本文選題：骨重建　切入點：有限元　出處：《吉林大學》2016年博士論文

【摘要】：骨組織具有功能適應性,可以通過骨重建過程調整自身結構和質量分布以適應其周圍力學環(huán)境。骨重建過程主要受力學因素調控,長期處于不正常力學環(huán)境下會導致骨形態(tài)結構異常,進而導致骨疾病發(fā)生,如骨性關節(jié)炎(Osteoarthritis,OA)和骨質疏松癥(Osteoporosis,OP),降低了老年人的生活質量,并且給社會經濟增加了沉重的負擔。為了深入探索不同力學環(huán)境對骨結構的影響機制,本文采用定量骨重建理論結合有限元法,模擬不同力學環(huán)境對宏觀和微觀骨結構的影響,并對骨密度(Bone mineral density,BMD)和力學性能的變化進行定量分析,探討力學因素與骨形態(tài)結構異常的關系,為臨床上骨疾病的預防和治療提供理論依據;采用實驗方法研究了生長期雌性大鼠進行不同水平負重和負重跑步運動對多尺度骨屬性的影響,從宏觀-細觀-微納觀不同尺度對比了骨宏觀力學性能、微觀結構及納觀材料屬性的變化,探討不同水平負重和負重跑步運動對骨形態(tài)結構和力學特性的影響。本研究有助于深入認識不同水平力學激勵導致生長期大鼠骨骼在不同尺度的變化,為青少年期進行合理鍛煉以增加骨強度提供理論依據。本文研究內容可分為以下三部分:第一部分,采用適應性定量骨重建理論結合有限元法,模擬不同力學環(huán)境下三維脛骨近端內部BMD的變化,探索力學環(huán)境與骨形態(tài)結構異常的關系。利用計算機斷層掃描(Computed tomography,CT)獲得右側脛骨近端影像數據,在MIMICS 17.0軟件中建立脛骨近端三維模型,導入到大型有限元軟件ANSYS12.0中建立三維脛骨近端有限元模型,采用有限元法與定量骨重建理論相結合,首先對年輕人正常力學環(huán)境下三維脛骨近端內部結構進行模擬預測,為了驗證模擬結果,在脛骨近端選擇感興趣區(qū)(Region of interest,ROI),對BMD進行定量分析,并與臨床測量結果進行對比。模擬結果表明,年輕人正常力學環(huán)境下三維脛骨近端BMD的分布與臨床測量正常脛骨近端結果一致,說明本研究采用的方法可以較為準確地模擬脛骨近端三維內部結構。驗證模型的準確性之后,根據膝外翻脛骨平臺上關節(jié)力變化規(guī)律,改變脛骨平臺上的載荷分布,以正常脛骨近端模擬結果為初始結構,模擬預測了老年人膝外翻6°后三維脛骨近端內部結構。在脛骨近端選取ROI對BMD進行定量分析,并與臨床測量結果進行對比,結果表明,膝外翻后脛骨近端BMD分布與臨床上OA患者測量結果一致�？梢娏W環(huán)境的變化是導致OA的重要原因之一,長期處于不正常力學環(huán)境可能會導致OA的發(fā)生。此外,本文采用的方法可以較為準確地模擬不同力學環(huán)境下三維脛骨近端內部結構,有助于更好地理解OA的發(fā)病機制,還可以為OA的早期預防與診斷提供理論依據,是進一步研究全膝關節(jié)置換后假體周圍骨吸收的基礎,并為假體的優(yōu)化設計提供理論依據。第二部分,探索女性由于老齡和絕經導致骨量和松質骨微結構及力學性能的變化。采用細觀水平定量骨重建理論與有限元法相結合,模擬6種不同工況下三維松質骨微結構的變化,同時計算松質骨微結構的力學性能。這6種工況包括:(1)板狀松質骨微結構的形成;(2)桿狀松質骨微結構的形成;(3)載荷方向發(fā)生變化;(4)骨小梁斷裂后結構變化模擬;(5)板狀結構退化穿孔;(6)女性老齡化過程中松質骨微結構變化。結果表明,活動量減小48.48%導致松質骨微結構形態(tài)參數骨體積分數(Bone volume fraction,BV/TV)、骨小梁厚度(Trabecular bone thickness,Tb.Th)分別減小52.44%和55.79%,而骨小梁分離度(Trabecular bone separation,Tb.Sp)增大2倍,此時結構表觀彈性模量和表觀屈服強度分別降低了70.37%和74.09%。當發(fā)生微損傷時,松質骨微結構形態(tài)參數和表觀彈性模量并未發(fā)生明顯變化和降低,但是當力學激勵閾值提高16.67%時,表觀屈服強度降低了13.86%。