【摘要】：課題研究背景:骨組織是人體重要的承重器官,具有力學(xué)適應(yīng)性。下肢長(zhǎng)骨在疲勞載荷作用下會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷,常見于中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員和部隊(duì)新兵的日常高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中,主要表現(xiàn)為骨組織顯微裂紋的萌生、擴(kuò)展,力學(xué)性能下降甚至是應(yīng)力性骨折,這會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的比賽成績(jī),削弱部隊(duì)的戰(zhàn)斗力,危害很大。針對(duì)骨組織疲勞損傷及其修復(fù)重建的研究已經(jīng)廣泛開展,早期的研究多偏向于骨組織疲勞試驗(yàn),裂紋形態(tài)觀察以及骨組織細(xì)胞疲勞響應(yīng)等較為基礎(chǔ)的方面;近年來的研究多采用先進(jìn)的標(biāo)記、染色、成像或是計(jì)算機(jī)建模與分析技術(shù),研究方向多集中在疲勞裂紋擴(kuò)展及骨重建的模擬計(jì)算等方面�，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究存在研究對(duì)象多樣,實(shí)驗(yàn)條件不一,機(jī)制討論片面等問題,因此,將骨組織作為一個(gè)具有生物活性的力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)來研究是后續(xù)研究開展的基本出發(fā)點(diǎn),從不同層面系統(tǒng)地考察其疲勞損傷及響應(yīng)機(jī)制將具有非常重要的理論參考和臨床指導(dǎo)意義。課題研究目的:在大鼠離體尺骨力學(xué)性能測(cè)定和皮質(zhì)骨三維實(shí)體模型有限元仿真的基礎(chǔ)上,開展相應(yīng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn),建立大鼠尺骨的運(yùn)動(dòng)疲勞損傷模型,研究骨組織運(yùn)動(dòng)疲勞損傷的特點(diǎn),全面系統(tǒng)地探究定向骨重建的響應(yīng)機(jī)制與修復(fù)過程。課題研究方法:(1)利用Instron 5865材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)完成大鼠離體尺骨的典型軸向壓縮靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)(彈性模量(E)、軸向壓縮強(qiáng)度(σ_b)、峰值應(yīng)變(ε_(tái)(max))、斷裂強(qiáng)度(σ_f)以及斷裂能量(H_f))和不同疲勞載荷作用下疲勞力學(xué)性能參數(shù)(典型σ-ε環(huán),循環(huán)割線模量(E_s),循環(huán)能量耗散值(H_c),以及疲勞E-N曲線)的測(cè)定;(2)在Pro E中建立包含骨單元的皮質(zhì)骨三維實(shí)體模型,導(dǎo)入ANSYS軟件,首先開展靜力學(xué)仿真,驗(yàn)證皮質(zhì)骨模型中骨單元的應(yīng)力集中效應(yīng),然后,根據(jù)靜態(tài)仿真結(jié)果,利用ANSYS的Fatigue后處理模塊,對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行疲勞仿真,計(jì)算關(guān)鍵位置在疲勞載荷作用下的疲勞壽命和疲勞使用百分比(‰);(3)利用Instron 5865材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)大鼠尺骨施加在體疲勞加載(頻率1.5 Hz,峰值應(yīng)變3000με,8000 cycles(或1.5 