不同骨密度绵羊腰椎模型的椎弓根钉道空间结构及其力学性能

目的:应用MicroCT研究在不同骨密度(BMD)情况下椎弓根钉道骨小梁及钉道外口皮质骨空间结构与椎弓根螺钉轴向拔出力的关系。方法:对40个绵羊腰椎标本应用微量注射泵椎体内外盐酸脱钙方法分别建立4组不同BMD水平的生物力学模型,即A组(正常骨质),B组(骨量减少),C组(骨质疏松),D组(严重骨质疏松),生物力学测试各组椎体椎弓根螺钉的最大轴向拔出力(Fmax)。应用MicroCT研究各组椎体椎弓根钉道周围骨小梁参数,包括骨小梁厚度(Tb.th)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁间隙(Tb.sp)、骨体积分数(BV/TV)及钉道外口皮质骨的厚度(Cor.th),统计分析其与椎弓根螺钉轴向拔出力的关系。结果:成功建立不同BMD下降程度的生物力学模型,B、C、D组BMD下降分别为19%、28%及37%。生物力学测试示B、C、D组椎体的Fmax较A组显著下降,且有统计学意义(P0.05);B、C、D组组间椎体Fmax随BMD下降而下降,各组间具有统计学差异(P0.05)。MicroCT显示各组椎弓根螺钉钉道空间结构参数随BMD下降而变化,且各组组间参数随脱钙时间的延长而变化,各组间有统计学意义(P0.05)。相关性分析发现钉道骨质空间结构参数(Tb.th、Tb.N、Tb.sp、BV/TV、Cor.th)、BMD、脱钙时间与Fmax均存在直线相关关系;多元回归方程(y=1185.658×BMD+153.535×Tb.N-247.037×Tb.sp)可预测椎体椎弓根螺钉的Fmax。结论:椎弓根螺钉的最大轴向拔出力(Fmax)不仅与椎体BMD的变化密切相关,亦与椎弓根钉道松质骨及皮质骨空间结构参数密切相关。     

激素诱导去势后绵羊骨质疏松动物模型的椎体微观结构观察及力学性能研究

目的运用去势+糖皮质激素的方法,建立绵羊骨质疏松椎体模型,并通过Micro-CT观察其微观结构变化与其生物力学之间的关系。方法采用完全随机的设计方法,选用3±0.5岁绵羊24只,随机分配至3个处理组:A组(去势组),B组(去势+激素组),C组(假手术组),每组8只绵羊。观察时间为经过相应处理后9,12月。在每个时间点,处死一定数量的绵羊,然后检测各组在各时间点上椎体的骨密度(BMD);生物力学性能变化:测试最大轴向拔出力(Fmax)和最大抗压强度及其能量吸收值.同时切取部分椎体行Micro-CT检查,对各组各个时间点绵羊腰椎骨小梁微观结构进行观察。结果随着时间的延长,A,B组较C组均出现BMD及生物力学性能下降,显微CT观察见骨小梁空间结构呈骨质疏松样变化,且在同一时间点B组较A组向骨质疏松样变化更显著。结论运用去势+糖皮质激素的方法,可快速的建立绵羊骨质疏松动物模型,且经激素诱导9个月及12个月的去势绵羊均是较为理想的骨质疏松动物模型。     

硫酸钙骨水泥强化骨质疏松绵羊腰椎的生物力学研究

目的评价硫酸钙骨水泥(CSC)强化骨质疏松绵羊腰椎力学强度的效果。方法成年雌性绵羊4只,行去势手术后饲养1年,测量去势前后腰椎骨密度。取L2～5共16个椎体,分为CSC组和对照组,每组8个椎体。CSC组经椎弓根向椎体内注射CSC(2.0 ml),对照组不给于任何处理。CSC组于术后12周测量L2～5单个椎体的骨密度,然后处死绵羊。取出椎体行压缩实验,测量各组中椎体的最大压缩应力(σult)和能量吸收值(EAV)。结果去势1年后绵羊腰椎骨密度显著下降,与去势前比较差异有统计学意义(P<0.05),骨质疏松绵羊模型建立成功。注射CSC 12周后椎体骨密度(BMD)、σult、EAV均高于对照组(P<0.05),且椎体的σult和EAV均与BMD成正相关关系(P<0.05)。结论 CSC可以提高骨质疏松椎体的BMD,强化骨质疏松椎体的力学强度,有利于避免或减少骨质疏松椎体骨折的风险。     