對于女性,在40歲到60歲的20年時間里,由于絕經和老齡的共同作用,其松質骨微結構形態(tài)參數BV/TV和Tb.Th分別減小了14.00%和23.96%,而Tb.Sp則增大了23.16%,此時表觀彈性模量和表觀屈服強度分別降低了24.92%和25.23%。可見,老齡導致了骨量流失,而雌激素缺乏加速了與老齡有關的骨流失,與此同時,松質骨微結構退化,松質骨微結構強度大大降低,從而增加了骨折的風險。本研究模擬了由力學因素和生物學因素共同作用導致的松質骨微結構變化,并對這種變化進行定量分析,可以為臨床上預防和治療由于老齡和絕經導致的骨量流失提供理論依據,及為其他骨疾病如廢用導致的OP的治療提供幫助。第三部分,深入探索不同水平力學激勵對生長期骨骼不同尺度屬性的影響,將96只1月齡雌性Wistar大鼠隨機分為對照組、負重12%組、負重19%組、負重26%組、跑步運動組、負重12%跑步運動組、負重19%跑步運動組、負重26%跑步運動組。對其進行中等強度的跑步運動訓練,速度為12 m/min,15 min/天,7天/周。8周實驗后處死,取血液離心后獲得血清檢測其堿性磷酸酶和抗酒石酸酸性磷酸酶,評估其成骨和破骨細胞活性;取大鼠股骨進行多尺度實驗研究,對股骨干皮質骨進行三點彎曲力學試驗、微型計算機斷層掃描(Micro-computed tomography,Micro-CT)、納米壓痕測試、化學成分分析及掃描電鏡觀測,對皮質骨宏觀力學性能、三維微觀結構、納觀力學性能、鈣、磷含量及股骨干皮質骨橫向斷裂面微觀形貌進行檢測和觀察;對股骨頭松質骨進行Micro-CT掃描、熒光測試和納米壓痕力學測試,評估其三維微觀結構、骨礦化沉積率和骨形成速率,及納觀力學性能。結果表明,在生長期進行負重和負重跑步運動未能顯著增大雌性大鼠皮質骨密度和松質骨密度;低水平負重跑步運動能夠顯著改善松質骨微觀結構;負重為中等和高水平時,尚未發(fā)現跑步運動對松質骨微觀結構有積極作用,且無論是否進行跑步運動,松質骨微觀結構退化程度都隨負重水平增加而增加。皮質骨各個尺度性能均發(fā)生變化,雖然負重和負重跑步運動未顯著增加股骨宏觀強度,但在微觀尺度,無負重跑步運動組(ex組)、低水平負重組(eb12組和wb12組)和中等水平負重組(eb19組和wb19組)顯著改善了皮質骨橫向斷裂面膠原纖維排列;在納觀尺度,低水平負重跑步運動組(eb12組)和中等水平負重跑步運動組(eb19組)顯著改善了皮質骨納觀材料力學性能。本研究結果有助于進一步認識生長期大鼠骨骼在不同尺度的變化,可以為人類在青少年期進行合理鍛煉以提高骨質量提供理論指導。
[Abstract]:Bone mineral density ( BMD ) and bone morphogenetic protein ( BMD ) were analyzed quantitatively by using quantitative bone reconstruction theory and finite element method . The results showed that the bone volume fraction ( BV / TV ) , bone volume fraction ( BV / TV ) and trabecular thickness ( Tb . Th ) decreased by 52.44 % and 55.79 % respectively . In this paper , the effects of mechanical and biological factors on bone loss in aged and postmenopausal women were studied . The effects of running motion on the microstructure of cancellous bone have not been found , and the degree of micro - structural deterioration of cancellous bone is increased with the increase of the weight of the cortical bone , regardless of whether the running motion is performed or not .

