应力环境对大鼠股骨生长与重建和力学性能的影响

通过创建一种新的动物模型，研究应力环境对生长期大鼠股骨生长与重建，以及对其力学性能的影响，并探讨其作用机理。切断6周大SD大鼠右后肢的坐骨神经，致使其右后肢残废，为废用组；左后肢过度负重，为过载组；正常大鼠为对照组。每天早午晚鼓励动物运动半小时，4周后结束实验观测。测量股骨中段的宏观几何学参数、物理学参数和生物力学参数。实验发现：与对照组相比，实验组股骨的若干几何及物理参数发生了明显变化，表明应力环境可以改变活骨组织的成份和结构并逐渐改变其力学性能。实验结果表明，本研究提出的实验模型实用且可靠。     

去势大鼠所致骨质疏松对骨的黏弹性力学性质影响

目的 研究了正常大鼠和去势所致大鼠骨质疏松大鼠骨的应力松弛、蠕变力学性质,为临床提供生物力学参数.方法 选用280～320g,4～5月龄Wistar雌性大鼠50只,随机分为正常对照组25只,模型组25只.对模型组大鼠于0周摘除其卵巢.对正常对照组和模型组大鼠饲养14周后,以腹主动脉放血法处死大鼠,取大鼠股骨进行压缩试验,取大鼠胫骨进行冲击试验,还取大鼠股骨进行压缩应力松弛、蠕变实验.结果 得出了大鼠股骨压缩力学性能指标和大鼠胫骨冲击力学性能指标,得出了正常组和模型组大鼠股骨应力松弛、蠕变实验数据和曲线,对应力松弛、蠕变实验数据进行归一化处理,得出了归一化应力松弛函数,归一化蠕变函数及曲线.对实验数据进行同归分析,得出了同归系数和G(t)、J(t)表达式.结论 模型组压缩和冲击力学性能指标和7200s应力松弛量、蠕变量均小于正常组.     

模拟失重对雄性大鼠骨流变特性的测试

目的研究模拟失重对大鼠承重骨流变特性的影响,为航天医学提供模拟失重动物骨流变参数。方法30只Wistar雄性大鼠,随机分为正常对照组15只和头低位30°尾吊组(失重模型组)15只。实验第28天时取两组动物股骨进行压缩应力松弛、蠕变实验。结果得出了正常对照组和失重模型组大鼠股骨压缩应力松弛、蠕变数据和曲线,得出了两组大鼠股骨的归一化应力松弛函数,归一化蠕变函数与曲线,以一元线性回归分析的方法处理实验数据,得出了回归系数a、b与c、d值和归一化应力松弛函数G(t)、归一化蠕变函数J(t)表达式,还得出了两组大鼠股骨应力松弛、蠕变与时间的变化规律。结论失重模型组大鼠股骨应力松弛、蠕变量低于正常对照组。     

基于表观压缩实验与有限元分析相结合的骨微观力学性能参数预测方法的研究

骨表观力学性能参数常被用来评定骨质量,而微观力学性能参数由于难以测得尚未被广泛应用。为从微观水平评判骨质量,本研究提出一种骨微观力学性能参数的预测方法。该方法以大鼠股骨皮质骨为研究对象,预测其在微观水平的失效应变。首先依据扫描影像建立大鼠股骨皮质骨有限元模型,然后以表观压缩实验为研究依据,模仿实验条件,模拟皮质骨有限元模型在压缩载荷作用下的断裂过程,并通过与实验所测表观应力-应变曲线进行对比、反演,预测出大鼠股骨皮质骨在微观水平的失效应变。分析结果显示四只7月龄大鼠股骨皮质骨的微观失效应变数值处于4.53%~4.75%之间。经验证,本方法能够准确预测出骨结构在微观水平的力学性能参数。     

基于动物实验的应力与股骨近端生长关系的生物力学模型

目的　建立可数值量化的应力与骨生长目的建立可数值量化的应力与骨生长生物力学模型。方法　将动物实验、骨生长方程中未知参数的反演识别和计算机技术相结合，研究应力环境对快速生长期大鼠股骨生长与重建的影响，依据大鼠股骨所受外力刺激以及近端骨密度数值的改变，反演骨生长方程中的未知参数B和K。结果　文中所建的生物模型不仅能够数值模拟快速生长期大鼠股骨骨密度变化和外界刺激的关系，而且能够预测大鼠生命周期中某段时间内不同应力环境下股骨的生长趋势。结论：本文的建模思路和方法为人体骨骼重建适应模型的确立起到提示和借鉴作用。     