不同骨密度对胸腰椎椎弓根内固定早期稳定性的生物力学研究

目的研究不同骨密度对椎弓根螺钉内固定早期稳定性的影响,为临床工作提供生物力学参考。方法取新鲜成年绵羊胸腰椎脊柱标本(T13-L2)36具,采用随机数字表法分为4组,分别为A(HCL脱钙0 h)、B(HCL脱钙2 h)、C(HCL脱钙4h)、D(HCL脱钙6h)组,每组9个。采用EXPERT-XL双能X线骨密度仪(Lunar公司)对四组脊柱椎体进行测量,依据骨密度的不同分为骨量正常组骨量减少组骨质疏松组严重骨质疏松组。4组均采用在T14-L2上置入椎弓根钉棒系统。以(300±105)N的载荷对4组模型进行250 000次循环4个方向(前屈、后伸、左侧弯、右侧弯)加载,比较4组模型的脊柱活动范围、螺钉的最大拔出力、轴向压缩刚度。结果疲劳试验后,A、B、C、D组脊柱的运动范围值(ROM)、轴向压缩刚度依次增大、螺钉的最大拔出依次减小,各组间差异有统计学意义(P0.05)。结论 1.脊柱骨密度越低,椎弓根固定后脊柱早期的稳定性越差。2.对于骨密度在骨质疏松范围内的患者不能行单纯椎弓根螺钉固定,而且在骨性愈合期间应减少脊柱的活动量。     

去势手术联合激素注射对绵羊腰椎生物 力学性能的作用

目的评价去势手术联合激素注射对绵羊腰椎生物力学性能的作用。方法健康成年绵羊 10只,随机分为假手术组（n =5 )和实验组（n = 5 )。假手术组仅显露双侧卵巢;实验组行双侧卵巢切 除术(ovariectomy, OVX),且术后1月开始肌肉注射甲基强的松龙（0.45 mg/kg/d ) 10月。测量术前 和术后1年绵羊腰椎的骨密度（BMD),通过压缩实验和轴向拔出实验来评价术后1年椎体的生物力 学性能。结果术后1年实验组绵羊腰椎的BMD显著下降（P<0. 05 ),平均下降T5.1%。实验组的 最大压缩应力和能量吸收值均显著低于假手术组,差异均具有统计学意义（P<0. 05 );实验组的最大 轴向拔除力和能量吸收值均显著低于假手术组,差异均具有统计学意义（P<0.05 )。结论去势手 术联合激素注射的方法可以显著降低绵羊腰椎的BMD,显著降低绵羊腰椎自身的生物力学强度和对 椎弓根螺钉的把持力。该方法可用于建立适合脊柱及内固定稳定性研究的骨质疏松动物脊柱模型。     

