bào)道。Remmler等[25]用有限元法建立預(yù)測(cè)模型,進(jìn)行顱面部牽張成骨的術(shù)前分析,認(rèn)為有限元法能以數(shù)學(xué)形式反映顱面組織的材料特征、物理特征和反應(yīng)特性,可以模擬多種外科手術(shù)、生理活動(dòng)和頭部外傷。利用本模型的下一步實(shí)驗(yàn),擬通過布爾運(yùn)算模擬下頜角截骨,在下頜角部根據(jù)實(shí)驗(yàn)手術(shù)設(shè)計(jì)改變工況和邊界條件,加載沖擊載荷,模擬手術(shù)操作過程,分析不同條件下下頜骨及相關(guān)結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)變化。同時(shí)還可以模擬不同體積的下頜角骨組織截除后正常咬合時(shí)和下頜骨受到撞擊時(shí)生物力學(xué)性能的變化。

需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是,由于有限元需要對(duì)復(fù)雜的實(shí)體中的一些次要結(jié)構(gòu)和因素進(jìn)行簡化,再加上一些實(shí)驗(yàn)條件假設(shè),所以,有限元的計(jì)算結(jié)果的絕對(duì)值很難代表人體的真實(shí)值,而且生物體的個(gè)體差異也無法考慮到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?。目前尚無法達(dá)到完全模擬復(fù)雜的人體生物力學(xué)環(huán)境建立計(jì)算模型。

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第7篇：骨的生物力學(xué)特性范文

基金項(xiàng)目：2010年國家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目(10ZD&052)。

作者簡介：李世昌（1956-），男，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：骨組織運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的生物學(xué)。

摘 要：通過雌性大鼠去卵巢模型來模擬女性絕經(jīng)后的狀態(tài)，比較研究跳躍和游泳兩種不同方式運(yùn)動(dòng)對(duì)去卵巢大鼠骨的影響，以期為骨質(zhì)疏松的預(yù)防發(fā)現(xiàn)更為有效的運(yùn)動(dòng)模式。將32只3月齡SD雌性大鼠隨機(jī)分為4組：假手術(shù)組、安靜組、游泳組和跳躍組。其中安靜組、游泳組和跳躍組行卵巢摘除手術(shù)，假手術(shù)組只行假手術(shù)(即不摘除卵巢)。8周后，測(cè)定各組大鼠體重、骨密度(BMD)、骨生物力學(xué)和骨代謝相關(guān)指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與安靜組比較，跳躍組大鼠股骨BMD、最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、能量吸收和彈性應(yīng)力均顯著性升高；跳躍組大鼠血清Ca和抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)水平顯著性降低。與安靜組比較，游泳組大鼠除了血清Ca水平顯著性降低外(P

關(guān) 鍵 詞：運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)；運(yùn)動(dòng)方式；骨質(zhì)疏松；骨密度；生物力學(xué)；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G804.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7116(2012)02-0132-06

Effects of different ways of exercising on the bone mineral density and

bone biomechanical and metabolic indexes of ovariectomized rats

LI Shi-chang1，JI Liu1，LIU Ti-wei2，MA Tao3，CHEN Xiang-he1

（1.Key Laboratory of Adolescent Health Assessment and Exercise Intervention，Ministry of Education，College of Physical Education and Health，East China Normal University，Shanghai 200241，China；

2.Shanghai Xinhua Private Junior High School，Shanghai 200080，China；

3.Physical Education and Military Department，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China）

Abstract: By using a model of female rat ovariectomy to simulate women’s postmenopausal state, the authors compared and studied the effects of such two different ways of exercising as jumping and swimming on the bones of ovariectomized rats, hoping to find a more effective mode of exercising for preventing osteoporosis. The authors divided 30 3 months old female SD rats randomly into 4 groups: a sham operated group, a calm group, a swimming group and a jumping group, in which the calm group, swimming group and jumping group were operated for ovariectomy, while the sham operated group was just subjected to a sham operation (i.e. no ovariectomy). 8 weeks later, the weight, bone mineral density (BMD), bone biomechanics and bone metabolism related indexes of the rats in various groups were measured. The author revealed the following findings: as compared with the calm group, the BMD, maximum load, elastic load, destructive load, energy absorption and elastic stress of the femur of the rats in the jumping group increased significantly; the levels of blood serum Ca and tartrate-resistant acid phosphatase (STR-ACP) of the rats in the jumping group decreased significantly; as compared with the calm group, except that the blood serum Ca level of the rats in the swimming group decreased significantly (P

Key words: sports biochemistry；way of exercising；osteoporosis；bone mineral density；biomechanics；animal experiment

骨質(zhì)疏松是老年人中常見的一種慢性骨病，在絕經(jīng)后的女性中發(fā)病率更高。絕經(jīng)后婦女常發(fā)骨質(zhì)疏松癥的原因主要是其卵巢分泌雌激素減少，進(jìn)而導(dǎo)致一系列的反應(yīng)所致。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，體力勞動(dòng)者骨密度(BMD)高于腦力勞動(dòng)者，長年臥床者的BMD則會(huì)逐漸降低。運(yùn)動(dòng)作為一種經(jīng)濟(jì)有效的預(yù)防骨質(zhì)疏松癥的方法，越來越受到人們的重視。然而體育運(yùn)動(dòng)類型多種多樣，防治骨質(zhì)疏松較合理的運(yùn)動(dòng)方式是什么？不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目對(duì)于骨質(zhì)疏松的防治效果有什么差別？有關(guān)這方面的比較研究目前還不多見，有必要進(jìn)一步深入研究。

本研究通過大鼠去卵巢模擬女性絕經(jīng)后的狀態(tài)，比較游泳和跳躍兩種不同的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)于去卵巢大鼠骨代謝的影響，為預(yù)防老年人骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生提供理論上的支持。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與分組

3月齡雌性SD大鼠32只，購于上海斯萊克實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，平均體重280 g，隨機(jī)分為4組，即假手術(shù)組、安靜組、游泳組和跳躍組。其中安靜組、游泳組和跳躍組行卵巢摘除手術(shù)，假手術(shù)組只行假手術(shù)，不摘除卵巢。大鼠在25 ℃恒溫下分籠飼養(yǎng)，晝夜比1212，標(biāo)準(zhǔn)小鼠飼料，自由飲水、攝食。運(yùn)動(dòng)8周結(jié)束后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)試。

1.2 大鼠跳躍運(yùn)動(dòng)模型的建立[1]

