骨组织的运动疲劳损伤及其修复机制研究

发布时间：2020-07-28 23:26

【摘要】：课题研究背景:骨组织是人体重要的承重器官,具有力学适应性。下肢长骨在疲劳载荷作用下会出现疲劳损伤,常见于中长跑运动员和部队新兵的日常高强度运动训练中,主要表现为骨组织显微裂纹的萌生、扩展,力学性能下降甚至是应力性骨折,这会影响运动员的比赛成绩,削弱部队的战斗力,危害很大。针对骨组织疲劳损伤及其修复重建的研究已经广泛开展,早期的研究多偏向于骨组织疲劳试验,裂纹形态观察以及骨组织细胞疲劳响应等较为基础的方面;近年来的研究多采用先进的标记、染色、成像或是计算机建模与分析技术,研究方向多集中在疲劳裂纹扩展及骨重建的模拟计算等方面。现有的实验研究存在研究对象多样,实验条件不一,机制讨论片面等问题,因此,将骨组织作为一个具有生物活性的力学动态响应系统来研究是后续研究开展的基本出发点,从不同层面系统地考察其疲劳损伤及响应机制将具有非常重要的理论参考和临床指导意义。课题研究目的:在大鼠离体尺骨力学性能测定和皮质骨三维实体模型有限元仿真的基础上,开展相应的动物实验,建立大鼠尺骨的运动疲劳损伤模型,研究骨组织运动疲劳损伤的特点,全面系统地探究定向骨重建的响应机制与修复过程。课题研究方法:(1)利用Instron 5865材料力学试验机完成大鼠离体尺骨的典型轴向压缩静态力学性能参数(弹性模量(E)、轴向压缩强度(σ_b)、峰值应变(ε_(max))、断裂强度(σ_f)以及断裂能量(H_f))和不同疲劳载荷作用下疲劳力学性能参数(典型σ-ε环,循环割线模量(E_s),循环能量耗散值(H_c),以及疲劳E-N曲线)的测定;(2)在Pro E中建立包含骨单元的皮质骨三维实体模型,导入ANSYS软件,首先开展静力学仿真,验证皮质骨模型中骨单元的应力集中效应,然后,根据静态仿真结果,利用ANSYS的Fatigue后处理模块,对应力集中区域进行疲劳仿真,计算关键位置在疲劳载荷作用下的疲劳寿命和疲劳使用百分比(‰);(3)利用Instron 5865材料力学试验机对大鼠尺骨施加在体疲劳加载(频率1.5 Hz,峰值应变3000με,8000 cycles(或1.5 h)/2day),建立并验证大鼠尺骨组织的运动疲劳损伤模型,通过血清抗酒石酸酸性磷酸酶5b(TRAP-5b)和骨钙素(BGP)含量的检测,确定破骨细胞和成骨细胞对骨组织运动疲劳损伤的连续响应,通过对受载骨组织的非脱钙制片染色观察,监测骨间质内显微裂纹的萌生、扩展过程及其对骨细胞凋亡的影响,通过骨组织的宏观力学性能测定,评价骨组织在运动疲劳载荷作用下(准)静态力学性能和疲劳力学性能的变化。实验结果:(1)大鼠离体尺骨组织的(准)静态轴向压缩弹性模量约为604 MPa,轴向压缩强度约为8.81 MPa;疲劳力学性能测定结果显示,30000个循环的疲劳加载尚未导致大鼠尺骨的断裂失效,随着加载频率和宏观峰值应变的增加,大鼠尺骨组织初始阶段割线模量下降速度明显升高,循环的平均能量耗散迅速增加,疲劳程度增加;对于后续动物实验选择的疲劳加载条件(1.5 Hz,3000με),割线模量下降20%/25%分别需要7000/12000个循环;(2)利用ANSYS软件开展了皮质骨三维实体模型的(准)静态力学仿真计算,验证了骨单元的应力集中效应;针对疲劳风险位置开展了疲劳仿真分析,证明了生理强度运动时的低疲劳风险(疲劳使用百分比0.01‰,1500με,8000 cycles),也预测了高强度运动或训练时骨组织疲劳骨折的高风险(疲劳使用百分比9.15‰,3000με,8000 cycles);(3)基于大鼠尺骨的运动疲劳损伤模型,我们开展了相应的动物实验,多层次的检测结果显示,疲劳损伤(显微裂纹)的萌生和疲劳力学性能的下降在首次加载之后就会出现,但对骨组织整体材料属性与(准)静态承载力学性能的影响需要在疲劳损伤积累(显微裂纹生长扩展)到一定程度后才会发生;定向骨重建过程在疲劳损伤后被激活并持续开展,骨细胞凋亡首先出现,随后破骨细胞骨吸收活性增强并逐步放缓,成骨细胞骨生成活性持续增强,进而实现对显微损伤最大程度的重建和修复。实验结论:(1)利用ANSYS软件对包含骨单元的皮质骨三维实体模型进行有限元分析(Finite Element Analysis,FEA),验证了骨单元的应力集中效应;(2)成功建立了Wistar大鼠尺骨组织的在体运动疲劳损伤模型,可以模拟高强度运动或训练条件下骨组织的运动疲劳损伤并诱发后续的定向骨重建过程;(3)本课题中采用的运动疲劳加载会引起皮质骨内显微裂纹的出现,它们破坏了骨间质的结构完整性,诱发骨细胞的凋亡,进而激活针对疲劳损伤的定向骨重建过程,实现对损伤部位(显微裂纹)的持续修复与重建;(4)定向骨重建过程对骨组织内疲劳损伤的修复能力有限,持续高强度的运动训练会引起骨组织内疲劳损伤的迅速累积,导致显微裂纹的过度生长,最终诱发应力性骨折。
【学位授予单位】：军事科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R82
【图文】：