局部注射缓释型bBMP对去势绵羊椎体骨骼影响的研究

目的探索能够在短期内有效提高骨质疏松椎体骨强度的局部治疗方法。方法采用卵巢切除法（OVX）对6只成年雌性绵羊去势，低钙饲养1年后，经双能X线吸收骨密度测量仪检测后确定建立骨质疏松模型。采用拉丁方设计方案，通过经椎弓根注射途径，分别在每只动物的L4～L6注射三种药物：实验组A注射20mgbBMP／FS，对照组B注射20mg bBMP，对照组C单纯注射FS。L3椎体设为空白对照组D。术后3个月，采用骨密度测量仪和MicroCT对绵羊腰椎骨密度及骨小梁微观结构进行分析比较。通过轴向加压实验对腰椎标本进行生物力学测定，对椎体力学性能进行评估。结果绵羊去势1年后，腰椎骨密度平均下降20．6％，动物模型成功建立。接受实验处理3个月后，实验组A骨密度（1．334g／cm^2）明显高于对照组B、C及D组骨密度（1．139g／cm^2，1．163g／cm^2和1．177g／cm^2）。MicroCT分析表明：实验组骨小梁的密度、连接率均显著高于对照组。生物力学研究表明实验组A最大压缩应力、最大压缩应变、能量吸收值及骨质弹性模量均明显高于对照组B、C及D组。结论bBMP复合纤维蛋白胶可以促进骨小梁的改建，改善骨小梁的三维结构，增加椎体的骨密度及骨强量，可以作为局部治疗脊柱骨质疏松的新型方法之一。     

钉道强化提高椎弓根螺钉固定强度的生物力学研究

目的 评价椎弓根钉道局部强化技术及其结合膨胀式椎弓根螺钉提高椎弓根螺钉固定强度的效果.方法 通过自行设计及加工的钉道局部强化装置,向钉道周壁点状注入CaSO4骨水泥以强化椎弓根钉道.5具新鲜冻存人体脊柱标本,每具随机选取4个腰椎共20个腰椎标本,采用随机区组设计方法分为10个区组.设计四种固定方法:A组(普通椎弓根螺钉)、B组(普通椎弓根螺钉+钉道局部强化)、C组(膨胀式椎弓根螺钉+钉道局部强化)、D组(普通椎弓根螺钉+钉道内灌注CaSO4骨水泥),随机应用在每个区组的2个椎体共4个椎弓根钉道.分别测试每个椎弓根螺钉的最大轴向拔出力及能量吸收值.从剩余腰椎标本中任意取两个腰椎,应用钉道局部强化技术后利用Micro-CT观察钉道周壁微观结构变化.结果 C、D两组的最大轴向拔出力均值及能量吸收值均值高于A组(P＜0.01)及B组(P＜0.05),B组最大轴向拔出力均值及能量吸收值均值高于A组(P＜0.01),C、D两组之间的差异无统计学意义(P＞0.05).结论 钉道局部强化技术可显著提高椎弓根螺钉的固定强度,结合使用膨胀式椎弓根螺钉可进一步提高螺钉的固定强度.     

椎体内单次注射辛伐他汀对骨质疏松小型猪腰椎椎体骨质和椎弓根螺钉内固定稳定性的影响

目的 :探讨椎体内注射辛伐他汀/泊洛沙姆407温敏型智能水凝胶对骨质疏松小型猪腰椎骨质和椎弓根螺钉内固定稳定性的影响。方法:9只健康成年雌性广西巴马小型猪,行双侧卵巢切除术,术后低钙饮食18个月,双侧卵巢切除后18个月小型猪腰椎骨密度(bone mineral density,BMD)较切除前降低了25.23%,即骨质疏松模型建立成功。每只骨质疏松小型猪采取自身对照,将3个腰椎(L4~L6)进行随机分组,在椎体左侧钉道内单次注射载辛伐他汀0、0.5、1.0mg的水凝胶,并分别在两侧置入钛合金椎弓根螺钉。3个月后处死,取出每只小型猪的椎体(L4~L6),剔除椎体周围软组织,在各椎间盘处离断,游离成单个椎体,用双能X线骨密度仪检测BMD,行Micro-CT扫描并定量分析骨小梁微结构及骨整合率,内固定螺钉轴向拔出实验,不脱钙骨组织学观察。结果:辛伐他汀0.5mg、1mg组椎体与给药前相比,BMD分别增加了32.12%和28.16%,辛伐他汀0.5mg、1mg组椎体与辛伐他汀0mg组相比,BMD分别增加了31.25%和31.09%(P均0.01);辛伐他汀0.5mg、1mg组与辛伐他汀0mg组相比,相对骨体积(BV/TV,%)分别增加了47.49%和43.42%,骨小梁数量(Tb.N)分别增加了49.23%和39.01%,骨小梁厚度(Tb.Th)分别增加了66.09%和54.28%,骨小梁间隙(Tb.Sp)分别降低了55.85%和52.80%,骨整合率分别增加了46.54%和42.63%(P均0.01);辛伐他汀0.5mg与1mg组的最大轴向拔出力(Fmax)与辛伐他汀0mg组相比,分别增加了45.75%和51.53%(P0.01);组织学观察发现辛伐他汀0.5mg、1mg组螺钉周围骨小梁明显增多,钉骨接触面积明显增大。结论:骨质疏松小型猪腰椎椎体内单次注射低剂量辛伐他汀可促进骨形成,增加骨密度,改善骨骼微结构,增加骨整合率,显著提高椎弓根螺钉在骨质疏松椎体中的稳定性。     