骨质疏松对骨的粘弹性性质影响的实验研究

目的研究正常大鼠股骨和维甲酸所致大鼠骨质疏松股骨的压缩粘弹性性质,为临床提供生物粘弹性力学参数。方法选用175～245g,6月龄Wistar大鼠30只,随机分为正常对照组15只,模型组15只。对模型组大鼠每日灌服维甲酸(70mg·kg-1·d-1),实验动物于第12周末处死。取股骨进行压缩应力松弛、蠕变实验。结果得出了正常对照组和模型组股骨应力松弛,蠕变数据和曲线。对应力松弛蠕变实验数据进行归一化处理,得出归一化应力松弛函数、蠕变函数及曲线。结论模型组的7200s应力松弛、蠕变量指标显著低于正常对照组(P<0.05)。     

去势大鼠所致骨质疏松对骨生物力学性质影响的实验研究

研究了正常大鼠和去势(摘除卵巢)所致大鼠骨质疏松大鼠骨的弯曲、拉伸实验和应力松弛、蠕变实验。选用280～320g,4～5月龄wistar雌性大鼠50只,随机分为正常对照组25只,模型组25只。对模型组大鼠于0周摘除其卵巢。对正常对照组和模型组大鼠饲养14周,以腹主动脉放血法处死大鼠。取大鼠股骨进行弯曲实验,取肱骨进行拉伸实验,还对大鼠股骨进行应力松弛蠕变实验。得出了正常对照组和模型组大鼠肱骨拉伸力学性能指标,正常组和对照组大鼠肱骨弯曲力学性能指标,还得出了正常组和模型组大鼠股骨应力松弛、蠕变实验数据和典线。对应力松弛、蠕变实验数据进行归一化处理,得出了归一化应力松弛函数,归一化蠕变函数及曲线。对实验数据进行回归分析,得出了回归系数和G(t)、J(t)表达式。实验结果表明:模型组各项力学性能指标均显著低于正常对照组。     

几种药物治疗骨质疏松模型大鼠股骨蠕变特性的对比分析

比较正常对照组、骨质疏松动物模组、骨质疏松动物模型各治疗组大鼠股骨的蠕变力学特性,以蠕变特性指标确定各治疗组的治疗效果。以去卵巢方法复制骨质疏松动物模型,分别以中药、西药、VK、钙剂对模型动物进行治疗,15周后处死各组大鼠,取大鼠股骨进行蠕变实验,蠕变实验的应力增加速度为0.01MR/s,设定实验时间为7 200 s,采集100个数据,记录蠕变实验数据和曲线,以三参数模型处理实验数据。正常对照组中药组、西药组7 200 s应力松弛量差异不显著(P>0.05 s),模型组7 200 s蠕变量低于正常对照组、中药组、西药组,差异显著(P>0.05 s),VK组7 200 s蠕变量大于模型组与钙剂组,差异显著(P>0.05),模型组7 200 s蠕变量与钙剂组差异不显著(P>0.05)。各组蠕变曲线是以指数关系变化的。中药、西药治疗组大鼠通过治疗股骨蠕变力学特性恢复到原来的水平,VK治疗组大鼠股骨蠕变特性有一定恢复,钙剂对提高骨的蠕变力学特性无明显效果。模型组大鼠股骨蠕变特性发生了改变。模型组大鼠股骨蠕变特性改变最大。     

骨质疏松对骨生物力学性质影响实验研究

研究了正常大鼠股骨和维甲酸所致大鼠骨质疏松股骨的生物力学性质。选用了 175 g～ 2 4 5 g ,3月龄～ 4月龄Wistar大鼠 6 0只 ,随机分为正常对照组 30只 ,模型组 30只。对模型组大鼠灌服维甲酸 (70mg·kg-1·d-1) 2周 ,实验第 12周末处死大鼠 ,测定股骨骨密度。取胫骨制作脱钙切片 ,进行骨组织形态观察。取股骨进行拉伸、冲击实验和应力松弛、蠕变实验。测定股骨生物力学性能指标 ,得出了正常对照组和模型组股骨的拉伸应力、应变数据等。还得出冲击功、冲击韧性、应力松弛 ,蠕变数据和曲线。对应力松弛蠕变实验数据进行归一化处理 ,得出归一化应力松弛函数、蠕变函数及曲线。实验结果表明模型组的各项力学性能指标显著低于正常对照组 (P <0 .0 5 )。对骨质疏松对力学性能指标的影响进行分析讨论。     

