2021年骨重建力學(xué)調(diào)控機制的分析

1、骨重建力學(xué)調(diào)控機制的分析 骨 _自我調(diào)整和自我更新的生理機制是骨重建，下面是搜集的一篇相關(guān)，供大家閱讀借鑒。 骨 _具有適應(yīng)力學(xué)環(huán)境的能力，能夠從形狀、骨量以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行不斷地自我調(diào)整和自我更新，使其本身在質(zhì)量、數(shù)量、分布( 結(jié)構(gòu)) 和微結(jié)構(gòu)完整性 4 個方面都以最佳狀況來適應(yīng)變化的力學(xué)環(huán)境1.骨 _自我調(diào)整和自我更新的生理機制是骨重建，骨重建是破骨細胞骨吸收和成骨細胞骨形成耦合的協(xié)調(diào)過程2-5.當前很多骨代謝相關(guān)疾病1骨重建紊亂所致6.學(xué)者們根據(jù)骨 _的力學(xué)適應(yīng)能力提出力學(xué)防治療法，尤其是低載高頻振動療法引起研究者的普遍 _7-9,并得出了“動態(tài)載荷成骨效果優(yōu)于靜態(tài)載荷”、“靜態(tài)載荷基本不

2、會引起骨增加”的結(jié)論10.骨 _適應(yīng)動載荷和靜載荷的機制是什么? 它們有何區(qū)別? 為此，本文通過對骨重建力學(xué)調(diào)控機制的分析，吸納力學(xué)疲勞強度理論的思想，提出動載荷作用下骨重建力學(xué)調(diào)控機制; 選取損傷作為力學(xué)激勵，建立動載荷骨重建模型; 進行“動態(tài)載荷成骨效果優(yōu)于靜態(tài)載荷”生理現(xiàn)象的理論分析和運動防治骨質(zhì)疏松的數(shù)值模擬，均得到較為理想的結(jié)果。 1. 1 骨重建的力學(xué)調(diào)控機制 骨重建中主要存在兩種調(diào)控機制： 生物學(xué)調(diào)控機制和力學(xué)調(diào)控機制5,11.其中，力學(xué)調(diào)控機制是維持骨量的關(guān)鍵調(diào)控機制，確保強度和剛度，適應(yīng)力學(xué)環(huán)境。力學(xué)激勵是力學(xué)調(diào)控機制中的調(diào)控因子，是衡量骨 _力作用效應(yīng)的量，是骨 _中力學(xué)環(huán)

3、境的表征量。 骨的力學(xué)調(diào)控理論( Mechanostat)2-4,12認為，力學(xué)因素是骨重建的主要的控制因素，決定骨 _是否需要改變、改變部位和改變的方向( 骨量增加或減少) .骨量的增減取決于外力作用的幅度。骨 _內(nèi)部對外力的作用具有敏感性，這種敏感性稱為力學(xué)調(diào)定點、閾值或平衡穩(wěn)態(tài)值。閾值是骨適應(yīng)力學(xué)環(huán)境的力學(xué)量，是這個調(diào)控系統(tǒng)的靈敏度。外力作用的幅度以力學(xué)激勵來表示，通過與閾值對比，判斷其在力學(xué)調(diào)控系統(tǒng)中所處區(qū)域，以確定骨平衡的方向，來調(diào)整骨量增加或減少。正是這個調(diào)控系統(tǒng)的作用，使骨結(jié)構(gòu)總是力圖適應(yīng)力學(xué)環(huán)境，并以最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)力學(xué)環(huán)境。 Frost 等4采用應(yīng)變作為力學(xué)激勵，另有很多學(xué)

4、者以應(yīng)力、應(yīng)變能、應(yīng)變速率、應(yīng)變能密度、疲勞微裂紋等作為力學(xué)激勵建立了多個骨重建模型13,但這些模型均不能較好地解釋“動態(tài)載荷成骨效果優(yōu)于靜態(tài)載荷”的生物力學(xué)現(xiàn)象。 骨 _承受的主要是周期動載荷。人的日常活動如行走和跑步使骨 _承受周期性生理動載荷。 骨 _同其他材料一樣，在周期動載荷的作用下會發(fā)生疲勞損傷。Taylor 等14實驗結(jié)果表明，人的脛骨在生理應(yīng)變下疲勞壽命只有 3 年。但骨 _的生命特征會啟動自我修復(fù)生理機制-骨重建，進行疲勞損傷修復(fù)，阻止骨 _疲勞斷裂的發(fā)生。 通過對骨重建力學(xué)調(diào)控機制的分析，認為骨重建力學(xué)調(diào)控機制的內(nèi)涵包括： 骨 _對力學(xué)環(huán)境具有監(jiān)測能力，并通過力學(xué)激勵表達力