一种新型钉道强化椎弓根螺钉生物力学研究

[目的]探讨一种新型钉道强化椎弓根螺钉在骨质疏松椎体中的生物力学特性。[方法]从4具老年尸体中选取20个腰椎标本(L_(1～5)),均符合骨质疏松症诊断标准(T-2.5),采用随机分4组,每组5个椎体。分别为单纯普通椎弓根螺钉组(无强化组)、普通椎弓根螺钉强化组(普通强化组)、可注射空心椎弓根螺钉强化组(空心钉强化组)、新型钉道强化椎弓根螺钉强化组(新型强化组)。观察骨水泥分布情况,并测量各组螺钉最大轴向拔出力及不同螺钉的刚度。[结果]三种强化骨水泥的分布不同,普通强化组骨水泥主要分布于椎体前部;空心钉强化组骨水泥主要分布于椎体前部及部分中后部,新型强化组骨水泥主要分布于钉道周围,包括椎体前、中、后部及部分椎弓根部。生物力学测量最大轴向拔出力依次为:新型强化组空心钉强化组普通强化组无强化组,差异具有统计学意义(P0.05)。螺钉刚度依次为普通螺钉新型螺钉空心螺钉,差异有统计学意义(P0.05)。[结论]新型钉道强化椎弓根螺钉能够提高螺钉在骨质疏松椎体固定的稳定性,且骨水泥分布有所改善,螺钉的刚度适中。     

聚甲基丙烯酸甲酯强化对骨质疏松椎弓根螺钉固定的生物力学作用

目的探讨聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethylmethacrylate,PMMA)骨水泥强化椎弓根螺钉的方法和评价 PMMA强化骨质疏松椎弓根螺钉后的生物力学性质。方法 6具新鲜老年女性胸腰段骨质疏松脊柱标本 (T10～ L5),使用双能 X线骨密度吸收仪测试每个椎体的骨密度,随机取 16个椎体 (32侧椎弓根 ),一侧椎弓根拧入 CCD螺钉,测量最大旋入力偶矩后拔出螺钉作为正常对照组,用 PMMA骨水泥强化椎弓根螺钉作为修复固定组,行螺钉拔出试验;另一侧经导孔直接强化椎弓根螺钉后拔出作为强化固定组,记录三组螺钉的最大轴向拔出力。结果椎体平均骨密度为 (0.445± 0.019)g/cm2;螺钉最大旋入力偶矩为（ 0.525± 0.104） Nm;正常对照组螺钉最大轴向拔出力为 (271.5± 57.3)N;修复固定组为 (765.9± 130.7)N;强化固定组为 (845.7± 105.0)N。 PMMA骨水泥强化或修复骨质疏松椎弓根螺钉后最大抗压力明显高于强化前,差异有非常显著性意义 (P< 0.01)。结论 PMMA骨水泥强化骨质疏松椎弓根螺钉能显著增加螺钉在椎体内的稳固性。     

