生物力学的应用
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生物力学的应用范文第1篇
【关键词】生物力学；理念；中西医7年制；中医伤科学；教学
中医学院7年制中西医结合专业的教育目的是培养医科学生能达到硕士学位的高层次中西医结合人才。要求该专业学生在毕业后能掌握临床医学的诊疗技能及在基础医学领域能够进一步深入研究本专业所要求的专业知识。《中医伤科学》［1］作为7年制中西医专业的临床课程，在南京中医药大学的课程设置是该专业学生第5年的学习课程，所使用的教材与5年制的教材是一致的。如何利用有限的学时为7年制学生教好《中医伤科学》，使其能够达到大纲要求的标准―即掌握系统而深厚的中医学基础理论和必要的现代医学知识和诊疗技能,并有一定的科学研究的能力，需要在教学中引入很多现代科技的研究成果。为此，在该临床课程教学过程中积极尝试引入生物力学的理念以引导医科学生在中医骨伤科领域能有一全新的认识。
1生物力学的概念
生物力学是由生理学和工程学的结合来解决生物体相关临床问题的研究学科，强调在临床诊断、治疗和疾病预防为主的应用。其包含的领域相当广泛，微小至细胞，大到组织、器官或是动物体中部分系统的运作功能等，皆为生物力学研究的重要范畴［2］。所谓骨科生物力学，即是应用生物力学的方法来解决骨科所遇到的问题［3］。骨科生物力学将工程原理，特别是机械力学原理应用于临床医学，是需要将医学与工程学结合以跨学科的方式服务于临床与基础研究的学科。
2骨科生物力学的教学方式
既然是以生物力学的方法解决骨科所遇到的问题，那么需要在教学中把握那些内容呢？从工程学角度来说，力学的基本术语有负荷、弯矩、刚度、懦变、懦变位移、自由度、延展性、弹性、平衡、疲劳曲线、模量、力偶等基本概念。如果学校没有专门开设工程力学课程，在有限的学时内让学生掌握如此多的概念及原理是不现实的。如何在有限的课时内让学生理解此概念也是教改的一项重大命题。
2．1采用多媒体方式教学多媒体教学有很强的直观性和交互性，可方便的进行人机双向交流，快捷的在各媒体间进行跳转，亦可作为资料保存，便于学生查询［4］；多媒体的另一大优势是具有大容量、多信息渠道，可有效地开拓医科学生的视野。通过自己制作的CAI(计算机辅助教材)课件以及购置的CAI课件，这种多渠道手段的汇集，能够使原来抽象难懂的内容形象化和具体化，更加生动、直接，使得教学内容重点突出，图文并茂，有效激发学生的学习兴趣，提高教学质量。在多媒体的制作过程中，可以有效地制作关于力学的基本概念的介绍，并以形象化的图片或动画来使得该专业学生能够快速掌握。
2．2授课方式的调整按照《中医伤科学》教材的设置方式，其教学的顺序是：解剖复习、病因病机、诊查要点、治疗。按此教学过程在课堂上讲授，往往显得枯燥沉闷，没有新意。而医科学生在理解采用何种复位手法、为什么要用某一固定予以固定，又为何对某种类型的骨折要采用内固定手段等内容时，却又显得无所适从。这是医科学生初次接触到骨科领域，对生物力学的原理不够了解所致。在教学中，笔者采用在应用解剖复习中增加生物力学的基本概念，如载荷、剪切力、应变等，先使医科学生能有一初步的了解；接着，在固定、手法复位、切开内固定等章节教授时，再以具体病例―问题为中心指导，就能使医科学生知道其所以然。在以具体病例为基础的教学过程中，注意调动学生的主观能动性，要让其能以生物力学的概念来解释、处理骨折、脱位等骨创伤疾患，使之能以科学、精确、具有严密逻辑性来掌握骨科疾病的处理规程，从而达到教学目的。
2．3理论与实践相结合无论医科学生在课堂上对于基础理论掌握得是多么的扎实，但归根结底是要求医科学生能够在临床实践中准确地把握疾病。而对于中医骨伤科来说，基本的动手操作的内容有伤口包扎、手法复位、小夹板固定、石膏托固定、骨牵引操作等内容。对于动手实践的操作不应是带教老师手把手教会就可以了，如何把生物力学的理念融入到实践操作中去才是关键。如在肩关节前脱位复位的操作过程中，虽然书本上提到又牵引推拿法、手牵足蹬法、拔伸拖入法、牵引回旋法、椅背复位法、悬吊复位法等方法，作为学生究竟应该如何掌握复位的手法呢？是不是所有手法都应掌握呢？各种手法是否都具有良好的安全性呢？手法间有无区别呢？在实践课教学时，如果不加分析地填鸭式灌输给学生的话，日后在临床上，他们仍将无法快速地胜任该工作。在教学中引入杠杆原理后就可以总结出肩关节所有手法的基本原则是：以腋窝为支点，以肩关节弹性固定位顺势外展外旋、内收内旋即可复位。但是，做完一个小实验―支点的面积与载荷之间的关系，医科学生很快明白如果腋窝的支点面积很小将可能在支点处发生骨折现象，所以他们能够总结出以牵引推拿法复位法是一种相对安全的手法。
2．4结合临床，引入新进展当医科学生在临床课程的教学过程中，对生物力学的概念有了基础的认识后，对于生物力学方面的一些新进展的介绍就会有全新的认识，也乐于接受这样的理念。针对7年制的学科特点，注意引入关于骨骼系统研究的方法，如有限元素法。这种新进展的研究方法一般是以讲座的形式予以介绍的。如讲述有限元素法的基本思想时，先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。按单元以不同的联结方式进行组合,且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域；然后对单元(小区域)进行力学分析，最后再整体分析［5］。引入这种分析方法，一者可以使7年制的医科学生能够了解生物力学的一种科学研究方法，还能使其在整体性分析中牢固地确立以中医科学整体观为基础的思维方式。