自制的大鼠電刺激箱，將大鼠放在底板上，由生理刺激器給予一定強(qiáng)度的電刺激，讓大鼠跳上箱子一側(cè)專門設(shè)制的平臺(tái)，休息20 s，然后以平臺(tái)的高度垂直將大鼠重新落到底板上。再次給予通電，刺激大鼠再次跳躍，如此循環(huán)，直到完成預(yù)定的跳躍次數(shù)。一般經(jīng)幾次電刺激后，大鼠不需電刺激就會(huì)自動(dòng)跳躍到一側(cè)的高處平臺(tái)上。

1.3 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練安排

所有大鼠手術(shù)后適應(yīng)1周。1周后各組運(yùn)動(dòng)情況安排如下：

假手術(shù)組和安靜組大鼠在飼養(yǎng)籠中自由活動(dòng)。游泳組大鼠第1周前3 d游泳30 min，后3 d游40 min，從第2周開始每天游泳時(shí)間固定為45 min，每周訓(xùn)練6 d，共訓(xùn)練8周，游泳訓(xùn)練的玻璃水池為50 cm×60 cm×90 cm，水深40 cm，水溫為(29±1) ℃。跳躍組大鼠適應(yīng)性訓(xùn)練3 d后，跳躍高度和次數(shù)逐漸遞增，第3周時(shí)跳躍高度達(dá)到48 cm(約為大鼠2.3倍的體長)，每天跳躍20次。每周訓(xùn)練6 d，共訓(xùn)練8周。

1.4 動(dòng)物取材

經(jīng)8周訓(xùn)練，在最后1次訓(xùn)練完休息24 h后，所有大鼠被斷頸椎處死。心臟取血約5~8 mL，置于10 mL離心管中，低溫離心機(jī)以4 000 r/min離心7 min，溫度控制在4 ℃，取血清置于5 mL凍存管內(nèi)，放置于-80 ℃低溫冰箱內(nèi)保存待測(cè)。取右側(cè)股骨及腰椎骨(L1～L5)，去除骨上附著的軟組織，用浸透生理鹽水的紗布包裹好，放于－20 ℃冰箱保存待測(cè)。

1.5 測(cè)試指標(biāo)與方法

1)體重測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)過程中，每周日用電子稱測(cè)量各大鼠體重，并予以記錄。

2)血清生化指標(biāo)測(cè)定[2]。

取出保存于－80 ℃冰箱中的血清，檢測(cè)血清鈣、磷、堿性磷酸酶(ALP)及抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)的含量。試劑盒購自南京建成生物工程研究所，嚴(yán)格按照說明書進(jìn)行操作。血鈣測(cè)定利用鄰甲酚酞絡(luò)合酮比色法；血磷利用孔雀綠直接顯色法進(jìn)行測(cè)定，血清中ALP和STR-ACP利用酶標(biāo)法檢測(cè)。

3)BMD測(cè)定。

從－20 ℃冰箱中取出股骨和腰椎骨，室溫自然解凍，用Hologic Discovery A骨密度儀掃描股骨和腰椎(L1～L4)BMD。

4)骨生物力學(xué)指標(biāo)的測(cè)定。

將股骨放在津島AG―20KNA萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上，各測(cè)試樣本放置的位置及方向前后保持一致，支點(diǎn)跨距為20 mm，調(diào)整上壓頭接近股骨，以2 mm/min速度進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，直至骨折。股骨壓斷后，用游標(biāo)卡尺量取股骨斷裂處橢圓橫截面外層長軸、外層短軸、內(nèi)層長軸及內(nèi)層短軸的長度。

用剪刀小心剪除第5腰椎上下椎間盤、椎弓及突起，并用細(xì)砂紙打磨成上下平面平行且與縱軸垂直的三棱柱。用游標(biāo)卡尺測(cè)量椎體矢狀徑、冠狀徑和高度。然后將椎體置于津島AG―20KNA萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上，調(diào)整上壓頭接近椎骨，以2 mm/min的加載速度進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，直至出現(xiàn)椎體塌陷或壓縮性骨折時(shí)停止操作。

所測(cè)生物力學(xué)指標(biāo)包括結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)和材料力學(xué)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)又包括最大荷載、彈性荷載、破壞載荷、最大撓度、彈性撓度、破壞撓度、剛性系數(shù)和能量吸收，在載荷-變形曲線上直接讀取和計(jì)算。材料力學(xué)指標(biāo)包括最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、破壞應(yīng)力、最大應(yīng)變、彈性應(yīng)變、破壞應(yīng)變和彈性模量，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)結(jié)合骨的幾何形狀和尺寸計(jì)算得出。

1.6 數(shù)據(jù)處理

各組參數(shù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，使用軟件 SPSS11.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，組間差異顯著性采用方差分析的LSD(ONE WAY-ANOVA)進(jìn)行分析，以P

2 結(jié)果及分析

2.1 大鼠體重

各組大鼠在實(shí)驗(yàn)后體重均有明顯增加，尤其是前3周，去卵巢大鼠體重增加的幅度比假手術(shù)組明顯要大。3周后，各組大鼠體重增長趨于緩慢，甚至有時(shí)游泳組和跳躍組大鼠體重出現(xiàn)負(fù)增長(如圖1)。各組大鼠最終體重比較，安靜組((426.67±35.16) g)、游泳組((389.50±13.13) g)和跳躍組((394.67±17.99) g)均顯著高于假手術(shù)組((347.16±9.43) g)；游泳組和跳躍組均低于安靜組，但統(tǒng)計(jì)分析，游泳組與安靜組大鼠體重差異存在顯著性(P0.05)。

2.2 大鼠股骨和腰椎骨(L1～L4)BMD

安靜組股骨和腰椎骨BMD明顯低于假手術(shù)組，且差異有非常顯著性(P

2.3 大鼠股骨生物力學(xué)指標(biāo)

在結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)方面，跳躍組大鼠股骨最大載荷、彈性載荷、破壞載荷及能量吸收均明顯高于安靜組大鼠；跳躍組大鼠股骨彈性載荷和能量吸收明顯高于游泳組大鼠；游泳組和假手術(shù)組各指標(biāo)比安靜組有所升高，但差異沒有顯著性 (見表2)。

在材料力學(xué)指標(biāo)方面，跳躍組大鼠股骨彈性應(yīng)力明顯高于安靜組大鼠(P

2.4 大鼠血清Ca、P濃度和STR-ACP及ALP酶活力

跳躍組和游泳組血清中Ca濃度均明顯低于安靜組(P

3 討論

3.1 建立大鼠骨質(zhì)疏松模型

Kalu[3]的報(bào)道顯示，去卵巢大鼠的骨丟失與女性絕經(jīng)后的骨丟失過程相似。因此，可以將去卵巢大鼠作為女性絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松模型進(jìn)行研究，突破了以人做實(shí)驗(yàn)的局限性，更有利于骨質(zhì)疏松深層次的防治和研究。本實(shí)驗(yàn)中，與假手術(shù)組相比，安靜組大鼠股骨和腰椎BMD均明顯降低(P