新型椎弓根钉骨水泥强化系统的生物力学与骨水泥剂量关系

目的建立骨质疏松模型,研究骨质疏松情况下新型经皮长U形空心椎弓根钉骨水泥强化系统(PMI-NPPS)的生物力学与骨水泥剂量之间的关系。方法取年龄在2.5~3.0岁绵羊腰椎,根据羊腰椎大小定做特定尺寸的羊PMI-NPPS。将40个椎体分成A、B组,B组脱钙4 h,分别进行骨密度测量,统计学分析确认骨质疏松模型建立。制备50个骨质疏松椎体随机分成5组,置入羊PMI-NPPS及骨水泥,按剂量分为0 ml组、0.5 ml组、1.0 ml组、1.5 ml组、2.0 ml组,进行生物力学测试,然后得出骨水泥剂量与Fmax(最大拔出力)的关系。结果 A组骨密度值为(0.875±0.003)g/cm~3、B组骨密度值为(0.631±0.003)g/cm~3,B组骨密度值低于A组,差异有统计学意义(P0.05)。脱钙后椎体骨密度较脱钙前降低27.9%。0 ml组、0.5 ml组、1.0 ml组、1.5 ml组、2.0 ml组的Fmax分别为(372.34±47.96)N、(613.85±30.37)N、(760.64±51.18)N、(896.59±47.97)N、(1 011.59±47.97)N。Pearson相关分析结果提示骨水泥剂量与Fmax呈直线相关,线性回归方程为y=312.5x+418.75(R~2=0.977),且1.5 ml为最理想的骨水泥剂量。结论当骨水泥剂量为0~2 ml时,随着骨水泥剂量的增加,羊PMI-NPPS的Fmax越高,且呈线性相关;当骨水泥剂量为1.5 ml时,羊PMI-NPPS的Fmax可达到正常骨密度时内固定的强度。     

骨质疏松绵羊模型松质骨及皮质骨的微观结构及力学性能变化的研究

目的观察去势手术对绵羊皮质骨和松质骨的骨密度、骨小梁结构及力学性能的影响。方法20只雌性成年绵羊（4±1.5）随机分为去势4个月组（OVX-4months）（4只）、去势12个月组（OVX-12months）（8只）和假手术（Sham）组（8只）。OVX组行双侧卵巢切除术,假手术组仅显露双侧卵巢,术中测定腰椎骨密度。分别与术后4、12个月处死动物,测定股骨颈、股骨干及股骨髁的骨密度,并行MicroCT分析及生物力学测试。结果去势12个月后（OVX-12months）组腰椎、股骨颈及股骨髁的骨密度较对照组显著降低,而皮质骨骨密度无明显降低。其松质骨的相对骨体积（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）、骨小梁数目（Tb.N）较对照组显著降低,表面积体积比（BS/BV）、骨小梁间隙（Tb.Sp）则较对照显著增高。生物力学测试表明,去势12个月后,腰椎松质骨的最大压缩应力分别较Sham组和OVX-12months组下降82.5%和85.9%,力学强度显著下降,而皮质骨的力学强度无显著变化。结论去势12个月后,绵羊腰椎、股骨部的松质骨BMD及骨小梁空间结构参数明显降低,力学强度也显著下降,可以作为骨质疏松的大动物模型。而皮质骨的骨密度和力学强度下降不明显,需要更长的去势时间。     