基于快速生长期大鼠在不同应力环境中活骨实验的骨适应生物模型数字量化研究

本研究提出了将动物实验、数学表达式的未知参数识别和计算机仿真技术相结合的方法建立数值量化的骨生长与重建自适应生物模型。通过设计一种新的动物实验，研究不同应力环境对快速生长期大鼠股骨生长与重建的影响，依据等时间间隔提取的大鼠股骨骨密度数值，反演了骨生长方程中的未知生物参数B和K，根据股骨的CT截面信息．重塑了三维几何模型。文中提出的这种模型及建模方法不仅能够量化表示骨密度变化量和外界刺激值之间的关系，而且能够预测大鼠整个生命周期内不同应力环境中骨的生长情况。本文的建模思路和研究方法对于人体骨骼生长重建适应模型的建立也会有一定的借鉴意义。     

低应力环境对大鼠股骨的骨密度和几何形态学的影响

切断6周大鼠的坐骨神经,使其右后肢处于低应力环境中。测量股骨不同部位的骨密度和几何形态学参数。结果发现,低应力环境下大鼠股骨的直径、皮质骨面积和骨矿密度的增加明显受抑制。但不同部位的骨密度对低应力环境的敏感性不同,表现为早期富于松质骨的股骨干骺端骨密度增加幅度的受抑,接着是富于皮质骨的骨干部的骨密度增长幅度的降低。几何形态学结果提示,早期干骺端骨密度增长幅度的降低是由于骨吸收增强,而皮质骨的骨量和尺寸的增长受抑制是骨膜骨形成持续减少的结果。     

Evaluation of the mechanical properties of rat bone under simulated microgravity using nanoindentation

Exposure to microgravity causes a decrease in bone mass and altered bone geometry due to the lack of weight-bearing forces on the skeleton. The mechanical properties of bone are due not only to the structure and geometry, but also to the tissue properties of the bone material itself. To study the effects of microgravity on bone tissue, the mechanical properties of tail suspension rat femurs were investigated. Twelve Sprague–Dawley rats were randomly divided into two groups, tail suspension (TS) and control (CON). On days 0 and 14, the bone mineral density (BMD) of the femurs was determined by Dual Energy X-ray Absorptiometry. After 14 days, three-point bending was used to test the mechanical properties of the whole femur and nanoindentation was used to measure the mechanical properties of the bone materials. The BMD of femurs in TS was significantly lower than that in CON. In the three-point bending testing, the breaking load, stiffness and energy absorption all decreased significantly in the TS group. In the nanoindentation tests, there was no significant difference between TS and CON in elastic modulus (E), while hardness (H) was significantly decreased and E/H significantly increased in TS. Weightlessness affects the intrinsic mechanical properties of bone at the bone material level. It is necessary to investigate further the effect of microgravity on the collagen bone matrix. Nanoindentation is a relatively new technique that is useful for investigating the above changes induced by microgravity and for assessing the efficacy of intervention.     

The mode of bone conservation does not affect the architecture and the tensile properties of rat femurs

The bone samples used in clinical and experimental trials must be the less damaged as possible to avoid alterations of their properties. However, the mode of storage might possibly alter the bone properties, particularly microarchitecture and strength. The aim of our study was to analyze the effects of deep-freezing and alcohol conservation techniques on the densitometric, microarchitectural and biomechanical parameters of rat femurs. The left femurs were elongated in uniaxial tension up to breakdown in order to calculate biomechanical parameters. The densitometric and microarchitectural properties of right femurs were evaluated using dual-energy X-ray absorptiometry and microcomputed tomography, respectively. Results showed no significant difference in the parameters investigated between deep-freezing, alcohol storage and fresh femurs when comparing each parameter separately. Therefore, one month storage in alcohol or deep-freezing seemed to induce no harmful effect on densitometric, microarchitectural and biomechanical parameters of rat femurs.     

超重环境对骨组织生物力学性能和形态结构的影响

目的 探讨超重环境对骨组织生物力学性能及骨组织形态结构的影响,为航天员和飞行员安全飞行训练及 最大耐受高重力值的确定提供理论支撑。 方法 采用本课题组自主设计的超重加载平台构建超重动物模型,加载 方式为腹背方向承受向心加速度,加速度分别为 5、10、20 g,离心 45 s,1 次/ d,5 d / 周,连续 4 周。 使用 Instron 5865 材料力学试验机对离体骨组织进行三点弯曲试验,通过测量力学参数的变化,分析超重环境对骨组织生物力学性 能的影响;通过双能 X 线骨密度仪扫描、Micro-CT 扫描、骨组织染色等技术,检测骨矿物质含量、骨密度及骨小梁等 形态学参数的变化,观察超重环境对骨组织形态结构的影响。 结果 超重加载可显著降低小鼠胫骨的断裂应力及 弹性模量。 超重环境导致骨组织中骨体积分数下降,骨小梁厚度以及骨小梁数量显著降低,骨小梁排列紊乱。 结 论 超重环境对骨组织生物力学性能及骨组织形态结构的影响与超重载荷的强度密切相关。 低(5 g)强度超重载 荷能够降低骨小梁厚度,但对其力学性能的影响很小。 中(10 g)、高(20 g)强度超重载荷能够显著触发骨流失以 及骨力学性能的下降。 随着超重载荷的增加,机体的生理调节无法阻止骨量和力学性能下降的趋势     