3.2 運(yùn)動(dòng)對(duì)去卵巢大鼠體重的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，摘除卵巢后大鼠體重急劇上升，增長速度明顯快于假手術(shù)組，其中安靜組大鼠體重平均比假手術(shù)組高22.9%(P

有關(guān)研究表明，運(yùn)動(dòng)對(duì)大鼠去卵巢后體重的增加有一定的抑制作用，但這種抑制不能完全抵消摘除卵巢對(duì)體重的影響[5-6]。本研究也得出同樣的結(jié)果，與安靜組相比，跳躍組和游泳組大鼠體重都有所降低，其中游泳組體重平均比安靜組降低8.7%(P

3.3 運(yùn)動(dòng)對(duì)大鼠BMD、生物力學(xué)及骨代謝指標(biāo)的影響

骨密度(BMD)測(cè)定對(duì)于早期診斷骨質(zhì)疏松十分重要，是骨礦代謝中骨的量化指標(biāo)。當(dāng)BMD減少超過一定范圍時(shí)就會(huì)產(chǎn)生臨床上所表現(xiàn)的骨質(zhì)疏松。如股骨頸BMD每減少一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，其骨折危險(xiǎn)性就增加2.6倍[8]。因此，精確檢測(cè)BMD，對(duì)于判斷骨量水平，預(yù)防骨質(zhì)疏松造成的骨折具有十分重要的意義。

骨生物力學(xué)特性直接反映骨的內(nèi)在質(zhì)量和性能，它與骨量、骨體積、皮質(zhì)骨厚度和松質(zhì)骨小梁結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，是對(duì)骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的綜合反映[9－12]。骨是由無機(jī)質(zhì)與有機(jī)質(zhì)兩大部分組成，無機(jī)質(zhì)主要由無定形鈣磷混合物和鈣磷羥灰石晶體構(gòu)成，有機(jī)質(zhì)主要包括膠原蛋白、骨鈣蛋白、骨涎蛋白等。當(dāng)成骨細(xì)胞活性超過破骨細(xì)胞時(shí)，新骨不斷形成，鈣不斷被沉積到骨上，骨量不斷增加。由于破骨細(xì)胞代謝，同時(shí)又有大量骨細(xì)胞被分解，釋放鈣、磷等礦物質(zhì)到血液循環(huán)中。因此，通過測(cè)定血鈣、血磷的含量可間接了解骨代謝平衡的狀況。血漿中無機(jī)磷的含量水平影響骨吸收速率，血磷的穩(wěn)定是骨生長和礦化的必要條件。由于血鈣與血磷濃度有密切關(guān)系，當(dāng)血鈣以鈣鹽形式沉淀時(shí)，血鈣減少，相應(yīng)地血磷的濃度會(huì)上升。

堿性磷酸酶(ALP)是最常用的評(píng)價(jià)骨形成和骨轉(zhuǎn)換的指標(biāo)，是反應(yīng)成骨細(xì)胞的活躍程度的生物標(biāo)志物之一。ALP由成骨細(xì)胞分泌產(chǎn)生，主要存在于血清和骨中，而血清中ALP有50%來源于骨。當(dāng)成骨活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，成骨細(xì)胞分泌大量ALP，一部分參與骨的鈣化，一部分釋放到血液中。通常認(rèn)為血液中ALP升高是由代償性骨形成增強(qiáng)引起的。血漿抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)主要由破骨細(xì)胞產(chǎn)生釋放，主要存在于骨、前列腺、溶酶體、紅細(xì)胞、血小板及脾臟中。STR-ACP在骨吸收時(shí)對(duì)骨基質(zhì)的溶解起重要作用，當(dāng)骨吸收活躍時(shí)，反映在血中酶活性明顯升高。因此血漿中的STR-ACP水平可作為反映破骨細(xì)胞活性和骨吸收情況的重要指標(biāo)。

大量的研究表明，運(yùn)動(dòng)對(duì)骨具有重要影響，適宜的運(yùn)動(dòng)能有效增加骨量，改善骨健康。但不同運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)骨的影響也不盡相同。一般認(rèn)為，垂直面上的剪切力對(duì)于骨代謝的作用效果優(yōu)于側(cè)面對(duì)骨施加的載荷，在平時(shí)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程中承重練習(xí)和肌肉力量練習(xí)均能有效預(yù)防骨丟失，增加骨量。本研究中，跳躍組大鼠股骨在運(yùn)動(dòng)中有較強(qiáng)的垂直應(yīng)力刺激作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：與安靜組相比，跳躍組大鼠股骨BMD、最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、能量吸收和彈性應(yīng)力均顯著性升高，跳躍組大鼠血清Ca和STR-ACP水平也顯著性降低。這說明跳躍運(yùn)動(dòng)能提高去卵巢大鼠成骨細(xì)胞活性并能較好的抑制破骨細(xì)胞的代謝作用，從而抑制了血清STR-ACP水平的增加，有利于去卵巢大鼠骨細(xì)胞對(duì)鈣的吸收，從而降低大鼠血鈣的水平，促進(jìn)骨鈣化，增加BMD，最終使骨的內(nèi)在質(zhì)量和性能的提高，表現(xiàn)為生物力學(xué)指標(biāo)的改善。

與安靜組相比，游泳組大鼠除了血清Ca水平顯著性降低外，其他指標(biāo)雖有相應(yīng)變化趨勢(shì)，但不存在顯著性差異。這說明游泳運(yùn)動(dòng)對(duì)于去卵巢大鼠骨的刺激作用沒有跳躍運(yùn)動(dòng)明顯。分析其原因可能有以下兩個(gè)方面：跳躍時(shí)體重對(duì)下肢骨作用較大，屬于負(fù)重運(yùn)動(dòng)(WBPA，weight-bearing physical activity)，有縱向機(jī)械刺激。而游泳運(yùn)動(dòng)，盡管有骨骼肌的不斷收縮，肌肉對(duì)骨產(chǎn)生不斷的牽拉刺激，其刺激效果明顯的小于負(fù)重對(duì)骨的作用，屬于非負(fù)重運(yùn)動(dòng)(NWB，PA non-weight-bearing physical activity)。很多研究表明，WBPA比NWBPA對(duì)骨的刺激效果更明顯，如Emslander等[13]通過對(duì)21名跑步運(yùn)動(dòng)員、22名游泳運(yùn)動(dòng)員與20名非運(yùn)動(dòng)員的對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，跑步運(yùn)動(dòng)員的全身BMD和股骨頸BMD顯著高于其他兩組，而游泳運(yùn)動(dòng)員和非運(yùn)動(dòng)員之間沒有顯著性差別。

