低载荷振动促进骨折愈合的纳米级力学性能及形态研究

发布时间：2017-06-01 05:13

  本文关键词：低载荷振动促进骨折愈合的纳米级力学性能及形态研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：导言：随着全球经济的迅速发展以及人口老龄化的加剧，交通事故伤、高处坠落伤和骨质疏松等所导致的骨折越发常见，而骨折在康复过程中又极易产生骨不连和延迟愈合的问题，给患者带来严重的经济负担和痛苦。目前，在促进骨折愈合的治疗方式上多采用药物治疗，但是长期药物治疗会伴有严重的副作用。因此，开发一种非药物性、非侵入式的促进骨折愈合的治疗方法极具意义。有研究表明，机械振动能够促进骨折愈合，预防骨折愈合过程中产生的骨不连和延迟愈合。本文采用高频率低载荷机械振动方式（频率35Hz，加速度0.25g，每次15min）作用于羊骨折模型上，对比持续与间歇两种振动方式对骨折愈合的影响。不同以往，学者大多是从宏观角度去检测样本，本次实验我们从纳米尺度上去检测骨痂区域骨组织的形貌和力学性能，进而比较两种振动方式在促进骨折愈合上的差异，并用以最终探讨持续与间歇低载荷机械振动促进骨折愈合的作用机制。 方法：实验选取9只12月龄雌性小尾寒羊，并随机分成三组，基础对照组，持续振动组，间歇7天振动组（连续7天振动，连续7天休息），每组3只。通过手术构建羊右后肢跖骨骨折模型，并用有限接触动力加压钢板(LC-DCP)内固定，建立骨折愈合模型。自然愈合两周后，开始对持续振动组和间歇7天振动组实验动物右后肢给予垂直振动加载，振动频率35Hz，加速度0.25g，每次振动持续15min，整个实验周期为8周。振动实验结束后，过麻处死，取其跖骨并剔除附着的软组织，卸除内固定装置，在骨折线右侧距离骨折线2mm处获取2个骨折线近端样本（近端外骨痂，近端内骨痂），4mm处获取2个远端样本（远端外骨痂，远端皮质骨）。并采用原子力显微镜和纳米压痕技术检测四个位置处骨材料的纳米级形貌和力学性能。 结果与结论：（1）原子力显微镜检测结果显示：对比骨折线附近区域四个位置处的样本表面矿物质颗粒的尺寸，发现均是对照组骨组织表面的矿物质颗粒最大，间歇7天振动组的矿物质颗粒尺寸最小（p0.05），持续组的矿物质颗粒尺寸显著小于对照组的颗粒尺寸（p0.05），间歇7天振动组的矿物质颗粒尺寸显著小于对照组的颗粒尺寸（p0.05），两振动组颗粒尺寸相比，间歇7天振动组的矿物质颗粒尺寸比持续组的颗粒尺寸小，两组之间表现出明显的统计学差异（p0.05）。同时，对比骨折线附近区域四个位置处的样本表面粗糙度，发现虽然各实验组表面粗糙度没有表现出明显的统计学差异性(p0.05)，但均是间歇7天振动组的表面粗糙度最大，持续组的表面粗糙度比间歇7天振动组的小，对照组的表面粗糙度最小。骨材料表面矿物质颗粒尺寸越小，平均粗糙度越大，骨重建越活跃，因此，纳观形貌上分析结果表明，振动能加速骨重建，促进骨折愈合，且间歇振动优于持续振动。 （2）纳米压痕测试结果显示：近端外骨痂中，持续组E最大，对照组H最大，持续组E/H最大，单因素方差分析未观测到组间参数间的显著性差异（p0.05）；近端内骨痂中，间歇7天振动组E最大，对照组H最大，间歇7天振动组E/H最大，单因素方差分析未观测到组间参数间的显著性差异（p0.05）；远端外骨痂中，，间歇7天振动组E最大，间歇7天振动组H最大，间歇7天振动组E/H最大，单因素方差分析未观测到组间参数间的显著性差异（p0.05）；远端皮质骨中，持续组E最大，对照组H最大，间歇7天振动组E/H最大，单因素方差分析未观测到组间参数间的显著性差异（p0.05）。E/H的比值越大，表明承受外界载荷的能力越强，虽然各实验组之间没有显著统计学差异，但是对比数据我们可以发现，总体上持续组和间歇组的各值要大于对照组，说明振动加载对骨折愈合是有促进作用的，然而振动组与对照组在纳米力学参数对比上均未观测到显著性差异，因此还需要进一步分析。 综上所述，从纳米尺度上分析骨折线附近区域骨组织的形貌和力学性能，我们可以推测：低载荷机械振动能够促进骨折的愈合，且间歇的振动方式效果要好于持续振动方式。
【关键词】：振动 骨折愈合 骨折线附近区域 纳观形貌 力学性能
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687;R318.08
【目录】：