3引入生物力学理念在教学中的意义
3．1以生物力学理念认识问题生物力学是涉及生物学、解剖学、生理学、临床医学、力学、数学、工程学等多学科的一门具有应用基础性、交叉性边缘学科。如能在临床课教学中引入此概念，可以更有效地了解人体的运动、研究骨科方面的疾病、能够设计出并能逐步改进各种人工关节、脊柱假体乃至义肢。教导医科学生以生物力学理念认识骨骼、肌肉、关节方面的结构与疾患，能够使其在临床方面如何处置病患有进一步地提高，也使其在基础医学研究领域能有进一步作为，逐步引领医科学生踏入更高要求的专业领域中。
3．2培养学生形成良好的知识链和创新思维的能力我国的教学方式和学生以往的养成的学习习惯，常常造成学生们遇到的问题照搬课文，纵向思维较多，横向联系不够［6］。生物力学是沟通临床各科及基础医学的交叉学科。在理解与掌握生物力学的概念同时，要求学生能够将基础课重新认识，而且要求不仅仅是掌握骨骼系统就足够了，是要求在内、外、妇、儿等临床课程中能与骨科疾病相联系，以完整的知识链结构走上临床工作岗位。在临床课的实验教学中还能以此为契机，探索临床研究的热点内容，目的是为在临床实习和临床工作中能及时发现、独立分析、解决临床问题，为开展临床工作打下坚实的基础；在将来的基础研究中能横向联系各学科，打下优良的科学素养基础。
总之，通过在《中医伤科学》教学过程中生物力学概念的引入，并非仅仅让中西医7年制医科学生理解这样的概念就足够了，更重要的是通过概念形成思考、观察、处理临床实际问题的生物力学理念，以科学的方式训练学生达成临床医学的完整知识链，能从多角度、多方面横向联系学科基础，为能深入研究医学问题做好科学素养准备。
参考文献
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生物力学的应用范文第2篇
【摘要】目的研究人髌腱密度与其生物力学的关系,寻找能于前交叉韧带重建术前检测髌腱移植物生物力学性质的方法。方法对20例不成对人体髌腱(男10例，女10例)进行单轴拉伸试验,来研究供者性别及髌腱密度对其生物力学性质的影响,髌腱密度根据其所测得体积和质量计算出。结果髌腱的生物力学性质基于性别上的差异均无显著性,而与其密度呈正相关。密度＞1.68g/cm3(n=8)的髌腱的最大抗张强度比质量密度＜1.68g/cm3(n=12)者明显要高。结论髌腱密度可以用来评价该髌腱的质量,因此，可利用术前测量活体内髌腱的密度来决定该前交叉韧带重建是用异体移植物还是自体移植物。
【关键词】髌腱；密度；移植物质量；生物力学性质
Themechanicalpropertiesofthehumanpatellartendoncorrelatedtoitsmassdensity
【Abstract】ObjectiveTostudytheeffectsoftissuemassdensityonthemechanicalpropertiesofthepatellartendonandfindoutpredictorsofthemechanicalpropertiesofthepatellartendon,usedasgraftsinanteriorcruciateligamentreconstructionsurgeries.MethodsUniaxialtensiontestswereperformedtodeterminetheeffectsofdonorsexandmassdensityofthetissueonthemechanicalpropertiesoftwentyunpairedhumanpatellartendons(10maleand10female).Massdensityofthepatellartendonwasdeterminedbymeasuringitsvolumeandmass.ResultsNoevidenceofsex-baseddifferencesinanyofthemechanicalpropertiesofthepatellartendonwasfound.Themechanicalpropertiesofthepatellartendonweresignificantlycorrelatedtoitsmassdensity.Thetensilestrengthweresignificantlyhigherforthosepatellartendonshavingamassdensitygreaterthan1.68g/cm3.ConclusionThemassdensityofthepatellartendonmaybeconsideredasanindicatorofmechanicalpropertiesofthepatellartendonorgraftquality.Invivomeasurementofthemassdensityofthepatellartendon,priortosurgery,canbeusedtodecideifaparticularACLreconstructionshouldbecarriedoutwithanallograftoranautograft.