跳躍組大鼠下肢骨受到較強(qiáng)的地面反作用力，而游泳對(duì)于下肢骨的地面反作用力微乎其微。Pettersson等[14]比較研究了跳繩運(yùn)動(dòng)和足球運(yùn)動(dòng)對(duì)BMD影響的差異，他們發(fā)現(xiàn)跳繩運(yùn)動(dòng)組和足球運(yùn)動(dòng)組的BMD均顯著高于對(duì)照組，而且發(fā)現(xiàn)跳繩組的全身BMD和腰椎BMD均顯著高于足球組。以上說明跳躍運(yùn)動(dòng)時(shí)，骨在垂直面上所承受的載荷明顯大于其它運(yùn)動(dòng)方式，跳躍運(yùn)動(dòng)對(duì)于預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松具有良好的效果。

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第8篇：骨的生物力學(xué)特性范文

【摘要】 目的 尋求具有堅(jiān)強(qiáng)的生物力學(xué)強(qiáng)度、價(jià)格低廉、適用于國人下頸椎前路手術(shù)的內(nèi)固定器。方法 根據(jù)國外頸椎帶鎖鋼板(cervical spine locking plate，CSLP)特點(diǎn)，并加以改進(jìn)設(shè)計(jì)一種內(nèi)固定器。用16具新鮮豬頸椎制作頸椎損傷失穩(wěn)模型并隨機(jī)分成兩組，將所設(shè)計(jì)內(nèi)固定器與傳統(tǒng)AO“Ⅰ”形鋼板進(jìn)行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)比較。結(jié)果 所設(shè)計(jì)內(nèi)固定器固定組以C3～C5節(jié)段前屈、后伸、軸向旋轉(zhuǎn)和側(cè)彎方向的平均運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)較“Ⅰ”形鋼板固定組分別縮小了48.6%(P＜001)、48.3%(P＜0.05)、46.5%(P＜0.01)、52.1%(P＜0.01)。結(jié)論 所設(shè)計(jì)內(nèi)固定器在提供失穩(wěn)脊柱即時(shí)穩(wěn)定性方面優(yōu)越于“Ⅰ”形鋼板，為內(nèi)固定器應(yīng)用于臨床提供科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 內(nèi)固定器 下頸椎 前路 生物力學(xué)測(cè)試

Design and biomechanical analysis of anterior low cervical spine(C3～C7) internal fixation

【Abstract】 Objective To explore an anterior low cervical spine internal fixation of high rigidity low price and being suitable for Chinese.Methods A new fixation had been designed taking the advantage of cervical spine locking plate made abroad.16 fresh cervical spine specimens destabilized with C4 reconstructed with anterior bone graft were randomly pided into 2 groups：control and test group.Control group was stabilized by common AO“Ⅰ”type plate，whereas test group were treated with new fixation.Biomechanical test was made to compare the effect of these two fixations.Results Compared with control group，the ROM of flexion，extension，axial rotation and lateral bending of C3～C5 segment of test group decreased 48.6%(P＜0.01)，48.3%(P＜0.05)，46.5%(P＜0.01)，52.1% (P＜0.01)，respectively.Conclusion The results suggest the new fixation is superior to the common AO“Ⅰ”type plate in providing immediate stable fixation for unstable spine.This provides scientific basis for the new fixation in clinical practice.

【Key words】 internal fixation low cervical spine anterior biomechanical test

頸椎前路減壓手術(shù)已廣泛地應(yīng)用于頸椎外傷，頸椎退變性疾患及頸椎椎體腫瘤的治療，但椎間盤或椎體的部分或全部切除后植骨塊缺乏支持、不穩(wěn)，植骨塊相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生率較高［1］。采用堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定顯然有利于減少并發(fā)癥的發(fā)生，1960年Bohler將普通AO“Ⅰ”形鋼板應(yīng)用于頸前路手術(shù)，以后相繼出現(xiàn)多種頸前路內(nèi)固定器。目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的是1986年Morscher等設(shè)計(jì)的頸椎帶鎖鋼板(cervical spine locking plate，CSLP)［2-3］。此系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)。但此系統(tǒng)螺釘抗拔出力不強(qiáng)、螺釘松動(dòng)脫出等現(xiàn)象仍存在［4］，且此系統(tǒng)為進(jìn)口產(chǎn)品、價(jià)格昂貴，難于在國內(nèi)推廣。因此根據(jù)CSLP系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合國人頸椎形態(tài)大小，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型頸前路內(nèi)固定器，利用生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的內(nèi)固定器對(duì)脊柱的穩(wěn)定作用，以便為今后臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 國人下頸椎椎體及椎間盤厚度測(cè)量

陳文英等［5］所測(cè)我國南方人頸椎椎體數(shù)據(jù)：C3～C7的平均值椎體上矢徑(15.59±0.09)mm；中矢徑(15.29±0.09)mm；下矢徑(16.31±0.09)mm；上橫徑(22.69±0.17)mm；中橫徑(25.03±0.29)mm；下橫徑(22.28±0.18)mm。C3～C7椎體前高的均值為(13.75±0.14)mm；中高為(11.29±0.09)mm；后高為(13.84±0.11)mm。陳鴻儒等所測(cè)北方人頸椎上、下矢徑與橫徑與上接近；所測(cè)椎體后高為1473mm，經(jīng)t檢驗(yàn)差異顯著，認(rèn)為北方人頸椎垂直徑大于南方人。姜長明［6］所測(cè)結(jié)果同樣表明北方人下頸椎椎體略大于南方人。

張寶慶等所測(cè)頸椎間盤厚度前方平均值男性為(4.37±0.134)mm；女性(3.85±0.13)mm。以上數(shù)據(jù)為指導(dǎo)內(nèi)固定器的鋼板寬度、長度及螺釘長度的設(shè)計(jì)提供參考。

2 內(nèi)固定器設(shè)計(jì)

內(nèi)固定器由鋼板與螺釘組成。材料采用鈦合金，鋼板寬度20mm，厚度2mm，有長度不等相差3mm的系列鋼板根據(jù)不同病人需要而選擇。鋼板略向前彎曲以適應(yīng)頸部生理彎曲。鋼板形態(tài)類似“Ⅰ”形鋼板，上有5孔、8孔、11孔不等，中間孔用于固定植骨塊。螺釘長度為16mm，確保進(jìn)入椎體內(nèi)長度不超過14mm。螺釘由外套螺釘和內(nèi)心螺釘組成，外套螺釘外徑4mm，帽端與頭端十字開裂、中空、內(nèi)帶螺紋。當(dāng)內(nèi)心螺釘旋入外套螺釘后，利用膨脹原理、外套螺釘帽端膨脹鎖定于鋼板，頭端亦膨脹牢固嵌入椎體松質(zhì)骨中，外套螺釘頭端膨脹變形成倒錐形，外套螺釘頭端膨脹后比膨脹前外徑增大0.6～1mm(見圖1)。另設(shè)計(jì)安裝用特殊器械：導(dǎo)向器及定深鉆2件。