5、對骨 _的作用效應(yīng)度量; 骨 _在周期載荷的作用下會發(fā)生疲勞損傷; 骨 _有一定的疲勞修復(fù)能力，在正常生理載荷作用下，能夠及時修復(fù)疲勞損傷，阻止疲勞骨折發(fā)生; 骨 _具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，通過力學(xué)激勵與閾值對比，判斷骨 _在力學(xué)調(diào)控系統(tǒng)中所處區(qū)域，確定骨平衡調(diào)控的方向和調(diào)控程度，維護骨量以確保骨的強度和剛度滿足力學(xué)需要。 從工程強度設(shè)計觀點看，骨重建力學(xué)調(diào)控機制的本質(zhì)是骨 _作為一種材料的自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計。 骨骼作為一種有生命的材料，通過骨的生理調(diào)節(jié)機制骨重建實現(xiàn)自我優(yōu)化設(shè)計。力學(xué)激勵是力學(xué)環(huán)境表征量，反映了載荷對骨 _的作用效應(yīng)，可通過應(yīng)變、應(yīng)力、應(yīng)變能、應(yīng)變速率、應(yīng)變能密度、疲勞微裂紋等表達，

6、閾值類似于工程強度設(shè)計準則中的許用應(yīng)力或許用安全因子。 1. 2 Miner 疲勞損傷累積理論 材料在周期動載荷作用下的主要失效形式是疲勞損傷。當應(yīng)力高于材料的持久疲勞極限時，每一應(yīng)力循環(huán)都將使材料受到損傷，每一水平的應(yīng)力都有相應(yīng)的疲勞壽命( 循環(huán)次數(shù)) .根據(jù) Miner 疲勞損傷累積理論，在應(yīng)力譜的一個周期 T 內(nèi)，按應(yīng)力 1,2,的循環(huán)次數(shù)分別為 n1,n2,，則一個應(yīng)力譜周期 T 的損傷率為【1】 式中： 為應(yīng)力譜周期數(shù)，k 為應(yīng)力等級數(shù)，Ni為每種應(yīng)力水平對應(yīng)的疲勞壽命。1/Ni為單次應(yīng)力循環(huán)引起的損傷，定義為損傷率。 在交變應(yīng)力作用下，材料的持久疲勞極限遠小于屈服極限。靜應(yīng)力是交變

7、應(yīng)力的特例，在應(yīng)力水平低于屈服極限的情況下，是無限疲勞壽命。 1. 3 動載荷作用下骨重建力學(xué)調(diào)機制 綜上分析，本文提出骨 _動載荷作用下的骨重建力學(xué)調(diào)控機制： 骨 _存在持久疲勞極限; 當骨內(nèi)的應(yīng)力水平高于持久疲勞極限時，每一水平的應(yīng)力都有相應(yīng)的疲勞壽命; 正常生理載荷作用下，應(yīng)力水平高于持久疲勞極限; 正常生理載荷作用下，每種骨 _有確定的疲勞壽命，并且小于人的壽命; 骨 _有一定的疲勞損傷修復(fù)能力; 正常生理動載荷作用下，骨重建處于平衡狀態(tài)，疲勞損傷能夠及時得到修復(fù); 有額外載荷作用時，骨 _內(nèi)的應(yīng)力水平發(fā)生變化，骨 _的疲勞壽命將發(fā)生變化，打破骨重建平衡，引起骨量變化。在骨 _疲勞損傷

8、修復(fù)能力內(nèi)，應(yīng)力升高，疲勞壽命下降，損傷率增加，骨重建處于正平衡，骨量增加; 應(yīng)力降低，疲勞壽命增加，損傷率降低，骨重建處于負平衡，骨量減少。 1. 4 動載荷骨重建力學(xué)調(diào)控機制應(yīng)用 1. 4. 1 “動態(tài)載荷成骨效果優(yōu)于靜態(tài)載荷”生物力學(xué)現(xiàn)象分析 應(yīng)用力學(xué)療法防治骨代謝相關(guān)疾病，施加的振動載荷基本均為低值載荷。顯然，應(yīng)力水平低于骨 _的屈服極限。設(shè)定應(yīng)力 高于骨 _的持久疲勞極限時，則【2】 由此可見，當同樣水平的動載荷和靜載荷作用于骨 _時，它們的作用效應(yīng)是不同的。靜載荷引起的損傷小于動載荷引起的.損傷。骨重建的功能是修復(fù)載荷損傷進行骨量調(diào)整，根據(jù)骨的力學(xué)調(diào)控理論2-4,12,骨量調(diào)整的多

9、少取決于力學(xué)激勵與骨重建閾值的差值。骨重建閾值保持不變，力學(xué)激勵是骨 _力作用效應(yīng)的度量。動載荷作用于骨 _時，采用損傷表征力的作用效應(yīng)更為準確。因此，動態(tài)載荷成骨效果優(yōu)于靜態(tài)載荷，靜態(tài)載荷基本不會引起骨增加。 1. 4. 2 運動防治骨質(zhì)疏松模擬 骨重建控制方程應(yīng)用下式17:ddt= B( S - K) ( 2)式中： 為骨的表觀密度，B 為骨重建速率常數(shù)，S 為力學(xué)激勵，本文取一個迭代步長時間內(nèi)造成的損傷，K 為骨重建平衡態(tài)的力學(xué)激勵。 選取人體某一部位骨 _的代表性單元體，步行運 動 平 均 應(yīng) 力 為 0. 24 MPa,初 始 孔 隙 率 為0. 7218,正常情況人1 d 的步行頻