【Keywords】patellartendon；massdensity；graftquality；mechnicalproperties
自体髌腱复合体曾被作为移植重建前交叉韧带的金标准，目前仍为外科医生重建手术的首选。学者们对髌腱的生物力学性质进行了广泛研究，希望找到能于移植前有效评价移植腱质量的客观变量，为临床选择肌腱提供依据。笔者对人髌腱的密度及其生物力学性质进行研究，希望确定供体髌腱密度对其生物力学性质的影响。
1资料与方法
1.1一般资料从国人新鲜尸体中获取20例不成对的膝关节（男10例，女10例），冷冻在-20℃，直到试验日为止。膝关节均在供者死亡后12h内冷冻。冷冻时间1～12个月不等。死者排除以下情况：（1）年龄＞50岁；（2）骨骼未发育完全者（女性＜16岁，男性＜19岁）；（3）有膝关节手术史；（4）有膝关节炎病史。在取髌腱标本之前，先将膝关节在室温中解冻。将髌腱连同全部髌骨和胫骨的一部分（包含有胫骨结节）从膝关节中分割出来。胫骨部分修整成楔形，取髌腱的中央部分（平均5mm宽），用手术刀沿着腱束的长轴将腱的内外侧修理成直的平面。小心操作以避免将腱束横行切断。用游标卡尺在不同截面测量髌腱的宽和厚，取其均值，并测量髌腱的长，用以计算髌腱的体积。
1.2使用仪器将样本安装在DCS-25T电子万能试验机（日本岛津）上，进行单轴拉伸试验，拉伸速度为30mm/min。以3033型X-Y函数记录仪（四川仪表制造厂）记录载荷―变形曲线，并进行分析，得出最大载荷、衰竭应变及弹性模量。
1.3计算样本密度力学测试完毕后将样本的腱性部分从骨的附着点上分离出来，称重。根据前面算出的体积计算出每个样本的密度。
1.4统计学方法采集所有数据，应用t检验来比较不同性别来源的髌腱的力学性质，进行相关性分析来判断髌腱密度与生物力学性质间的关系。将样本根据密度排列,再随机选择其中一个密度作为标准,将其上、下两组样本的生物力学指标用t检验分析,重复这个过程，检验是否存在一个密度值,比这个密度值大的样本与比这个密度值小的样本相比，其生物力学强度要高。
2结果
样本的平均截面积是19.47mm2（SD8.72），髌腱的平均长度是47.83mm(SD3.78),男性髌腱平均长49.22mm(SD3.42),比女性髌腱［平均46.44mm(SD3.76）］稍长一些（P=0.05）。髌腱组织混合在一起的平均密度是1.61g/cm3(SD0.47)。男性髌腱的密度（1.68g/cm3）和女性髌腱的密度（1.54g/cm3）之间差异无显著性（P=0.23）,所测得密度范围为0.81～2.57g/cm3。
髌腱的力学性质不依赖于供体的年龄和性别。在最大抗张强度（P=0.62,）、最大应变（P=0.61）、弹性模量（P=0.57）方面基于性别上的差异均无显著性。因为性别和年龄对髌腱力学性质没有任何影响，所以将样本混合起来做密度的相关分析。样本的最大抗张强度与其密度相关（r=0.57,P<0.02）。髌腱的弹性模量也与其密度呈正相关，尽管其相关性较弱，但亦有统计学意义（r=0.44,P<0.05）。衰竭应变与其密度无相关性（r=-0.25,P>0.1）。连续采用t检验分析显示密度＞1.68g/cm3(n=8)的髌腱的最大抗张强度比质量密度＜1.68g/cm3(n=12)者明显要高。
3讨论
本研究中，组织密度被作为变量进行相关性分析，通过测量其密度，就去除了组织大小对相关性分析的影响。我们发现在髌腱的生物力学性质与密度之间高度相关。较大的组织密度可能意味着较多的胶原堆积在组织中，产生较大的生物力学强度。WooSL［1］发现经常活动的猪的伸趾肌腱质量和胶原含量增加，其最大抗张强度显著增加。但其未做肌腱生物力学和其质量的相关性研究。我们发现了髌腱组织的一个密度值（1.68g/cm3），大于这个密度的髌腱群体，其生物力学强度显著要高。因为高于或低于这个髌腱密度值的供者的平均年龄非常接近，所以年龄不会导致髌腱的生物力学的差异。这与Flahiff［2］报道的结果一致。
在以前的研究中，诸如样本大小、组织储藏方法、组织的测试条件、样本的截面积和力学测试方法等因素都被认为是很重要的因素，并且各实验间各不相同［3］，因此，难以做具体数据上的比较。文献报道［3］，测试过程中对样本进行盐水浴，让液体从腱组织渗出，能产生更大的强度和硬度。一些研究人员观察了髌腱生物力学的差异，猜测可能有某些内在或外在的因素与此差异性有关。例如，Flahiff［2］认为重量、活动量、健康及饮食能影响髌腱的力学性能，虽然Beynnon［4］陈述软组织内在的未知生物学因素能导致肌腱力学性能的差异。基于我们的研究，髌腱的密度似乎是这种差异的一个原因。
本研究最有意义的成果是，髌腱密度可以用来评价该髌腱的质量。这个发现在临床上将具有重要意义。有些学者［4］认为，在重建手术进行之前预测自体移植物的生物力学性能很重要。他们报道移植物移植后有不同程度的伸长，导致手术5年后过度的膝关节前后松弛。这些研究人员也主张,因为重建术后难以立即测量移植物的伸长量，所以有一种能预测自体移植物的生物力学性质的简单指示器是非常必要的。基于我们的研究，自体移植物的密度能被用来预测包括弹性模量在内的生物力学性质。现代影像技术如CT扫描能无创测量移植组织的密度。利用一条组织密度与CT值的标准曲线就可以从CT扫描中得到组织密度。因此，可利用术前测量活体内髌腱的密度来决定该前交叉韧带重建是用异体移植物还是自体移植物为好。
这里得出的结果不能应用到异体移植物。因为重建术前异体移植物经过了射线照射和冻干处理。
【参考文献】
1WooSL,GomezMA,AmielD,etal.Theeffectsofexerciseonthebiomechanicalandbiochemicalpropertiesofswinedigitalflexortendons.JBiomechEng，1981,103：51-56.
2FlahiffCM,BrooksAT,HollisJM,etal.Biomechanicalanalysisofpatellartendonallograftsasafunctionofdonorage.AmJSportsMed，1994,23：354-358.