圖1 1a內(nèi)固定器由鋼板與螺釘組成

1b螺釘由外套螺釘及內(nèi)心螺釘組成

1c螺釘頭端膨脹前外徑4mm

1d螺釘頭端膨脹后外徑4.6～5mm

3 生物力學(xué)測(cè)試

3.1 材料與方法

3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)采用豬新鮮頸椎標(biāo)本16具。經(jīng)X線透視證明無骨性異常。剔除所附肌肉，保留所有韌帶和關(guān)節(jié)囊。用雙層塑料袋密封，貯存于-20℃恒溫冰箱中，貯存時(shí)間平均40天。

3.1.2 分組 將16具豬頸椎標(biāo)本編號(hào)，按完全隨機(jī)設(shè)計(jì)方法利用隨機(jī)數(shù)字表分成甲、乙兩組，甲組用傳統(tǒng)AO“Ⅰ”形鋼板固定，乙組用設(shè)計(jì)內(nèi)固定器固定。

3.1.3 標(biāo)本準(zhǔn)備 測(cè)試前，標(biāo)本室溫下自然解凍8h，將C2、C6椎體分別用聚甲基丙烯酸甲酯(上海齒科材料廠生產(chǎn))鑄型固定于包埋盒中，要求上、下兩包埋盒平行并保持水平。在內(nèi)固定手術(shù)完成后，用0.5mm厚的“L”形鈦片制成標(biāo)尺，在標(biāo)尺上置3個(gè)不共線的圓形標(biāo)志，供計(jì)算機(jī)圖像分析。3個(gè)標(biāo)尺用直徑1.5mm的長螺釘分別固定于上包埋盒、C3椎體及C5椎體前面，標(biāo)尺螺釘不應(yīng)與內(nèi)固定器接觸并保證各標(biāo)尺在脊柱運(yùn)動(dòng)時(shí)不互相接觸，且能為攝像機(jī)攝取。

3.1.4 損傷模型的制備及內(nèi)固定術(shù) 16具豬頸椎標(biāo)本均模擬C4椎體骨折后行C3～4、C4～5椎間盤切除，C4椎體中間開槽部分切除椎體，開槽處及C3～C5間取髂骨植骨，造成頸椎不穩(wěn)模型。甲組標(biāo)本選用適當(dāng)長度的AO“Ⅰ”形鋼板橫跨C3～C5固定，螺釘要求穿透椎體后皮質(zhì)。乙組標(biāo)本用自行設(shè)計(jì)內(nèi)固定器固定，上螺釘時(shí)將鋼板置于正確位置，先用導(dǎo)向器置于鋼板上方或下方一孔中，將定深鉆深度調(diào)好，確保鉆入椎體深度為14mm，鉆花外徑為2.7mm；用電鉆鉆孔后，先將外套螺釘旋入，后將內(nèi)心螺釘旋入鎖緊鋼板并固定于椎體，內(nèi)固定術(shù)后，安放好標(biāo)尺即可行三維運(yùn)動(dòng)測(cè)試。

3.1.5 加載方式與方法 本實(shí)驗(yàn)所用的三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)能模擬脊柱在體內(nèi)的生理運(yùn)動(dòng)特性(實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備由國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第一軍醫(yī)大學(xué)生物力學(xué)研究室提供)。將制備好的C2～C6標(biāo)本固定在脊柱三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)底座上，上端連于加載盤，通過懸吊于加載盤上的砝碼，對(duì)標(biāo)本施加純力矩，其最大力矩為3.0N.m，該載荷足以產(chǎn)生豬頸椎的生理運(yùn)動(dòng)范圍，又不至于對(duì)豬頸椎產(chǎn)生任何損傷［7］。施加于標(biāo)本上的每一種力偶矩都行3次加載/卸載循環(huán)，以期將標(biāo)本的粘彈性影響消除到最小。每次加載和卸載后停留30s左右，以允許標(biāo)本的蠕變運(yùn)動(dòng)，第三次加載時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量，所施加力矩共有前屈/后伸，左/右側(cè)彎和左/右軸向旋轉(zhuǎn)6種。整個(gè)標(biāo)本準(zhǔn)備及測(cè)試過程常噴生理鹽水保持標(biāo)本正常濕度。16具標(biāo)本的測(cè)試順序由隨機(jī)決定(見圖2)。

圖2 2a制備好的標(biāo)本、安放標(biāo)尺后，固定在脊柱三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)底座上：2b側(cè)彎運(yùn)動(dòng)測(cè)試

3.1.6 測(cè)試原理［8］ 標(biāo)尺上不共線三點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)代表了整個(gè)椎體的運(yùn)動(dòng)，由兩臺(tái)互成45°角度的攝像機(jī)同時(shí)拍攝標(biāo)志點(diǎn)隨脊柱的運(yùn)動(dòng)，包括零載荷和最大載荷下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將圖像輸入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)識(shí)別，定位和計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)的空間位置從而重建脊柱節(jié)段的三維運(yùn)動(dòng)，得到節(jié)段運(yùn)動(dòng)的角位移參數(shù)。

3.1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 實(shí)驗(yàn)結(jié)果用(x±s)表示，先行方差齊性檢驗(yàn)，若總體方差齊用t檢驗(yàn)，若不齊采用t′檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平0.05。

3.2 結(jié)果 在3.0N.m載荷下，豬C3～C5節(jié)段不同內(nèi)固定組(n=8)前屈/后伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)的平均運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)和標(biāo)準(zhǔn)差列于表1，其中側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)的平均運(yùn)動(dòng)范圍均為左右側(cè)彎，左右軸向旋轉(zhuǎn)的平均值。

表1 在3.0N.m載荷下C3～C5節(jié)段的ROM (x±s，度)

