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周期性动态力学载荷对抗骨质疏松的研究

作　者: 李昊
导　师: 张西正
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 军事预防医学
关键词: 骨质疏松动态力学载荷对抗作用成骨活性力学性能
分类号: R58
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

课题研究背景：骨质疏松（Osteoporosis, OP）尤其是绝经后的骨质疏松（Postmenopausal OP）是中老年妇女中的一种常见病，特点是雌性激素匮乏引起的骨量下降和骨组织微观结构的退化与破损，主要表现为骨的脆性及骨折风险的显著升高；近年来，由于在骨生理学领域史无前例的有效应用，啮齿类动物模型成为研究并治疗骨质疏松的重要工具，小鼠骨质疏松模型越来越受到研究者的关注。另外，力学生物学的研究已逐渐揭示出应力/应变与骨生长、重建之间的密切关系，为骨质疏松等骨科相关疾病的预防与治疗开拓了一条崭新的道路。课题研究目的：本实验通过去势手术建立可以模拟绝经后妇女骨质疏松症状的小鼠骨质疏松模型，进而研究周期性动态力学加载对去势后早期骨质疏松形成的对抗作用与效果，为临床预防与治疗骨质疏松提供有力的实验支持。课题研究方法：（1）借助Micro-CT扫描得到雌性昆明（KM）小鼠前肢尺骨的影像数据，在Mimics软件中重建出其三维实体模型，导入ANSYS12.0中划分网格，定义材料常数和边界条件后，通过有限元计算与分析，获得尺骨整体应变-中段应变曲线、载荷-中段应变曲线，并依次确定小鼠尺骨周期性动态力学加载的具体实验条件；（2）2-3月龄雌性KM小鼠随机分为去势组（OVX）和假手术组（SHAM），并将去势组左侧和右侧尺骨分别设为去势未加载组（OVX）和去势加载组（OVX+Loading）。去势组切除双侧卵巢，术后对去势加载组（OVX+Loading）小鼠尺骨施加在体轴向周期性动态力学载荷（f=15Hz，中段峰值应变max≈2500μ），对侧尺骨（OVX）作为骨质疏松对照。4weeks后，小鼠处死，采集血液并解剖分离小鼠尺骨，血液离心得到血清，用小鼠血清骨钙素Elisa试剂盒测定血清骨钙素含量，对尺骨进行三点弯曲力学性能、骨小梁微观结构参数、骨组织碱性磷酸酶（AKP）含量的测定。实验结果：（1）通过有限元分析计算发现，在小应变（<5000μ）条件下，尺骨整体应变与中段应变存在很好的线性关系，载荷与中段应变也存在着可预测的关系，利于加载条件的简化与确定；通过对确定加载条件的分析计算显示，尺骨内局部应变在峰值载荷时分布集中趋势明显，病理性应变比例很小，大部分区域处于利于成骨的生理性或微过载范围（200-3000μ），而由于动态加载频率较高（15Hz），较小的局部应变（50-200μ）也可能会产生较强的成骨效应。因此，确立了比较合理的动态加载条件；（2）阴道涂片H.E染色的结果显示去势手术后小鼠停留在生理静止期；体重增长加快的趋势也暗示着雌激素调节作用的减弱；与假手术组相比，去势组小鼠血清BGP含量显著下降，可能与雌激素匮乏后成骨细胞活性及更新速率降低有关；三点弯曲力学性能比较的结果显示去势手术4weeks后尺骨的各项力学性能均有显著下降，更为有力的说明了骨质疏松模型的成功建立。（3）通过尺骨干骺端的非脱钙制片H.E染色以及Micro-CT扫描三维截面图均可定性的发现，去势未加载组（OVX）尺骨松质骨微观结构退化破损明显，而去势加载组尺骨（OVX+Loading）相对于假手术组（SHAM）变化不太显著；骨组织碱性磷酸酶（AKP）和血清BGP含量的测定结果显示，去势手术导致与成骨活性正相关的骨组织AKP和血清BGP含量显著下降，而力学加载显著提高了上述指标，因而从分子生物学角度证明动态力学载荷对骨质疏松的对抗作用；三点弯曲力学性能测定以及Micro-CT对松质骨微观结构参数测量的结果则分别从宏观和微观两方面定量地证明，去势手术后，雌激素的匮乏导致小鼠尺骨松质骨微观结构的退化与破损，主要表现为松质骨面积比（B.Ar/T.Ar）下降，骨小梁厚度（Tb.Th）降低，骨小梁分离度（Tb.Sp）增加，骨小梁数目（Tb.N）增加，导致宏观上力学性能的下降，而动态力学加载则显著地抑制了以上微观结构参数的恶化，宏观上缓解与改善了尺骨的机械性能。实验结论：（1）通过有限元分析计算的方法可以很好的预测轴向载荷条件下小鼠尺骨内的应变分布情况，进而确定合理的小鼠尺骨在体周期性动态力学加载条件；（2）卵巢切除手术后4周可以成功建立小鼠的骨质疏松模型；（3）周期性动态力学载荷可以通过提高与成骨活性正相关的生化指标（骨组织AKP，血清BGP），促进骨生成，改善骨小梁微观结构参数，提高骨组织综合力学性能进而有效对抗去势诱导的骨质疏松的形成。