高G环境下大鼠胫骨的力学性能

背景:随着中国航天事业的发展,飞行员面临承受高G力学环境,这种环境会对飞行员骨骼造成严重影响。而胫骨作为最容易发生骨折的骨骼之一,目前对极端力学环境下胫骨生物力学研究较少。目的:通过高G离心加载装置制作动物模型,探究不同高G力学环境对大鼠生长发育和胫骨力学性能的影响。方法:取解放军军事医学科学院实验动物中心提供的雄性Wistar大鼠,通过高G离心加载装置设置悬臂以不同的转速和加速度运行模拟高G环境,并制作动物模型。每周称量大鼠体质量。取大鼠左侧胫骨进行三点弯曲实验,计算胫骨挠度、弹性模量、极限载荷;右侧胫骨进行蠕变实验,在胫骨中段皮质骨表面施加恒定应力并保持3600 s,观察其蠕变应变变化。实验已由天津理工大学动物伦理委员会批准。结果与结论:高G环境会影响大鼠正常生长发育,抑制体质量增长并降低了大鼠胫骨的力学性能,使胫骨的极限挠度分别下降了8.1%,12.2%,37.8%,51.4%;极限载荷分别下降了16%,9%,25.2%,29%。说明极端高G环境会对大鼠产生严重的负面作用。     

Skeletal changes in the hindlimbs of bipedal rats

Experimental bipedalism in rats has been proposed as a model for studying evolutionary and orthopedic change. This study quantified the skeletal changes which occur in the hindlimbs of these bipedal rats. Bipedalism was produced in 16 male rats by forelimb amputation during the neonatal period. The rats were sacrificed at maturity and the femurs and tibia-fibulas from randomly selected hindlimbs were weighed and measured. Out of a total of 25 parameters, only one, anteroposterior diameter of the proximal femur, was found to differ statistically between the bipedal and control groups. No changes were found in bone length, weight, or curvature. The results of other bipedal studies were reviewed, in light of these findings; and it is concluded that rats do not achieve true bipedalism, or increased hindlimb loading.     

人骨拉伸和压缩力学的性能测试

背景：人体骨组织材料力学性能参数是进行骨骼内部应力计算分析、断裂损伤分析、应力骨改建研究等的基础数据,也是深入开展人体骨骼生物力学行为特性研究的必要已知条件之一,但目前国际上还没有统一的骨组织力学性能测试的试验标准。 目的：探讨骨组织拉压力学性能测试的试样制备、试样约束和夹持、试验数据处理和试验误差等问题的研究进展。 方法：在骨组织拉伸压缩试验无具体标准可循的环境下,对已验证的试验方法和途径进行介绍。总结并强调了骨组织拉压试验中的各项误差及其减少;以减少系统误差为目的,介绍了规范的骨组织宏观拉压测试方法。 结果与结论：通过拉伸压缩试验可获得骨组织的弹性模量、泊松比、拉伸强度和压缩强度等重要力学性能参数,测试关键环节涉及标准试样设计和加工、试件夹持、试验数据处理和力学参数的计算,各环节均需参照最新研究以减少试验误差。     

利用生物力学方法评价振动在骨质疏松康复过程中的作用

目的 通过研究基于Micro CT数据的大鼠股骨皮质骨材料性质与力学性能的关系,探讨振动在对抗骨量丢失过程中的生物力学评价方法。方法 Wistar大鼠35只,尾部悬吊建立废用性骨质疏松模型,随机分为间歇振动1、3、5、7 d和持续振动组。实施35 Hz、0.3 g的机械振动,8周后处死,取其左侧股骨行Micro CT扫描,建立皮质骨三维有限元模型,计算获得其表观和组织水平的力学参数。通过主元素分析法从材料分布、间歇振动天数、体积分数中提取主元素。结果 提取出了能够全面反映振动下皮质骨材料性质的3个主元素,并建立起主元素与表观和细观力学参数之间的回归方程。影响皮质骨力学性能的主要因素为材料分布,体积分数与间歇振动天数的影响次之。结论 皮质骨的材料性质能够反映其力学性能的变化,通过材料性质与力学性能的关系可以评估骨强度,为骨质疏松的振动防治及其康复过程的评价提供理论依据。