注：X1：“Ⅰ”形鋼板內(nèi)固定組；X2：設(shè)計(jì)內(nèi)固定器固定組與X1比較：*P＜0.05；**P＜0.01

4 討論

頸椎前路手術(shù)的目的在于：(1)切除脊髓前方致壓物，達(dá)到減壓目的；(2)糾正頸椎后凸畸形；(3)植骨維持前柱高度；(4)維持頸椎穩(wěn)定性［9］。為了解決植骨塊的脫出及即時(shí)穩(wěn)定性問題，1960年Bohler將普通AO鋼板用于下頸椎前路手術(shù)，開創(chuàng)了下頸椎前路內(nèi)固定的先河。后Orozco等將此種鋼板改進(jìn)用于頸椎外傷減壓術(shù)后，由于即時(shí)穩(wěn)定作用，臨床效果好，被視為傳統(tǒng)頸椎前路鋼板，因其形狀似“Ⅰ”形或“H”形或“王”形，稱之為“Ⅰ”形鋼板。為了解決此鋼板螺孔固定，螺釘安放不靈活的問題。Caspar等將螺孔改為槽式，增加了螺釘安放的靈活性，此即為Caspar鋼板。但由于以上系統(tǒng)要求螺釘穿透椎體后皮質(zhì)以求較大的握持力，因此有損傷脊髓的潛在危險(xiǎn)［10］。同時(shí)螺釘與鋼板間的搖動(dòng)效應(yīng)(即所謂的肘節(jié)運(yùn)動(dòng))不利于植骨塊的骨性融合，影響了內(nèi)固定器本身的內(nèi)在穩(wěn)定性。1986年Morscher等設(shè)計(jì)了頸椎帶鎖鋼板(CSLP)，此系統(tǒng)的特點(diǎn)是：(1)采用純鈦材料制成，生物相容性好，無磁性，術(shù)后做MRI檢查不受影響。(2)螺釘采用單皮質(zhì)骨螺釘，不用穿透椎體后皮質(zhì)，無損脊髓及神經(jīng)根的潛在危險(xiǎn)。(3)螺釘與鋼板鎖定，消除了鋼板與螺釘間的搖動(dòng)效應(yīng)，減少了由于螺釘松動(dòng)向前滑脫導(dǎo)致椎前器官、血管、神經(jīng)損傷的并發(fā)癥的發(fā)生。CSLP系統(tǒng)有高度的內(nèi)在穩(wěn)定性、固定有效、可靠、操作安全。但螺釘松動(dòng)脫出也不能完全避免［11］。

根據(jù)CSLP系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合國人頸椎椎體及椎間盤的測(cè)量結(jié)果，設(shè)計(jì)的一種改進(jìn)型頸前路內(nèi)固定器，材料采用鈦合金。內(nèi)固定器鋼板形狀及結(jié)構(gòu)類似CSLP鋼板；螺釘設(shè)計(jì)為單皮質(zhì)骨螺釘，不用穿透椎體后皮質(zhì)。國人下頸椎椎體前后徑最短距離大于14mm，故螺釘進(jìn)入椎體部分設(shè)計(jì)為14mm長，避免了螺釘過長穿透后皮質(zhì)損傷脊髓的潛在危險(xiǎn)。所設(shè)計(jì)螺釘由外套螺釘和內(nèi)心螺釘組成，外套螺釘頭端與帽端勻十字開裂，其內(nèi)空心有螺紋，當(dāng)將內(nèi)心螺釘旋入時(shí)，利用膨脹原理，帽端膨脹將螺釘鎖定于鋼板，使螺釘與鋼板成為具有內(nèi)在穩(wěn)定性的整體，消除了釘板間的搖動(dòng)效應(yīng)，避免相應(yīng)并發(fā)癥的發(fā)生。同時(shí)，螺釘頭端膨脹，經(jīng)測(cè)定頭端膨脹后比膨脹前直徑大0.6～1mm；因椎體中部為松質(zhì)骨，螺釘頭端膨脹能使部分骨小梁塌陷，一方面由于膨脹十字裂口間隙增寬，有利于骨質(zhì)長入，有可能阻止螺釘旋轉(zhuǎn)退出。另一方面，由于頭端膨脹，螺釘進(jìn)入椎體部變形呈倒錐體形，從而增加了螺釘?shù)目拱纬隽ΑＲ虼嗽黾恿藘?nèi)固定器的生物力學(xué)強(qiáng)度。

生物力學(xué)試驗(yàn)是評(píng)價(jià)骨科器械及手術(shù)可靠性的重要手段，骨科新術(shù)式的開展及新的內(nèi)固定的運(yùn)用應(yīng)建立在生物力學(xué)研究的基礎(chǔ)上。將所設(shè)計(jì)內(nèi)固定器對(duì)比“Ⅰ”形鋼板做生物力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果顯示(見表1)：在豬C3～C5節(jié)段失穩(wěn)后用所設(shè)計(jì)的內(nèi)固定器固定組，所固定節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)平均值是：前屈7.3°，后伸1.5°，軸向旋轉(zhuǎn)5.4°，側(cè)彎5.7°；而“Ⅰ”形鋼板固定組運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)平均值是：前屈14.2°，后伸2.9°，軸向旋轉(zhuǎn)10.1°，側(cè)彎11.9°。可見用所設(shè)計(jì)內(nèi)固定器固定比用“Ⅰ”形鋼板固定運(yùn)動(dòng)范圍明顯縮小，經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，兩者差異有顯著性意義。本研究結(jié)果表明：用所設(shè)計(jì)內(nèi)固定器固定比用“Ⅰ”形鋼板固定抗前屈能力提高486%，抗后伸能力提高48.3%，抗旋轉(zhuǎn)能力提高46.5%，抗側(cè)彎能力提高52.1%。因此所設(shè)計(jì)的內(nèi)固定器在提供即時(shí)穩(wěn)定性方面優(yōu)越于“Ⅰ”形鋼板。從而為所設(shè)計(jì)內(nèi)固定器臨床應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)采用新鮮豬頸椎標(biāo)本為實(shí)驗(yàn)材料。豬齡及體重嚴(yán)格控制一定范圍，且為同一品系家豬，所有標(biāo)本手術(shù)為同一人用同一方式所做，實(shí)驗(yàn)標(biāo)本隨機(jī)分組，測(cè)試順序亦為隨機(jī)進(jìn)行，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性。由于豬頸椎結(jié)構(gòu)與人頸椎有一定差別，又是在離體標(biāo)本上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因而與人活體尚有一定差距。對(duì)于所設(shè)計(jì)內(nèi)固定器的抗疲勞性及內(nèi)固定器的最大破壞強(qiáng)度尚有待進(jìn)一步研究。

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9 賈連順，陳雄生.頸椎損傷的分類與治療(續(xù)).中國脊柱脊髓雜志，1997，7(6)：273.