生物力学的应用范文第3篇
自1969年Hamdi首次报道L2浆细胞瘤和转移性腺癌行椎体肿瘤切除、假体替代以来，经过近四十年的发展，人工椎体作为一类有效的椎体替代物在临床上得到广泛应用，目前报道的人工椎体模型，经过一系列生物力学测试和临床应用发现，对不同脊柱节段的椎体骨折、不同类型的人工椎体的选择、术中放置人工椎置的差异〔1〕，乃至辅加不同类型的内固定物，均可对脊柱重建术后的稳定性产生不同的影响。因此本文对近年来生物力学应用在人工椎体上的研究进行如下的综述。
1 生物力学在人工椎体置换术评价中的应用
1.1 人工椎体置换术的应用
人工椎体目前运用最广泛的是脊柱转移性肿瘤病灶切除后的重建，童元等认为椎体肿瘤的手术适应证应该综合考虑患者全身的情况、手术能否解决主要问题以及病程发展的快慢等因素。王新伟等〔2〕运用可调式中空人工椎体治疗脊柱严重粉碎性骨折（附9例报告），认为对严重粉碎的椎体骨折，无法行自体骨重建者，人工椎体不失为一种选择，但应严格掌握适应证。近来，王群波等〔3〕运用纳米羟基磷灰石／聚酰胺66复合人工椎体治疗胸腰椎椎体肿瘤14例，结果显示复合人工椎体具有良好的生物相容性，植入融合率高，牢固可靠，是理想的骨移植替代材料。
1.2 人工椎体置换的生物学设计要求
脊柱椎体次全切除术至少破坏2个脊柱功能单元的完整性，起支撑、承载及缓冲功能的前柱连续性中断，同样导致后柱结构不稳，极易造成损伤。因而，行椎体切除术后无一例外的都要进行重建前柱的结构及生物力学的稳定性。故人工椎体的生物学设计是否合理对术后融合有着重要的影响，杨明亮等〔4〕从外科技术角度评价内锁式人工颈椎间体，认为其设计符合颈椎的解剖学特点，生物力学上能有效稳定颈椎。特别适合陈旧的屈曲压缩骨折及颈椎后突畸形矫形。杨瑞甫等〔5〕采用六铝四钒钛合金（Ti6Al4V）为材料，设计一种中空可调式、自固定式的人工椎体，用于治疗脊柱肿瘤和椎体爆裂性骨折，实验证明该人工椎体具有良好的即时稳定性和远期稳定性，且勿需联合使用前路或后路内固定器。综上述，生物力学设计必须考虑以下几个方面：（1）术后即刻稳定性与脊柱生理曲度的恢复程度;（2）与椎体远期融合率;（3）有良好的生物相容性;（4）植入方便。
2 人工椎体生物力学测试的方法
2.1 屈服强度试验
采用轴向压缩荷载或屈曲压缩荷载，加载至失稳，目的在于研究人工椎体在某种载荷下的承载强度，强度试验需要加载直至材料破坏为止，通过荷载-位移曲线获得生物力学参数。
2.2 内置椎体疲劳试验
对内置人工椎体施加周期性的荷载（cyclic loading），观察其疲劳强度，以失败的周期数定义疲劳强度。
2.3 内固定物稳定性试验
与前面两种破坏性试验不同，稳定性试验是非破坏性的。目的在于研究内置物在非破坏性的载荷下的内固定强度与各种生理载荷的相关关系。
3 生物力学测试实验模型的选择
3.1 生物模型
目前常用的生物模型有尸体标本、活体及犬、牛、猪、猴、羊等动物模型，这几种生物模型各有其优缺点。人尸体标本广泛运用于生物力学测试的离体研究，其优点是能直接、精确测量脊柱各节段的运动，缺点在于新鲜的尸体受数量的限制，且其离体标本的测试亦在一定程度上改变了生理状态下脊柱的力学特点；人的活体研究主要运用于临床脊柱功能检测，还需考虑很多社会因素。目前对于在几种动物模型，是否与人类脊柱具有共性尚需进一步探索，Kumar等〔6〕研究发现四足动物脊柱的解剖学和形态学与人相似，他认为从四足动物的标本上得出的结论可运用到人的标本上。Goel等利用有限元模型分析比较肯定了狗作为脊柱腰段生物力学研究模型的可靠性。牛椎体虽偏大，但因其与人椎体具有相同的运动学特征，故其运用较多〔7〕。
3.2 非生物模型
3.2.1 有限元模型
1974年Belytschko首先将有限元分析方法应用于脊柱力学研究，使脊柱有限元模型成为最早建立的脊柱非生物模型。通过对有限元法的生物力学研究与实体的生物力学实验进行比较分析发现，其结果是可靠、有效的。具有能够获得实体实验中无法得到的许多重要参数，能任意改变某一参数以观察其产生的影响，能进行前瞻性研究并直接指导临床实践。随着人们对组织力学特性的认识，有限元分析软件在国内外不断开发与应用，不但促进了有限元技术的发展，而且推动着脊柱生物力学更深入的发展。
3.2.2 数学相关模型
随着Chu等将数学相关方法运用到力学研究中，近年来，数学相关模型已成为未来生物力学发展的一大方向〔8〕。其实质上是采用先进的图像处理技术与设备，通过被测对象的原始图像字灰度进行直接的数字处理，由计算机控制整个系统的工作和一些图像处理运算，再把图像信息转变成电信号，实现物体变形场的测量。对采集对象、测量环境要求较低。具有自动、非接触式的、运用范围广等优点。
4 稳定性实验的设计及其测试方法
4.1 稳定性实验的设计
主要要解决离体脊柱标本测试时的运动必须模拟脊柱的自然运动和任意脊柱结构平面负载的均衡性这两个方面的问题。Panjabi提出的稳定性试验模型是一种非损伤性生理载荷模式，通过加载夹具对试验对象分别施加6对大小相等、方向相反、互为平行的“纯力矩”，产生相应的前屈、后伸，左右侧屈，左右旋转6种运动方式。Niosi等〔9〕在此基础上，测量时加用光电子照相技术，使结果更精确。
4.2 稳定性实验的测试方法
4.2.1 光学测量法
光学测量法包括光干涉效应直接测量法、光学杠杆延伸扩大位移法和光学遥测法〔10〕。立体的光学系统由2个互成角度的平面光学测量系统构成的，利用动作分析系统记录受试者运动时的皮表标记坐标，经过计算机重建三维运动，确定脊柱的空间坐标位置。其优点是立体重建、定位精确、可以非接触多节段测量。Pflugmacher等〔11〕对成人尸体胸腰椎标本用4种可调节与不可调的人工椎体附加内固定后进行生物力学性能测试，利用的是光学系统，分别在T12和L2椎体上安装非线性二极管，通过PCReflex运动分析系统，得出载荷-位移曲线，试验显示：可调节人工椎体与不可调节椎体在体外的力学性能方面没有显著差异，但联合前后路内固定后，其强度和稳定性最大。
激光全息-散斑干涉法是将激光全息干涉与散斑干涉结合在一起的一种三维位移测量技术，对人工椎体和椎间盘均能获得高质量的全息干涉条纹图和散斑条纹图，通过图像可计算出椎体和椎间盘的刚性位移和应变。Vahldiek等〔12〕对新鲜冰冻尸体脊柱（T12~L4）行T2椎体切除后，用碳纤维材料的人工椎体代替，并分别附加前路固定、后路固定及前后路联合固定，加载不同的负荷，用一个带有可发射非线性红外线二极管的光电测量系统，记录载荷-位移曲线，得出结果示椎体替代物植入后仅附加前路内固定与完整的椎体相比移动度较大，特别是轴向扭转。
4.2.2 电应变法
电应变式传感器可通过电子仪器直接转化为位移〔13〕，Lowe等〔15〕运用MTS 809双轴液压随动生物力学测试系统（biaxial servohydraulic biomechanical testing system）测量其可以承受的最大加载载荷大小，研究终板的抗压缩强度。实验表明:终板后外侧抗压缩强度最大，中间部分最小，抗中空植入物临界压缩强度明显高于抗实体植入物的装置。对临床上人工椎体的类型及放置位置的选择具有一定的指导意义。