h)/2day),建立并驗(yàn)證大鼠尺骨組織的運(yùn)動(dòng)疲勞損傷模型,通過血清抗酒石酸酸性磷酸酶5b(TRAP-5b)和骨鈣素(BGP)含量的檢測(cè),確定破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞對(duì)骨組織運(yùn)動(dòng)疲勞損傷的連續(xù)響應(yīng),通過對(duì)受載骨組織的非脫鈣制片染色觀察,監(jiān)測(cè)骨間質(zhì)內(nèi)顯微裂紋的萌生、擴(kuò)展過程及其對(duì)骨細(xì)胞凋亡的影響,通過骨組織的宏觀力學(xué)性能測(cè)定,評(píng)價(jià)骨組織在運(yùn)動(dòng)疲勞載荷作用下(準(zhǔn))靜態(tài)力學(xué)性能和疲勞力學(xué)性能的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(1)大鼠離體尺骨組織的(準(zhǔn))靜態(tài)軸向壓縮彈性模量約為604 MPa,軸向壓縮強(qiáng)度約為8.81 MPa;疲勞力學(xué)性能測(cè)定結(jié)果顯示,30000個(gè)循環(huán)的疲勞加載尚未導(dǎo)致大鼠尺骨的斷裂失效,隨著加載頻率和宏觀峰值應(yīng)變的增加,大鼠尺骨組織初始階段割線模量下降速度明顯升高,循環(huán)的平均能量耗散迅速增加,疲勞程度增加;對(duì)于后續(xù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)選擇的疲勞加載條件(1.5 Hz,3000με),割線模量下降20%/25%分別需要7000/12000個(gè)循環(huán);(2)利用ANSYS軟件開展了皮質(zhì)骨三維實(shí)體模型的(準(zhǔn))靜態(tài)力學(xué)仿真計(jì)算,驗(yàn)證了骨單元的應(yīng)力集中效應(yīng);針對(duì)疲勞風(fēng)險(xiǎn)位置開展了疲勞仿真分析,證明了生理強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)的低疲勞風(fēng)險(xiǎn)(疲勞使用百分比0.01‰,1500με,8000 cycles),也預(yù)測(cè)了高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)或訓(xùn)練時(shí)骨組織疲勞骨折的高風(fēng)險(xiǎn)(疲勞使用百分比9.15‰,3000με,8000 cycles);(3)基于大鼠尺骨的運(yùn)動(dòng)疲勞損傷模型,我們開展了相應(yīng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn),多層次的檢測(cè)結(jié)果顯示,疲勞損傷(顯微裂紋)的萌生和疲勞力學(xué)性能的下降在首次加載之后就會(huì)出現(xiàn),但對(duì)骨組織整體材料屬性與(準(zhǔn))靜態(tài)承載力學(xué)性能的影響需要在疲勞損傷積累(顯微裂紋生長(zhǎng)擴(kuò)展)到一定程度后才會(huì)發(fā)生;定向骨重建過程在疲勞損傷后被激活并持續(xù)開展,骨細(xì)胞凋亡首先出現(xiàn),隨后破骨細(xì)胞骨吸收活性增強(qiáng)并逐步放緩,成骨細(xì)胞骨生成活性持續(xù)增強(qiáng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微損傷最大程度的重建和修復(fù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論:(1)利用ANSYS軟件對(duì)包含骨單元的皮質(zhì)骨三維實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析(Finite Element Analysis,FEA),驗(yàn)證了骨單元的應(yīng)力集中效應(yīng);(2)成功建立了Wistar大鼠尺骨組織的在體運(yùn)動(dòng)疲勞損傷模型,可以模擬高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)或訓(xùn)練條件下骨組織的運(yùn)動(dòng)疲勞損傷并誘發(fā)后續(xù)的定向骨重建過程;(3)本課題中采用的運(yùn)動(dòng)疲勞加載會(huì)引起皮質(zhì)骨內(nèi)顯微裂紋的出現(xiàn),它們破壞了骨間質(zhì)的結(jié)構(gòu)完整性,誘發(fā)骨細(xì)胞的凋亡,進(jìn)而激活針對(duì)疲勞損傷的定向骨重建過程,實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷部位(顯微裂紋)的持續(xù)修復(fù)與重建;(4)定向骨重建過程對(duì)骨組織內(nèi)疲勞損傷的修復(fù)能力有限,持續(xù)高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練會(huì)引起骨組織內(nèi)疲勞損傷的迅速累積,導(dǎo)致顯微裂紋的過度生長(zhǎng),最終誘發(fā)應(yīng)力性骨折。