第9篇：骨的生物力學(xué)特性范文

摘要　骨組織對(duì)應(yīng)力刺激有良好的適應(yīng)性，骨折愈合的好壞與其力學(xué)環(huán)境密切相關(guān)。接骨板固定、骨外固定的力學(xué)性能不同，構(gòu)成的力學(xué)環(huán)境有異，因而對(duì)骨折愈合的影響亦不相同。應(yīng)力刺激骨折愈合的機(jī)制仍不清楚，骨細(xì)胞具有感受力學(xué)信號(hào)的功能，第二信使cAMP、PGE2可能參與了信號(hào)傳遞，但詳細(xì)機(jī)制有待進(jìn)一步探討。

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引言

骨折愈合是由眾多物質(zhì)參與的復(fù)雜的機(jī)體結(jié)締組織再生修復(fù)過程，受眾多因素影響。近年來，隨著生物力學(xué)的飛速發(fā)展，力學(xué)環(huán)境因素影響骨創(chuàng)傷修復(fù)的重要性已逐漸為人們重視，不少學(xué)者致力于骨愈合最佳應(yīng)力環(huán)境的研究并取得了很大進(jìn)展，為骨折治療提供了諸多理論依據(jù)。

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骨的力學(xué)特性及其功能對(duì)應(yīng)力刺激的適應(yīng)性

骨組織是一種粘彈性固體材料，具有各向異性，力學(xué)特性復(fù)雜，在不同種類、濕度、溫度、年齡、性別等狀態(tài)下其力學(xué)性能不同。皮質(zhì)骨質(zhì)密，能承受較大載荷，但抗張力能力較小，當(dāng)其變形超過原長2％時(shí)即會(huì)斷裂；海綿狀骨為多孔形結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能能力強(qiáng)，變形可超過原長的7％。新鮮濕潤骨最大形變可達(dá)1.2％，而干燥骨較脆，應(yīng)變能力僅0.4％［1］。在進(jìn)行骨的機(jī)械性能測(cè)定時(shí)應(yīng)盡量模擬骨骼在機(jī)體內(nèi)的生理狀態(tài)，減少實(shí)驗(yàn)誤差。由于骨組織結(jié)構(gòu)及功能與其力學(xué)特性及力學(xué)環(huán)境狀態(tài)密切相關(guān)，決定了不同的應(yīng)力刺激對(duì)骨代謝和骨愈合有不同的影響作用。

(1)應(yīng)力種類的影響：骨折愈合早期，縱向載荷產(chǎn)生的壓應(yīng)力能驅(qū)動(dòng)成骨細(xì)胞及成纖維細(xì)胞向分化成骨方向發(fā)展，對(duì)骨愈合有利；而剪切和扭轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生剪應(yīng)力，易造成骨斷端動(dòng)態(tài)摩擦，對(duì)形成的毛細(xì)血管和骨痂有很大傷害作用，并可驅(qū)動(dòng)成纖維細(xì)胞增殖，產(chǎn)生纖維組織而不利于骨折愈合。但在骨折愈合中后期，各種應(yīng)力對(duì)骨痂形成或改建均有一定促進(jìn)作用［2］。

(2)應(yīng)力大小的影響：骨折愈合需適當(dāng)?shù)纳锪W(xué)環(huán)境或最佳應(yīng)力水平，即固定后的骨斷端有適宜的應(yīng)力刺激，能促進(jìn)對(duì)骨折愈合起決定作用的成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞增殖分化。不同的愈合階段，骨折所需的應(yīng)力大小不同，愈合早期，骨愈合區(qū)組織剛度低，承受外力能力差，所需應(yīng)力水平亦低；隨著愈合區(qū)組織剛度增加，其承受負(fù)荷的能力加大，所需刺激的應(yīng)力水平也隨之增加。只有當(dāng)骨斷端應(yīng)力水平與愈合區(qū)組織剛度互相平衡和協(xié)調(diào)時(shí)，組織才能良好分化和愈合。否則，應(yīng)力過大，超過組織承受能力，會(huì)損傷形成的骨痂，使骨組織壞死吸收，導(dǎo)致骨萎縮；反之，不足以引起彈性變形，組織分化難于產(chǎn)生，可能導(dǎo)致骨遲緩愈合或骨不連［3］。

（3）應(yīng)力刺激方式的影響：有研究發(fā)現(xiàn)［4，5］，間歇性應(yīng)力刺激較連續(xù)性應(yīng)力刺激更能激發(fā)骨組織細(xì)胞活性，表現(xiàn)為表達(dá)葡糖-6-硫酸-胱氨酸（G6PD）的骨細(xì)胞數(shù)及活力均明顯增加，對(duì)3H-尿嘧啶核苷酸的攝取量增強(qiáng)，并與應(yīng)力刺激的強(qiáng)弱相關(guān)聯(lián)。提示骨組織對(duì)間歇性或循環(huán)性應(yīng)力刺激有更敏感的感受特性。

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接骨板固定的力學(xué)環(huán)境狀態(tài)及其對(duì)骨愈合的影響

骨折切開復(fù)位接骨板固定是采用螺絲釘將接骨板固定于骨折段的張力側(cè)，用自身的強(qiáng)度和張力帶原理維持骨結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。普通接骨板強(qiáng)度低，僅能發(fā)揮簡單的固定作用，難于承受肢體功能活動(dòng)而使間歇性應(yīng)力刺激作用減弱或喪失。加壓接骨板內(nèi)固定在早期可消除剪應(yīng)力等不利于骨折愈合的因素，保證骨折固定與早期肢體功能鍛練，但在骨折愈合后期卻常因應(yīng)力遮擋效應(yīng)導(dǎo)致骨折愈合延緩、固定段骨質(zhì)疏松及再骨折［6］。

有學(xué)者用有限元方法分析接骨板固定段骨的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)固定段的應(yīng)力大小與接骨板的剛度成反比［7］。因此，剛度不同的接骨板固定骨折時(shí)的應(yīng)力刺激水平不同，骨折愈合情況亦不同。剛度較低的鈦合金接骨板固定骨折時(shí)具有不銹鋼鋼板同樣的固定強(qiáng)度，但其應(yīng)力遮擋、骨折愈合強(qiáng)度更優(yōu)［8］。低剛度碳纖維復(fù)合材料接骨板所致的骨質(zhì)疏松亦明顯輕于不銹鋼接骨板［9］。高剛度接骨板固定后骨折愈合延緩、骨質(zhì)疏松及再骨折的原因主要是接骨板的高應(yīng)力遮擋作用導(dǎo)致骨質(zhì)吸收―成骨代謝動(dòng)態(tài)平衡喪失，使骨吸收快于成骨所致。在堅(jiān)硬固定狀態(tài)下，骨哈佛氏管逐漸增大，管道內(nèi)大量破骨細(xì)胞堆集，膠原纖維束趨向紊亂，接骨板下及對(duì)側(cè)皮質(zhì)骨吸收變薄，骨鈣含量減低，髓腔增大［10］。如接骨板同骨結(jié)合得越好，固定時(shí)間越長，其應(yīng)力遮擋作用越強(qiáng)，骨鈣含量喪失越嚴(yán)重。不過上述這些變化是可逆轉(zhuǎn)的，解除應(yīng)力遮擋作用后，給骨或骨斷端予正常應(yīng)力刺激，骨密度和骨的強(qiáng)度都將逐漸恢復(fù)正常［11］。