成年猪椎体骨质疏松生物力学模型的快速建立

目的使用乙二胺四乙酸二钠（ethylene diamine tetraacetic acid disodium salt, EDTA-Na2）体外脱钙法制备成年猪椎体骨质疏松模型,探讨一种快速、有效制备离体椎体骨质疏松生物力学模型的方法。方法选取成年猪胸腰段椎体36个,甲醛浸泡固定后随机分成四组,每组9个椎体,采取4种处理方法：A组为对照组,不做处理,B、C、D组分别以0．595mmol／L的EDTA—Na2溶液脱钙10d、15d、20d。后对其进行大体、直接数字化X射线（digital Mradiogrxphy,DR）观察,并行骨矿密度（bone mineral density,BMD）测定,再行垂直压缩试验检测椎体强度及刚度,观察其随时间延长而发生的变化。结果大体标本观察：随着脱钙时间的延长,椎体椎弓根处钉孔依次扩大,脱钙液浸润范围依次增加;DR显示：脱钙组椎体骨密度显著降低,骨量减少;随着脱钙时间的延长、椎体BMD、压缩强度和刚度呈依次降低的趋势,组间比较有统计学意义（P〈0．01）。结论应用EDTA—Na2脱钙法可在较短时间内建立用于生物力学研究的骨质疏松性椎体模型。     

Axial compressive strength of thoraco-lumbar vertebrae--an experimental biomechanical study]

PURPOSE: This study analyzed the correlation between the compressive strength of human thoracolumbar vertebrae, bone density and endplate area (measured by SE-QCT). METHOD: The compressive strength of 110 human vertebral specimens (D11-L5) was measured. In order to determine standard values for human vertebral specimens from each level and different female and male age groups were examined. Before biomechanical testing the specimens were examined using SE-QCT with 1.5 and 10 mm slice thickness. Three different slice locations (mid-vertebral and adjacent to both endplates) and 6 regions of interest (ROI) were chosen to assess BMD. The area of the vertebral endplates was measured by CT. RESULTS: Highest correlations between BMD and compressive strength were found for the 10 mm thick midvertebral slices with a small ellipsoid ROI. Cancellous and cortical bone contributed to the compressive strength to the same amount. Compressive strength and endplate area increased in the cranio-caudal direction, bone density was constant throughout thoracolumbar spine. Bone density and compressive strength depended on age and sex. Compressive strength of human thoracolumbar vertebrae increased with bone density as well as the size of the endplates. CONCLUSIONS: Using bone density and endplate area (SE-QCT) of human thoracolumbar vertebrae (D11-L5) a prediction of compressive strength is possible with an error of estimation of 1.17 kN and a correlation factor of 0.85. The prediction of the compressive strength allows an estimation of the risk of vertebral fracture, i.e. in patients with osteoporosis or in individuals with intensive physical activities. The standard values of the human thoracolumbar vertebrae together with biomechanical examinations of vertebral metastases can be used to estimate the compressive strength of osteolytic and osteoplastic spinal metastases.     

磷酸钙骨水泥强化骨质疏松绵羊腰椎力学强度的动态观察

目的观察磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement,CPC）强化骨质疏松绵羊腰椎生物力学强度的体内动态变化。方法成年雌性绵羊12只行去势手术后饲养1年,测量去势前后腰椎骨密度。取L2~L5为实验对象,空白组不给予任何处理,CPC组中,经椎弓根向椎体内注射CPC 2.0 mL。于术后1 d、6周、12周和24周四个时间点各随机处死3只绵羊,对椎体行压缩实验,分别测量各组中椎体的最大压缩应力（ultimate compressive stress,σult）和能量吸收值（energy absorption value,EAV）,对比分析同一时间点不同方法之间和同一方法的不同时间点之间的力学指标。结果去势1年后绵羊腰椎骨密度显著下降,差异具有统计学意义（P〈0.05）,骨质疏松绵羊模型建立成功。空白组中各时间点之间的σult和EAV均无显著性差异（P〉0.05）,而CPC组中各时间点之间的σult和EAV也均无显著性差异（P〉0.05）;在同一时间点,CPC组螺钉的σult和EAV均显著高于对照组（P〈0.05）。结论 CPC对骨质疏松椎体的即时强度和远期强度均有显著的强化效果,它对椎体的强化效果在体内是动态稳定的,为脊柱达到坚强骨性融合提供了良好的力学环境。CPC作为一种生物相容性好、可降解吸收、可促骨生成和机械强度好的材料具有广阔临床应用前景。     