• 前言4-5
• 摘要5-7
• 英文摘要7-13
• 第1章 绪论13-17
• 1.1 骨骼及其力学性能13-14
• 1.1.1 骨的结构13
• 1.1.2 骨的分类13-14
• 1.2 长骨的机械性能14-17
• 1.2.1 骨在交变载荷作用下的机械性能14
• 1.2.2 影响骨机械性能的因素14-15
• 1.2.3 影响长骨机械性能的其他因素15-17
• 第2章 机械振动与骨折愈合17-23
• 2.1 骨折与骨折愈合17-18
• 2.1.1 骨折17-18
• 2.1.2 骨折愈合过程中的常见问题和解决方法18
• 2.2 机械振动促进骨生长18-23
• 2.2.1 振动与骨组织18-20
• 2.2.2 振动相关参数20-23
• 第3章 纳米级形态及力学性能分析方法23-33
• 3.1 原子力显微镜（AFM）检测技术23-25
• 3.1.1 AFM 概述23
• 3.1.2 AFM 主要组成和原理23-24
• 3.1.3 AFM 具有很多优点24
• 3.1.4 AFM 基本成像模式24-25
• 3.2 AFM 检测在骨组织中的应用25-26
• 3.3 纳米压痕技术26-28
• 3.3.1 纳米压痕技术概述26
• 3.3.2 纳米压痕技术测试原理26
• 3.3.3 纳米压痕装置的组成26-27
• 3.3.4 纳米压痕技术的主要技术理论27-28
• 3.4 纳米压痕技术在骨组织研究中的应用28-30
• 3.4.1 骨组织的微观力学性能与宏观力学性能存在差异28
• 3.4.2 纳米压痕技术在骨小梁和皮质骨研究上的应用28-29
• 3.4.3 纳米压痕技术在骨折愈合过程中的应用29-30
• 3.5 AFM 与纳米压痕技术结合的应用30-33
• 第4章 实验前处理33-37
• 4.1 建立骨折动物模型33-34
• 4.1.1 实验动物的选取33
• 4.1.2 骨折模型建模33-34
• 4.2 振动频率34
• 4.3 羊骨折愈合模型预实验34-37
• 4.3.1 预实验观察羊胫骨骨折内固定术后的愈合情况34-35
• 4.3.2 宏观观察高频低载荷机械振动对骨折愈合的影响35
• 4.3.3 常见问题与解决方法35-37
• 第5章 实验及数据处理37-57
• 5.1 实验过程37-42
• 5.1.1 动物分组37-39
• 5.1.2 实验分组39-40
• 5.1.3 振动实验40-42
• 5.2 实验方法42-48
• 5.2.1 原子力显微镜（AFM）测试42-43
• 5.2.2 纳米压痕测试43-48
• 5.2.3 统计学分析48
• 5.3 骨材料纳米形态的原子力显微镜检测48-54
• 5.3.1 AFM 测试获得矿物质颗粒尺寸和粗糙度51-53
• 5.3.2 AFM 测试结果分析53-54
• 5.4 纳米压痕测试骨材料的纳观力学性能54-57
• 5.4.1 纳米压痕测试骨材料的弹性模量和硬度54-55
• 5.4.2 纳米压痕测试结果分析55-57
• 第6章 实验结论与展望57-59
• 6.1 实验结论57
• 6.2 展望57-59
• 参考文献59-69
• 作者简介69-71
• 致谢71

【参考文献】

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本文编号：411761