4.2.3 影像学法
影像学检测手段已经从早期简单的静态平片发展到双平片及三维动态X线检测。静态片因其片子质量、标定不一等因素，误差较大。Lee等〔16〕描述了一种用于腰椎三维运动实时测量旋转式X线照相装置。该系统通过整合获得三维方向的角度率。所获数据和实时展示通过与计算机相连的电子单元加工处理。能提供脊柱位置的实时信息，有利于及时做出临床检测和评价。Wang等〔16〕采用的Zebirs CMS 70P系统是一种运动分析脊柱的三维分析仪，利用了超声反射定位的原理，测定脊柱的三维空间位置，具有无创性、立体性、可靠和可重复性等优点。
5 生物力学评价指标
5.1 载荷-位移曲线
反映了内固定结构的稳定性随载荷变化的趋势。Glazer等以6~8个样本测量值进行统计学处理及相关分析；由载荷-位移曲线可以得到以下指标（参数）：
运动范围（range of motion，ROM）：指在载荷最大时脊柱运动的节段间的角度变化和节段间的位移量。由于每个标本的生物力学性质不同，为了直接进行定量的比较，把各试验组的运动范围均与同一完整脊柱标本的运动范围作比较，得出相对运动范围（relative range of motion，RROM）。
硬度／稳定性和柔韧度／不稳定性：可用硬度系数／稳定性系数和柔韧系数／不稳定性系数表示，是所施加的载荷除以椎体间所产生的运动大小。
伸展-屈曲中性区（NZ）：为中性区到实际加载荷时的位移，伸展中性区用-NZ表示，屈曲中性区用+NZ表示。
伸展-屈曲弹性区：是弹性位移阶段，从0载荷时的位移到最大载荷位移。伸展弹性区用-EZ表示，屈曲弹性区用+EZ表示。
5.2 载荷-圈数疲劳曲线
屈服强度和疲劳强度试验样本量小，常以个体值或中位数加以比较。Huang等〔17〕选择几个大小不同的载荷量重复实验，获得载荷-圈数疲劳曲线。
以上2个指标均适用于离体标本的测量使用。对于在体的人工椎体的生物力学评价指标，可运用运动测量方法，利用光学原理或者影像学方法，立体重建、定位精确，并结合神经功能恢复情况（Frankel分级），综合得到人工椎体移位及重建节段骨融合情况。
6 生物力学评价促进了人工椎体在脊柱重建术中的应用及发展前景
一种新的脊柱内固定装置在运用之前，除了要对器械本身的材料学测试外，大部分的器械还均以非破坏性试验进行生物力学评价，生物力学研究的发展，大大缩短了内固定器械应用于临床的周期，因而在近20年来，脊柱新器械包括人工椎体的发展速度空前提高。有很多学者认为目前的人工椎体置换既应具有术后的即刻稳定性，亦应注重其对脊柱生理曲度的恢复以及兼顾远期的融合功能。王新伟等〔18〕应用万能力学试验机对牛胸腰椎进行力学测试，得出结果显示任何内固定都不能替代人体骨骼本身行使脊柱的力学性能。从远期效果看，人工椎体的作用是融合而不是支撑。因此生物力学的评价已经成为人工椎体置换术适应证及手术后效果评估不可或缺的一部分。
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生物力学的应用范文第4篇
[关键词]血管;组织工程;细胞外基质;生物力学
[中图分类号]R318[文献标识码]A[文章编号]1008-6455(2010)07-0996-04
Effects of decellularization using biotic enzymes on the mechanical properties of the canine carotid artery
LIU Guo-feng1,HE Zhi-juan2,YANG Da-ping1,XU Xue-wu1,LIU Ying1,REN Li-hong1,LI Qing-chun1
(1.Department of Plastic Surgery,Second Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 150086,Heilongjiang,China; 2.Department of Obstetrics and Gynecology,First Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 15001 0,Heilongjiang,China)
Abstract:ObjectiveThe objective of this study is to investigate the effects of decellularization using biotic enzymes on the mechanical and structural properties of the canine carotid artery.MethodsIntact canine carotid artery were decellularized by using Trypsin/EDTA,ribonuclease and desoxyribonuclease. Residual cellular and extracellular matrix composition was evaluated with hematoxylin and eosin (H&E) staining,quantitative DNA analysis and scanning electron microscopy. Tensile strength, burst strength and compliance were measured in vitro to determine the effects of decellularizedprocess on the biomechanical properties of the canine carotid artery.ResultsHistology and scanning electron microscopy examination demonstrate that scaffolds were completely decellularized and scaffolds revealed a well-preserved extracellular matrix. Compared with fresh canine carotid artery, decellularized artery had similar burst and breaking strength and had lower compliance.Conclusion This study demonstrates that the decellularized artery using biotic enzymes had similar burst and breaking strength and had lower compliance compared with fresh canine carotid artery.