电针对去卵巢大鼠骨密度及生物力学的影响

目的研究电针对去卵巢骨质疏松模型大鼠骨密度(BMD)、生物力学的影响。方法选取60只雌性SD大鼠,随机分为空白组、模型组、假手术组、药物组、电针组,每组12只。空白组不做任何处理;假手术组只暴露双侧卵巢但不切除;其余3组行双侧切卵巢法建立骨质疏松模型大鼠。造模13周后开始治疗,电针组取"肾俞"、"脾俞"、"三阴交"、"足三里",每次电针刺激15 min(断续波,2 Hz,1.0m A)并灌服与药物组相同体积的蒸馏水,每日1次,连续治疗5 d,间隔2 d,20 d为1个疗程,共3个疗程;药物组大鼠以戊酸雌二醇水溶液(0.02 mg/mL,1 mL/100 g体质量)灌胃,疗程同电针组;空白组不予处理,常规饲养;模型组、假手术组大鼠灌服与药物组相同体积的蒸馏水,疗程同电针组。治疗结束后麻醉处死大鼠,分离股骨和第4腰椎,双能X射线骨密度检测仪检测股骨和腰椎BMD;三点弯曲法和压缩法检测股骨和腰椎生物力学。结果与假手术组相比,模型组大鼠股骨和第四腰椎离体BMD、股骨和第四腰椎的最大载荷及弹性模量均显著性降低(P0.01);与模型组相比,电针组、药物组大鼠股骨和第四腰椎离体BMD、股骨和第四腰椎的最大载荷及弹性模量均显著性升高(P0.01);电针组、药物组大鼠股骨和第四腰椎离体BMD、股骨和第四腰椎的最大载荷及弹性模量均显著性低于假手术组(P0.01)。结论针刺能有效增加大鼠骨密度,阻止骨量降低,减缓骨力学的退变,增强骨强度,对绝经后骨质疏松症具有一定的治疗作用。     

Bone Changes due to Glucocorticoid Application in an Ovariectomized Animal Model for Fracture Treatment in Osteoporosis

In a pilot experiment comparing four different modalities for inducing osteoporosis in the sheep, a combination of ovariectomy, calcium/vitamin D-restricted diet and steroid administration was found to generate the highest decrease in bone mineral density (BMD). The aim of the present study was to quantify the outcome of this triple treatment in an animal model of osteoporosis in terms of alteration in bone mass, bone structure and bone mechanics. A total of 32 sheep were divided into two equal groups. Group 1 (age 3–5 years) was used as a normal control. Group 2 (age 7–9 years) was ovariectomized, fed a calcium/vitamin D-restricted diet and injected with methylprednisolone (MP) over 7 months (22 weeks MP solution, 6 weeks MP suspension). The BMD at the distal radius and tibia was determined preoperatively and at repeated intervals bilaterally using quantitative computed tomography. Steroid blood levels were determined 4 and 24 h after selected injections. BMD was measured at L3 and L4 after 7 months. Biopsies were taken from iliac crests, vertebral bodies and femoral heads, and bone structure parameters investigated by three-dimensional micro-CT. Compressive mechanical properties of cancellous bone were determined from biopsies of vertebral bodies and femoral heads. After 7 months of osteoporosis induction the BMD of cancellous bone decreased 36 ± 3% in the radius and 39 ± 4% in the tibia. Steroid blood levels 24 h after injection of MP suspension were significantly higher than after injection of MP solution. Changes in structural parameters of cancellous bone from the iliac crest, lumbar spine and femoral head in group 2 indicated osteoporosis-associated changes. In group 2 there was a significant reduction in BMD of the lumbar spine and a significant reduction in stiffness and failure load in compression testing of biopsies of lumbar vertebrae. In sheep, changes in the structural parameters of bone such as trabecular number and separation during osteoporosis induction are comparable to the human situation. The sheep model presented seems to meet the criteria for an osteoporosis model for fracture treatment with respect to mechanical and morphometric bone properties. Received: 4 May 2001 / Accepted: 6 December 2001