不同加載速度對(duì)大鼠骨生物力學(xué)特性的影響

1、    不同加載速度對(duì)大鼠骨生物力學(xué)特性的影響        摘要本實(shí)驗(yàn)觀察了在三點(diǎn)彎曲力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，在不同運(yùn)動(dòng)速度(5 mm/min,20 mm/min)的加載條件下，即在不同的加載速度時(shí)，大鼠肱骨最大載荷、彈性載荷、最大撓度、彈性撓度、最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變、彈性應(yīng)變8項(xiàng)骨生物力學(xué)指標(biāo)的變化特點(diǎn)。結(jié)果表明：與5 mm/min加載速度相比較，在20 mm/min加載速度下，骨最大載荷、彈性載荷、最大撓度、彈性撓度顯著增加(P<0.05)；骨最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、最大

2、應(yīng)變、彈性應(yīng)變無(wú)明顯變化。提示：三點(diǎn)彎曲力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，在一定范圍內(nèi)提高加載速度，主要影響骨結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，而對(duì)骨材料力學(xué)特性無(wú)明顯影響。關(guān)鍵詞加載速度骨生物力學(xué)大鼠 Effects of different loading speeds on bone biomechanical properties of ratsDeng Xuemei,Liu Yue,Xie LiqinInstitute of Space Medical Engineering,Beijing 100094,ChinaAbstract Under the condition of different loading speed

3、s,the changes in ultimate load,elastic load,ultimate deformation,elastic deformation,ultimate stress,elastic stress,ultimate strain,and elastic strain were observed in the three-point bending experiments.Results showed that at 20 mm/min loading speed,compared to 5 mm/min,ultimate load,elastic load,u

4、ltimate deformation and elastic deformation increased significantly (P<0.05),but ultimate stress,elastic stress,ultimate strain and elastic strain had no change.It is suggested that the increases in the loading speed mainly affect structural properties of bone,but nearly have no effects on materi

5、al properties.Key wordsLoading speed Biomechanics Rats骨生物力學(xué)著重研究骨骼的生物力學(xué)特性，骨的生物力學(xué)特性主要受下列三個(gè)方面的影響被試樣品種類(lèi)；骨年齡及解剖部位；試驗(yàn)條件1。彎曲實(shí)驗(yàn)是骨生物力學(xué)重要的實(shí)驗(yàn)方法之一，主要適用于小型動(dòng)物的長(zhǎng)骨研究，現(xiàn)今廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室對(duì)骨質(zhì)量的研究。選用一定的加載速度是進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)的前提試驗(yàn)條件。由于目前沒(méi)有統(tǒng)一的骨力學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)已報(bào)道的彎曲試驗(yàn)的加載速度也不盡相同。加載速度不同，對(duì)骨生物力學(xué)指標(biāo)有哪些影響?影響程度如何?尚不完全清楚。本實(shí)驗(yàn)僅就不同的加載速度這一試驗(yàn)條件因素，初步觀察了在不同加載速

6、度作用下，8項(xiàng)生物力學(xué)指標(biāo)的變化情況。1材料和方法1.1實(shí)驗(yàn)動(dòng)物：雄性，SD大鼠13只，體重(153±19)克，(由中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所提供)斷頭處死大鼠，取雙側(cè)肱骨，去凈附著軟組織。1.23-bh3)/64)，而后根據(jù)公式計(jì)算最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變、彈性應(yīng)變指標(biāo)2。1.3統(tǒng)計(jì)學(xué)處理：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)中文EXCEL5.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行t檢驗(yàn)，P<0.05有顯著性差異。2結(jié)果2.1兩組大鼠肱骨直徑和皮質(zhì)面積見(jiàn)表1。表1大鼠兩側(cè)肱骨直徑和皮質(zhì)面積組別(mm/min)n直徑(mm)皮質(zhì)面積(mm2)5132.60±0.133.42±0.4120132.59±

7、;0.183.50±0.45由表1可知，大鼠兩側(cè)肱骨直徑和皮質(zhì)面積無(wú)差別。排除了因兩側(cè)骨尺寸和皮質(zhì)面積差異對(duì)生物指標(biāo)的影響。2.2不同加載速度對(duì)大鼠骨結(jié)構(gòu)生物力學(xué)指標(biāo)影響見(jiàn)表2。表2不同加載速度對(duì)大鼠骨結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的影響組別(mm/min)n最大載荷 (kg)彈性載荷(kg)最大撓度(mm)彈性撓度(mm)5136.55±0.775.44±0.970.73±0.160.52±0.1920136.98±0.88*6.49±0.96*0.86±0.23*0.64±0.15*注：兩組間比較，*P<0.05

8、由表2可知，與5 mm/min加載速度相比較，在20 mm/min加載速度下，骨最大載荷、彈性載荷、最大撓度、彈性撓度顯著增加。2.3不同加載速度對(duì)大鼠骨材料力學(xué)指標(biāo)影響見(jiàn)表3。表3不同加載速度對(duì)大鼠骨材料力學(xué)指標(biāo)的影響組別(mm/min)n最大應(yīng)力(N/mm2)彈性應(yīng)力(N/mm2)最大應(yīng)變彈性應(yīng)變513194.18±41.28159.23±30.600.05±0.010.03±0.022013198.07±29.59168.18±26.800.05±0.020.03±0.01注：*兩組間比較P<0.05由

9、表3可知，與5 mm/min加載速度比較，在20 mm/min加載速度下，骨最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變、彈性應(yīng)變無(wú)明顯變化。3討論本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提高加載速度可顯著提高骨結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。骨最大載荷、彈性載荷、最大撓度、彈性撓度主要受骨的幾何形狀和尺寸大小的影響，本實(shí)驗(yàn)選用同一大鼠兩側(cè)肱骨并排除上述因素對(duì)骨結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的影響。當(dāng)加載速度提高時(shí)，骨變形的速度超過(guò)了進(jìn)行充分塑性變形所需要的臨界變形速度，塑性變形過(guò)程受到約束與限制，使材料屈服點(diǎn)升高，塑性有可能降低，形變硬化過(guò)程也受到影響，從而增加了材料的脆化傾向3。這是提高上述4項(xiàng)骨結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的原因，這也是骨在高應(yīng)變率下，導(dǎo)致骨折發(fā)生的原因之一。骨材料力學(xué)特性主要受骨的多孔性，膠原排列走向，礦鹽質(zhì)量等因素的影響，本實(shí)驗(yàn)中盡管骨結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)發(fā)生顯著性變化，但其材料力學(xué)指標(biāo)無(wú)明顯改變，究其原因，主要是與骨礦鹽質(zhì)量、骨膠原纖維走向和多孔性無(wú)明顯變化有關(guān)。結(jié)論：三點(diǎn)彎曲力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，在一定范圍內(nèi)提高加載速度，主要影響骨結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，而對(duì)骨材料力學(xué)特性無(wú)明顯影響。作