Key words: vascular grafts; tissue engineering; extracellular matrix; biomechanical
血管组织工程学研究为临床上小口径血管移植物的制备提供了光明的前景,口径小于6mm的小口径组织工程血管研究与大口径血管移植物的研究有很大的差别[1]。因为血管移植物与受区血管生物力学性质的匹配程度对不同口径的组织工程血管移植物通畅率的影响差别较大,血管移植物的口径越小受到的影响越大,小口径血管移植物在受体内更容易发生内膜增生、中膜增厚,最后导致移植物的官腔狭窄甚至闭塞[2]。血管组织工程研究中支架材料的力学性质对血管移植物的生物力学性质起着决定性的作用,所以在小口径组织工程工程血管的研究中制备与受区血管生物力学性质完全匹配的支架材料是最关键的科学问题,这将决定小口径组织工程血管移植的远期通畅率[3]。本实验将对小口径组织工程血管脱细胞基质生物支架材料的生物力学性质进行研究,明确生物酶联合消化法对犬颈总动脉脱细胞基质材料生物力学的影响。
1材料和方法
1.1 实验用动物:普通杂种家犬,体重25～30kg,6个月龄,雌雄不限。
1.2 实验材料及主要仪器:胰蛋白酶(Trypsin)、核糖核酸酶(Ribonuclease,RNase)、脱氧核糖核酸酶(Desoxyribonu clease,DNase):美国Sigma公司;EDTA(Ethylenediamine tetraacetic acid)、磷酸缓冲盐溶液(Phosphate buffer solution,PBS):北京中杉生物公司;普通光学显微镜:日本Nikon公司;S-3400N型扫描电子显微镜:日本Hitachi公司;电子万能实验材料机:德国Zwick-Roell公司。
1.3 犬颈总动脉脱细胞基质材料制备: 无菌条件下切取犬颈总动脉,大量无菌PBS冲洗,去除血液成分及外层附属软组织,选择切取长度约为7cm,内径约为3mm的动脉,利用胰蛋白酶和核酸酶连续消化法去除动脉细胞及其碎片成分[4]。先用0.1% 胰蛋白酶加0.02% EDTA 溶液消化20h,中间更换1次消化液,大量PBS冲洗后用20μg/ml RNase +200μg/ml DNase溶液消化2h,大量无菌PBS 溶液冲洗。以上步骤均在5%CO2、37℃,80次/ min持续震荡条件下进行。监测制备的脱细胞血管基质,使材料的细胞DNA残留量少于0.1%。同时选取新鲜犬颈总动脉作为对照组(每组6例),进行以下检测。
1.3 组织学染色 将标本置于10%中性甲醛溶液中固定24h,常规石蜡包埋、切片,进行HE染色。在普通光学显微镜下对标本的结构进行组织学评价照相。
1.4 扫描电镜观察 将标本在1%戊二醛溶液中固定24h以上,用1%饿酸作后固定2h,50%、70%、90%、100%丙酮梯度脱水,50%、70%、90%、100%醋酸异戊酷置换,应用临界点干燥仪、液体C02等进行干燥;干燥的标本固定在铝质标本台上,用溅射镀膜机镀金后,用S-3400N型扫描电子显微镜系统观察并照相。
1.5 生物力学检测:利用Zwick/Roell Z010型电子万能力学实验机测定标本的拉伸强度、爆裂强度及轴向顺应性。拉伸强度及轴向顺应性检测:将管状标本(长度为5cm)两端固定于微型夹具上,以0.5mm/s的速度拉伸,直至标本断裂,系统自动记录标本的应力-应变曲线及极限拉伸强度,计算出标本的轴向顺应性。爆裂强度检测:把管状标本一端用丝线结扎,另一端固定于装满生理盐水的5ml医用注射器上,注射器筒壁固定于250ml玻璃葡萄糖瓶中,整个装置平置在力学实验机上,以40kPa/s的力向标本内注射生理盐水,直至标本爆裂或漏液,系统自动记录标本的爆裂强度。
1.6统计学分析: 所有定量实验结果均用x±s表示,利用SPSS11.0统计学软行独立样本t检验,P
2结果
2.1大体所见:犬颈总动脉脱细胞基质材料仍保持新鲜血管的管状结构,血管的长度及内径无明显改变,材料外观呈乳白色(图1)。
2.2 组织学结构:新鲜犬颈总动脉具有血管典型的三层结构:内膜、中膜及外膜,中膜层较厚,包含大量的环状排列蓝染的细胞核成分和细胞外基质成分(图2A)。经脱细胞处理后,血管壁中的蓝染的细胞核成分全部去除,但脱细胞血管的细胞外基质中纤维成分保存完整连续,没有发生断裂破碎等。血管的中膜层结构中可见细胞及部分细胞外基质去除后遗留的空隙,同时血管内外膜结构的细胞外基质成分保持完好(图2B)。
2.3 扫描电镜观察:脱细胞犬颈总动脉脱细胞基质横断面的扫描电镜照片可见大致的三层细胞外基质结构,内层见完整致密的内弹性膜,中层可见成层环状排列的纤维板层结构,纤维连续,可见梭形空隙,材料外层可见杂乱排列的外膜层纤维条索组织(图3A)。材料内表面扫描电镜照片显示,材料的内弹性膜纤细的纤维呈网状分布,纤维完整,未见明显断裂缺失,透过纤维网可见深部中膜层较粗大的纤维(图3B)。
2.4 生物力学性质:爆裂强度检测结果如下,脱细胞犬颈总动脉基质组为315.00±12.49 KPa,新鲜犬颈总动脉组为330.52±18.73 KPa,两组标本爆裂强度相似,差别无统计学意义(P>0.05)(图4)。极限拉伸强度检测结果如下:脱细胞犬颈总动脉基质组为4 122.91±118.05 KPa,新鲜犬颈总动脉组为4 212.99±103.80 KPa,两组标本极限拉伸强度相似,差别无统计学意义(P>0.05)。轴向顺应性计算结果如下,脱细胞犬颈总动脉基质组为0.945±0.158 mm/mm,新鲜犬颈总动脉组为1.195±0.22 mm/mm,脱细胞犬颈总动脉基质组轴向顺应性低于新鲜犬颈总动脉组,差别有统计学意义(P