骨组织,循环加载,疲劳试验,割线模量

和 4000με（压缩）的循环载荷可以导致骨组织集中体的存在也有效抑制了显微损伤积累与快23, 24]。环次数，循环应力幅值以及显微结构特点（骨组为的主要影响因素[7, 25]。典型疲劳加载的 σ-ε 环如力应变的非线性关系愈加明显，割线模量或刚定峰值载荷的疲劳试验中，循环加载 σ-ε 环中能变（creep strain）和残余变形（residual deformat扩展[25]，其中，骨组织刚度的下降完全由骨损（割线模量）下降百分比作为骨组织疲劳损伤的换率随着年龄的增加而提高，修复显微损伤的数目减少与功能退化，使得骨组织出现弱化和脆显著，可有效减少应力集中，抑制裂纹扩展，具有更

模型图,显微裂纹,骨组织,模型

军事科学院博士学位论文(纵横半长轴比约为 5：1)[35,36]。按照受载情况材料内部疲劳损伤的显微裂纹可分为张开型（I 型裂纹）、滑移型（II 型裂纹）和反平面剪切型（III 型裂纹）（见图 1-2），其中骨组织日常活动中以 I 型裂纹最为常见，按形状又可进一步分为线性（linear）、网格状（crosshatched）和弥散状（diffused），骨间质的主应力状态导致其比骨单元更容易萌生裂纹，实验中也以线性和弥散状裂纹居多[12,29]；按照尺寸大小显微裂纹又可分为小裂纹（L<100μm）、中等裂纹（100 μm <L<300 μm）和大型裂纹（L>300 μm）[33]，载荷强度过大时，显微裂纹会迅速生长扩展形成宏观裂纹（macrocracks），引起细胞或组织层面上不可修复的疲劳损伤。人体内部的骨组织受力环境呈现出多样化[7,37]，其中，压缩载荷是绝大部分长骨的典型受力环境，而长轴方向上固有曲率的存在，使得长骨在受压时出现弯曲变形，内、外侧分别受到压应力和拉应力，进而诱发不同形式的疲劳损伤[38, 39]。

E-N曲线,疲劳试验

人尤其是绝经妇女体内雌激素的降低也会导致骨细胞凋的适应与响应能力[45]。显微结构层面上，Park 等[40]通过实验发现加载的疲劳寿出现显微裂纹的萌生，超出 15%后裂纹已生长且应力集产生于哈弗氏系统周边的骨间质区域，继续加载就会出导致骨组织承载失效（骨折）。可见，骨组织显微结构屏加载早期萌生的显微裂纹无法生长或扩展，但在加载后后，将在某一时间（阈值）突破粘合线的阻碍，扩展到结构和生理功能的完整性。观力学性能层面上，骨组织的疲劳损伤在组织水平上表包括循环加载时蠕变应变和循环能量耗散的出现[25, 26]以 1-3）[29, 39]。另外，力学理论和实验均证实：骨力学性过度生长与扩展，而非显微裂纹的萌生与合并[46]。

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