為解決堅(jiān)硬接骨板之不足，目前在研究和應(yīng)用接骨板方面出現(xiàn)如下趨勢(shì)：①用塑料、石墨纖維、甲基丙烯酸甲脂（GFMM）及韌性鈦合金等低剛度材料為原料制作接骨板。這類接骨板具有良好的強(qiáng)度而剛度不高，應(yīng)力遮擋作用小，有利于骨愈合及改建［8，9］；②應(yīng)用可降解材料制作可吸收性接骨板，最適宜的可降解材料主要是聚乙交酯（PGA）、聚丙交酯（PLA）及兩者的均聚體和共聚體［12］，此類可降解材料在體內(nèi)隨著骨折愈合能逐步降解吸收，剛度逐漸衰減，在骨折愈合中后期有利于骨折部獲得有效的應(yīng)力刺激［13］，有些材料本身還有成骨誘導(dǎo)作用［14］，如能有效解決遲發(fā)性炎癥反應(yīng)等不足之處，其發(fā)展前景廣闊；③改進(jìn)傳統(tǒng)金屬接骨板的構(gòu)型，使其力學(xué)分布優(yōu)化，應(yīng)力遮擋效應(yīng)減弱。

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骨外固定狀態(tài)下骨折愈合的特點(diǎn)

骨外固定主要是利用固定支架的穩(wěn)定性，通過鋼針產(chǎn)生作用力而使骨折穩(wěn)定。其最大優(yōu)點(diǎn)在于治療骨折時(shí)既能為骨折端提供穩(wěn)定的固定，又不進(jìn)一步破壞局部血液循環(huán)，從力學(xué)和生物學(xué)兩方面為骨愈合創(chuàng)造了有利條件。骨外固定的穩(wěn)定性主要由固定器的結(jié)構(gòu)剛度決定，即固定器維持其幾何結(jié)構(gòu)不變的能力。大量的生物力學(xué)研究證實(shí)，增加鋼針數(shù)目及鋼針直徑、增大針組間距、減小側(cè)桿間距、增加側(cè)桿數(shù)目及骨折端預(yù)加壓固定均能增大固定器的剛度［2，15］。

骨外固定對(duì)骨折愈合的影響主要表現(xiàn)為固定骨段的應(yīng)力遮擋效應(yīng)及骨斷端應(yīng)力場作用。高剛度的外固定器可產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力遮擋作用，早期可穩(wěn)定骨折，但后期則阻礙骨折端應(yīng)力的有效傳導(dǎo)和刺激，干擾骨折的修復(fù)與重建。固定器剛度越大，其影響越明顯，如同接骨板一樣，可致骨質(zhì)疏松和骨折延遲愈合［16］。這主要是具有成骨活性的細(xì)胞未能獲得有效的應(yīng)力刺激而處于“功能性休眠”狀態(tài)，破骨細(xì)胞則相對(duì)功能活躍，使骨組織成骨―吸收活動(dòng)處于負(fù)平衡狀態(tài)，骨質(zhì)不能有效地骨化所致［17］。固此，在骨折治療時(shí)既要提高固定器剛度以增加固定的穩(wěn)定性，又要降低其應(yīng)力遮擋率，讓更多的載荷傳到骨斷端。目前，通常于骨折愈合中后期減少固定器連接桿及鋼針數(shù)來解決這一矛盾。另外，可采用加壓固定方法，骨折端接觸加壓能減少骨斷端間間隙，增加斷面間靜態(tài)摩擦而提高固定的穩(wěn)定性，利于骨痂形成及爬行替代作用，同時(shí)可顯著降低固定器應(yīng)力遮擋率，有利于應(yīng)力刺激和傳導(dǎo)。有研究證實(shí)，加壓固定時(shí)外固定器的應(yīng)力遮擋率可降至3％左右的最低水平［18］。骨斷端應(yīng)力分布特征依賴于固定方式。面固定將致偏心性應(yīng)力分布和應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于骨折愈合；而多平面固定使骨斷端應(yīng)力分布均勻，對(duì)骨正常應(yīng)力分布影響小，對(duì)骨折愈合有利［19］。

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應(yīng)力影響骨折愈合的機(jī)理

目前的研究業(yè)已表明，骨組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、密度分布對(duì)應(yīng)力刺激具有充分的功能適應(yīng)性。骨骼對(duì)外加載荷的反應(yīng)性或功能適應(yīng)性主要是由骨細(xì)胞、骨膠原和骨細(xì)胞外液對(duì)載荷所形成的應(yīng)力或應(yīng)變刺激產(chǎn)生感受，形成復(fù)雜的體內(nèi)自身反饋性調(diào)節(jié)系統(tǒng)而作用的結(jié)果。表現(xiàn)在應(yīng)力作用的壓力側(cè)骨形成增強(qiáng)，而張力側(cè)骨吸收加速。有關(guān)這種功能適應(yīng)性的確切機(jī)制尚不清楚。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，骨細(xì)胞膜與基質(zhì)相連，基質(zhì)受應(yīng)變刺激時(shí)會(huì)牽拉細(xì)胞膜并激發(fā)細(xì)胞反應(yīng)，即骨細(xì)胞能直接感受應(yīng)變［20］。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，機(jī)械應(yīng)力刺激產(chǎn)生的應(yīng)變引起細(xì)胞間液體流動(dòng)，進(jìn)而形成流動(dòng)電勢(shì)而引起細(xì)胞反應(yīng)［21］。但無論骨組織以何種方式感受力學(xué)刺激，最終均以骨生物電方式實(shí)現(xiàn)力學(xué)刺激信號(hào)的轉(zhuǎn)換。有學(xué)者利用生物電原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)性骨折行電刺激，可見局部成骨細(xì)胞分化率明顯提高［22］。目前，尚不清楚力學(xué)刺激信號(hào)轉(zhuǎn)換為生物信號(hào)后是如何進(jìn)一步傳遞而最終影響細(xì)胞活動(dòng)的。有研究發(fā)現(xiàn)［23］，在壓力環(huán)境下雞胚胎脛骨中骨組織細(xì)胞內(nèi)cAMP含量明顯下降，成骨細(xì)胞合成和分泌膠原蛋白的能力增加。也有學(xué)者觀察到骨細(xì)胞受載荷刺激后，DNA含量增加，而細(xì)胞內(nèi)cAMP含量變化不顯著，但前列腺素E2（PGE2）卻顯著增高。由此可以推測(cè)，骨組織受載荷后形成的生物電信號(hào)可能是通過cAMP、PGE2等第二信使傳遞，激活成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等而加速骨愈合或改建的。

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