【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R68;O241.82

【相似文獻】

相關期刊論文 前4條

1 張春秋,朱興華;改變力學環(huán)境后松質骨胞元結構的預測[J];中國生物醫(yī)學工程學報;2001年02期

2 張英,崔磊,劉偉,曹誼林;力學環(huán)境對軟骨基質代謝的影響[J];中國生物工程雜志;2003年07期

3 張春秋;張西正;李瑞欣;鄭小龍;毛艷;;骨組織工程化培養(yǎng)中成骨細胞力學響應的初步研究[J];生物醫(yī)學工程與臨床;2006年S1期

4 ;[J];;年期

相關會議論文 前10條

1 蔣麗;楊春;趙磊;鄭泉水;;細胞應力纖維響應胞外力學環(huán)境的自由能模型[A];第十屆全國生物力學學術會議暨第十二屆全國生物流變學學術會議論文摘要匯編[C];2012年

2 鄒元杰;韓增堯;張瑾;;航天器全頻域力學環(huán)境預示的主要方法[A];全國結構振動與動力學學術研討會論文集[C];2011年

3 孫樹津;后曉南;龍勉;陶祖萊;;力學環(huán)境因素與骨髓間充質干細胞的增殖與分化[A];第七屆全國生物力學學術會議論文集[C];2003年

4 曹雷霆;董心;門玉濤;郭勇;付立會;張春秋;張西正;;仿椎體力學環(huán)境的加載裝置[A];第十屆全國生物力學學術會議暨第十二屆全國生物流變學學術會議論文摘要匯編[C];2012年

5 徐強;董心;郭勇;武漢;葉金鐸;張春秋;;骨組織工程化培養(yǎng)的力學環(huán)境(綜述)[A];天津市生物醫(yī)學工程學會第29屆學術年會暨首屆生物醫(yī)學工程前沿科學研討會論文集[C];2009年

6 秦朝紅;任方;韓麗;張忠;李海波;;基于FE-SEA混合方法的中頻力學環(huán)境預示技術及應用研究[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

7 宋新新;董黎敏;李炫;葉金鐸;張春秋;;力學環(huán)境對鎂合金降解性能影響的實驗研究[A];天津市生物醫(yī)學工程學會第三十四屆學術年會論文集[C];2014年

8 張述卿;高麗蘭;徐強;趙丹;靳麗蘋;蔣科學;張春秋;;組織工程修復關節(jié)軟骨缺損的力學環(huán)境研究[A];天津市生物醫(yī)學工程學會第30次學術年會暨生物醫(yī)學工程前沿科學研討會論文集[C];2010年

9 馬宗民;朱興華;;基于Wolff定律的各向異性骨再造模型[A];中國力學學會學術大會'2005論文摘要集（上）[C];2005年

10 曹雷霆;郭勇;李江;付立會;張春秋;張西正;;一種模擬椎體力學環(huán)境的加載裝置[A];天津市生物醫(yī)學工程學會第三十二屆學術年會論文集[C];2012年

相關博士學位論文 前2條

1 方娟;不同力學環(huán)境導致宏微觀骨結構變化的數值模擬及多尺度實驗研究[D];吉林大學;2016年

2 萬宗明;力學環(huán)境下天然骨組織體外三維培養(yǎng)的研究[D];中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院;2013年

相關碩士學位論文 前3條

1 張華;飛行器結構力學環(huán)境虛擬技術研究[D];西北工業(yè)大學;2007年

2 張云霞;水凝膠基質力學環(huán)境下心肌干細胞分化研究[D];山東師范大學;2015年

3 曹魯英;運載火箭星箭對接面力學環(huán)境參數高精度測量系統研究[D];國防科學技術大學;2007年

，

本文編號：1711211