【學(xué)位授予單位】：軍事科學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R82
【圖文】：

和 4000με（壓縮）的循環(huán)載荷可以導(dǎo)致骨組織集中體的存在也有效抑制了顯微損傷積累與快23, 24]。環(huán)次數(shù)，循環(huán)應(yīng)力幅值以及顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（骨組為的主要影響因素[7, 25]。典型疲勞加載的 σ-ε 環(huán)如力應(yīng)變的非線性關(guān)系愈加明顯，割線模量或剛定峰值載荷的疲勞試驗(yàn)中，循環(huán)加載 σ-ε 環(huán)中能變（creep strain）和殘余變形（residual deformat擴(kuò)展[25]，其中，骨組織剛度的下降完全由骨損（割線模量）下降百分比作為骨組織疲勞損傷的換率隨著年齡的增加而提高，修復(fù)顯微損傷的數(shù)目減少與功能退化，使得骨組織出現(xiàn)弱化和脆顯著，可有效減少應(yīng)力集中，抑制裂紋擴(kuò)展，具有更

軍事科學(xué)院博士學(xué)位論文(縱橫半長(zhǎng)軸比約為 5：1)[35,36]。按照受載情況材料內(nèi)部疲勞損傷的顯微裂紋可分為張開型（I 型裂紋）、滑移型（II 型裂紋）和反平面剪切型（III 型裂紋）（見圖 1-2），其中骨組織日�；顒�(dòng)中以 I 型裂紋最為常見，按形狀又可進(jìn)一步分為線性（linear）、網(wǎng)格狀（crosshatched）和彌散狀（diffused），骨間質(zhì)的主應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致其比骨單元更容易萌生裂紋，實(shí)驗(yàn)中也以線性和彌散狀裂紋居多[12,29]；按照尺寸大小顯微裂紋又可分為小裂紋（L<100μm）、中等裂紋（100 μm <L<300 μm）和大型裂紋（L>300 μm）[33]，載荷強(qiáng)度過大時(shí)，顯微裂紋會(huì)迅速生長(zhǎng)擴(kuò)展形成宏觀裂紋（macrocracks），引起細(xì)胞或組織層面上不可修復(fù)的疲勞損傷。人體內(nèi)部的骨組織受力環(huán)境呈現(xiàn)出多樣化[7,37]，其中，壓縮載荷是絕大部分長(zhǎng)骨的典型受力環(huán)境，而長(zhǎng)軸方向上固有曲率的存在，使得長(zhǎng)骨在受壓時(shí)出現(xiàn)彎曲變形，內(nèi)、外側(cè)分別受到壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，進(jìn)而誘發(fā)不同形式的疲勞損傷[38, 39]。

人尤其是絕經(jīng)婦女體內(nèi)雌激素的降低也會(huì)導(dǎo)致骨細(xì)胞凋的適應(yīng)與響應(yīng)能力[45]。顯微結(jié)構(gòu)層面上，Park 等[40]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加載的疲勞壽出現(xiàn)顯微裂紋的萌生，超出 15%后裂紋已生長(zhǎng)且應(yīng)力集產(chǎn)生于哈弗氏系統(tǒng)周邊的骨間質(zhì)區(qū)域，繼續(xù)加載就會(huì)出導(dǎo)致骨組織承載失效（骨折）�？梢�，骨組織顯微結(jié)構(gòu)屏加載早期萌生的顯微裂紋無法生長(zhǎng)或擴(kuò)展，但在加載后后，將在某一時(shí)間（閾值）突破粘合線的阻礙，擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)和生理功能的完整性。觀力學(xué)性能層面上，骨組織的疲勞損傷在組織水平上表包括循環(huán)加載時(shí)蠕變應(yīng)變和循環(huán)能量耗散的出現(xiàn)[25, 26]以 1-3）[29, 39]。另外，力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)均證實(shí)：骨力學(xué)性過度生長(zhǎng)與擴(kuò)展，而非顯微裂紋的萌生與合并[46]。

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