全文目录

中文摘要  9-11
Abstract  11-13
第1章绪论  13-27
  1. 研究背景与现状  13-19
    1.1 骨的塑建、重建及其宏观力学调控机制  13-14
    1.2 力学刺激的传递与细胞响应  14-15
    1.3 骨质疏松模型的建立方法与评价指标  15-17
    1.4 动态力学载荷诱导的骨重建研究  17-19
  2. 研究目的与意义  19
    2.1 研究目的  19
    2.2 研究意义  19
  3. 研究内容与方法  19-20
    3.1 小鼠骨质疏松模型的建立与验证  19
    3.2 周期性动态力学加载条件的确定  19
    3.3 周期性动态力学载荷对抗骨质疏松的研究  19-20
  4. 研究的技术路线  20
  参考文献  20-27
第2章小鼠去势骨质疏松模型的建立与验证  27-37
  1. 引言  27
  2. 材料与方法  27-31
    2.1 实验动物  27
    2.2 主要试剂  27
    2.3 主要仪器  27
    2.4 实验方法  27-31
  3. 实验结果  31-34
    3.1 小鼠麻醉预实验结果  31
    3.2 术后阴道涂片结果  31
    3.3 小鼠体重变化曲线记录  31-32
    3.4 骨组织 AKP 含量与血清 BGP 含量测定结果  32-33
    3.5 尺骨三点弯曲力学性能测定结果  33-34
  4. 讨论  34-35
  本章小结  35-36
  参考文献  36-37
第3章基于有限元计算分析的小鼠尺骨在体周期性动态力学加载条件的确定  37-47
  1. 引言  37
  2. 材料与方法  37-39
    2.1 实验材料  37
    2.2 实验仪器  37-38
    2.3 实验方法  38-39
  3. 实验结果  39-44
    3.1 模拟尺骨模型建立与有限元分析  39-41
    3.2 真实尺骨模型建立与有限元分析  41-43
    3.3 周期性动态力学加载条件的确定与验证  43-44
  4. 讨论  44-45
  本章小结  45
  参考文献  45-47
第4章周期性动态力学载荷对抗骨质疏松的实验研究  47-59
  1. 材料与方法  47-51
    1.1 实验动物  47
    1.2 主要试剂  47
    1.3 主要仪器  47
    1.4 实验方法  47-51
  2. 实验结果  51-57
    2.1 尺骨硬组织切片 HE 染色结果  51-52
    2.2 Micro-CT 扫描的组织微观结构参数测定结果  52-55
    2.3 尺骨的三点弯曲力学性能测定结果  55-56
    2.4 成骨能力生化指标的测定结果  56-57
  3. 讨论  57
  本章小结  57-58
  参考文献  58-59
第5章结论与展望  59-61
  1. 全文总结  59-60
  2. 应用前景与展望  60-61
文献综述  61-69
  参考文献  65-69
在学期间取得的成果及发表的代表性论著  69-81
作者简历  81-83
致谢  83

周期性动态力学载荷对抗骨质疏松的研究

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