3讨论
具有三维空间结构的支架材料是构建组织工程血管的基本要素之一,能为血管种子细胞生长和组织发育提供临时的支撑骨架,并能够调控所构建血管的形态。研制和开发理想的支架材料仍然是血管组织工程所面临的巨大挑战。为了克服可降解高分子聚合物材料在生物相容性方面的不足,很多学者把研究目光转移到了自然来源的生物支架材料上[5]。自然生物材料具有良好的生物相容性,能够促进细胞的黏附、生长、增殖及生物功能的发挥。血管组织工程支架材料的发展趋势是自然生物材料的应用,自然生物材料是最有应用潜力的组织工程支架材料来源[6]。血管脱细胞基质材料的三维空间结构与自然血管的结构非常类似,因此具有理想的外形和适当的生物力学性质,是血管组织工程学研究中较为理想的生物支架材料[7]。
正常血管的细胞外基质成分包含胶原纤维、弹性蛋白及蛋白聚糖等成分,胶原纤维及弹性蛋白对于血管的强度起关键性的作用。胶原纤维具有良好的抗张强度,对于维持血管的完整性具有重要意义,弹性蛋白和蛋白聚糖有一定的弹性,能够使血管具有良好的顺应性[8]。研究表明,脱细胞处理会改变血管原有的生物力学性质,特别是材料的顺应性常会降低[9]。本实验利用生物酶连续消化法制备的犬颈总动脉脱细胞基质材料在去除了细胞及DNA残留物的同时,细胞外基质的纤维成分保持完整连续,所以脱细胞材料的拉伸强度和爆裂强度与新鲜血管相似。除胶原纤维和弹性蛋白等细胞外基质纤维成分外,蛋白聚糖成分在脱细胞处理过程中常会遭到破坏,蛋白聚糖的去除对于脱细胞血管的拉伸强度和爆裂强度没有明显的影响,但会使材料的弹性降低变硬,生物力学的表现是材料的顺应性下降[10]。本实验的结果也证实了这一点,经过生物酶连续消化脱细胞处理,脱细胞犬颈总动脉基质材料的轴向顺应性有所降低,从组织学观察可以看出,脱细胞后血管横断面胶原纤维和弹性蛋白等纤维条索中间出现很多梭形空隙,这些空隙是由于中膜内平滑肌细胞及蛋白聚糖的去除而形成的,因此,脱细胞犬颈总动脉的轴向顺应性与新鲜血管相比有所降低。
组织工程血管的拉伸强度、爆裂强度的顺应性是重要的生物力学力学评价指标,足够的拉伸强度和爆裂强度能够保证血管移植后能够抵抗长期的血液动力学作用而不形成动脉瘤。而对于小口径组织工程血管移植物,顺应性与拉伸强度和爆裂强度相比显得更为重要,小口径血管移植物和受区血管之间的顺应性要匹配,这是移植物长期成功的重要保证[11-12]。血管移植物与受区血管之间的顺应性等力学性质错配会导致血流动力学的变化,血流方向改变、剪切力增加、下游血流紊乱、循环张力改变,从而引起吻合口处的应力集中,刺激内膜增生的生长因子的释放增加,促进了血栓的形成和新内膜的增生,最终导致血管移植物长期通畅率明显降低[13-14]。脱细胞处理经常会导致血管细胞外基质材料顺应性的降低,从而影响构建的小口径组织工程血管与受区血管生物力学性质的匹配,导致移植失败,所以提高以脱细胞血管基质为支架材料的小口径组织工程血管的顺应性是组织工程血管研究的瓶颈问题。可能的解决方案包括:(1)改进完善脱细胞血管基质材料的制备方法,在保证血管细胞成分完全去除的前提下尽量保留细胞外基质材料原有的生物力学性质;(2)通过在脱细胞血管基质材料上复合某种其他材料制备顺应性良好的复合支架材料;(3)在体外利用脱细胞血管支架材料构建组织工程血管的过程中促使平滑肌细胞分泌大量新生细胞外基质成分,以增加组织工程血管的顺应性。
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生物力学的应用范文第5篇
关键词：有限元 医学 仿真实验
Research of experimental of medical's Finite Element Analysis（FEA） simulation
Niu Xiaodong， Lu Lirong
Shanxi Changzhi medical college， Changzhi， 046000， China
Abstract： It will solve many complex problems if apply FEA to medical research， and these problems are difficult to solve but need to be solved in the physics of medical applications. So that it can provides theoretical guidance and scientific foundation for medical research and clinical treatment. Have the experimental course of medical’s FEA simulation， medical colleges have a very important significance for student’s study， teacher’s teaching and research， cooperation of college and affiliated hospitals.