10、率 RL =3 00019,按照運動量增加 10%、20%和 30%進行數(shù)值模擬。 在進行數(shù)值迭代計算時，取 1 d 作為迭代步長，1 d 造成的損傷作為力學(xué)激勵：S = RL / Nr( 3)式中： Nr為骨 _到達疲勞失效所需的載荷循環(huán)次數(shù)。采用 Cater 等20提出的經(jīng)驗公式：【3】 表 1 所示為運動防治骨質(zhì)疏松的模擬結(jié)果。適當增加運動量可以使骨密度增加，起到防治骨質(zhì)疏松的效果，與文獻7-10中的研究結(jié)果基本一致?！?】 從受力水平來說，增加運動量并未增加骨骼的應(yīng)力水平，運動使骨骼承受的主要是動載荷。根據(jù)力學(xué)理論，運動量增加會造成骨骼的損傷增加，將導(dǎo)致骨重建骨量增加，骨密度增加。 本

11、文創(chuàng)新之處在于： 骨重建的力學(xué)調(diào)控機制引入了力學(xué)疲勞強度理論的思想，使骨重建的力學(xué)調(diào)控機制充分考慮了動載荷對骨骼作為一種材料的作用效應(yīng)。根據(jù)力學(xué)理論，不同特性的載荷對材料造成的損傷破壞機制不一樣，作用效應(yīng)不一樣。周期動載荷作用下，材料的失效形式主要是疲勞。度量力的作用效應(yīng)可采用應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變能密度、損傷率、裂紋等。當不同特性的載荷作用于骨 _時，力學(xué)效應(yīng)不同，引起的力學(xué)環(huán)境變化不同。因此，不同特性載荷的力作用效應(yīng)選用不同的物理指標進行度量，才能準確反映力的作用效應(yīng)。在同樣水平大小的載荷作用于骨 _時，如以應(yīng)力度量力的作用效應(yīng)，動態(tài)載荷和靜態(tài)載荷的力作用效應(yīng)是相同的。 但由于動態(tài)載荷和靜態(tài)載荷

12、為不同特性的載荷，引起材料損傷破壞的機制不同，作用效應(yīng)不同，而應(yīng)力不能體現(xiàn)出這種差異。有學(xué)者將周期內(nèi)動載荷作用的平均值作為等效動載荷來計算力學(xué)激勵21-22.根據(jù)力學(xué)疲勞強度理論，動載荷會引起骨 _的疲勞損傷，并且每一水平的應(yīng)力都有相對應(yīng)的疲勞壽命( 或者損傷率) .因此，采用損傷率或者相關(guān)量( 損傷) 度量動態(tài)載荷的作用效應(yīng)相對比較直觀。 本文較好地解釋了“動態(tài)載荷成骨效果優(yōu)于靜態(tài)載荷”的生物力學(xué)現(xiàn)象，并進行了骨質(zhì)疏松的運動防治模擬，研究結(jié)果有助于補充和完善骨的力學(xué)調(diào)控理論。機械振動因其顯著的成骨效應(yīng)及非侵入、無創(chuàng)、副作用小的特點，對骨質(zhì)疏松癥等骨代謝骨丟失相關(guān)疾病的防治或?qū)硇碌乃悸罚?/p>

13、為其提供理論指導(dǎo)。但本研究的局限性也很明顯： 骨 _是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，前面的應(yīng)力循環(huán)會影響后繼應(yīng)力循環(huán)造成的損傷，而后繼應(yīng)力循環(huán)也會影響前面已經(jīng)形成的損傷; 骨的損傷可以通過骨重建而修復(fù)。這些相互關(guān)系相當復(fù)雜。而 Miner 疲勞損傷累積理論只是典型的線性疲勞損傷累積理論，并未充分考慮骨 _疲勞損傷的復(fù)雜性。因此，需要深入研究骨 _疲勞損傷的萌生、擴展、修復(fù)等機制。 1 馬宗民。 各向異性骨再造理論模型及骨質(zhì)疏松模擬研究D. 長春： 吉林大學(xué) _學(xué)位論文，xx. 2 Frost HM. Bone“ _ss”and the“mechanostat”: A pro-posal J. Anat

14、Rec,1987,219( 1) : 1-9. 3 Frost HM. Skeletal structural adaptations to mechanical us-age ( SATMU) : 2. Redefining Wolffs law: the remodellingproblem J. Anat Rec,1990,226( 4) : 414-422. 4 Frost HM. Bones mechanostat: A xx updateJ. AnatRec,xx,275A( 2) : 1081-1101. 5 Pivonka P,Buenzli PR,Scheiner S,et al. The influen _ ofbone su _ _ avail