Key words： FEA； medical； experimental of simulation
有限元分析是一种广泛应用于工程科学技术的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，FE）的概念。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到越来越广泛的重视，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机大多数设计制造已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、生物医学研究等各个领域的广泛应用已使设计水平发生了质的飞跃。
1 医学有限元国内外研究现状分析
有限元方法最早应用于骨科研究，开始于脊柱生物力学[1]。几十年来其在解决生物力学问题上得到了广泛应用，尤其近年来，随着数字及计算机技术的不断进步，有限元法本身已不再是相对独立地研究生物力学性质，它越来越多地与各种动力学模型、参数优化选择、临床放射学与实物测量、有机化学、组织学与免疫组化等方法巧妙结合，使结果更加准确可靠，成为生物力学研究中的一种重要工具。有限元方法在医学上的研究主要包括以下四个方面。
1.1 有限元模型的建立
有限元模型的建立，直接影响有限元仿真实验结果的精度、计算机计算过程、计算时间的长短，且模型建立的优劣与建模人员的专业素质和有限元知识分不开。现有研究的模型包括：人眼[2]、牙齿及矫正器[3]、脊柱[4]、颅脑骨骼[5]、胃[6]等人体骨骼及器官的三维有限元模型。
1.2 力学实验仿真
A.Pandolfi，F.Manganiello对所建立的人眼角膜模型进行了力学分析[7]。Tammy L HD等对建立的胫股关节三维有限元模型分析了骨骼变形对关节面接触行为的影响以及约束关节运动对接触应力的影响等[8]。
脊柱生物力学仿真是有限元法在生物力学中研究最早、分析最多、临床上应用最广泛的领域。杜东鹏等则对腰椎间盘膨隆的力学机制与腰椎疲劳骨折分别进行了探讨[9]。
头颅及颞下关节也是有限元在生物力学中研究的重点。吕长生等对建立的足部骨组织模型进行有限元分析，为运动损伤或运动鞋的评价等提供了依据[10]。王芳等建立并验证中国人全颈椎有限元模型，用于挥鞭样损伤分析[11]。米那瓦尔・阿不都热依木采用有限元方法，对颌面外科手术术后的颜面软组织形态变化进行预测[12]。
1.3 医疗器械的力学性能评价及优化设计
牙科是有限元法在临床应用中的一大领域，相应的各种牙科固定器材得以研制开发，这些器材的力学性能又是研制过程中重点解决的问题。蔡玉惠等研究了RPA卡环在游离端义齿应用中支持组织的应力分布状况，对RPA卡环的临床应用具有力学上的指导作用[9]。
在内固定钢板方面，张美超等从临床应用出发，利用有限元法对颈前路蝶型钢板进行生物力学模拟分析，得到了与其一致的易断裂部位预测[9]。
在人工关节方面，Heegaard JH等建立了髌骨的计算模型，并且模拟了在人工膝关节中去掉股骨假体对髌骨活动的影响[13]。王永书等对患者胸腰椎爆裂性骨折节段（T12～L2）部位利用有限元进行手术模拟，均与标本模型及术后CT扫描基本相符[14]。
1.4 血流动力学CFD应用
Tarbell JM用FIDAP和Fluent软件进行了血管壁中组织液流动的数值研究[15]。乔爱科等利用有限元分析方法得出冠状动脉搭桥术中对称双路搭桥比单路搭桥具有更合理的血流动力学，可以避免动脉粥样硬化的危险性血流动力学因素，从而减少手术再狭窄的发生[16]。杨金有应用CFD计算流体力学软件进行人体主动脉内血流数值模拟分析，为阐明血管疾病的发病机理提供理论依据[17]。姚伟用计算流体力学软件Fluent计算人体小腿骨间膜组织间隙中蛋白质非均匀分布情况下组织液流动[18]。
2 医学有限元仿真实验方法
通过上述医学有限元研究可得医学仿真实验的方法主要分为四步：（1）通过螺旋CT技术，采集大量的样本图像。运用现有医用物理实验室计算机对样本图像进行建模处理，并进行相关的有限元分析。（2）通过查阅相关国内外资料，针对所需建立模型的生理、物理等参数特性，在几种常用图像处理软件（Mimcs，Proe等）中选取较为合理准确的有限元建模软件。（3）在常用有限元分析软件（ANSYS，Fluent等）中选取较为合理准确的软件对模型进行有限元分析。（4）将有限元分析结果与实际测量数据进行对比，分析有限元模型的准确性。
3 有限元法在医学研究中的优势
有限元法在医学研究中具有四个方面的突出优势：（1）可根据需要产生各种各样的标本，对模型进行实验条件仿真，模拟拉伸、弯曲、扭转等各种力学实验，可以在不同实验条件下模拟任意部位变形、应力/应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等情况。（2）标本也可以进行修正以模拟任何病理状态。同一个标本在虚拟计算中可进行无数次加载或组合而不会被损坏。（3）其结果不受实验条件的影响，也排除了实验条件造成的误差，而且可以重复计算，节约成本。（4）利用有限元法进行的模拟实验具有实验时间短、费用少、可模拟复杂条件、力学性能测试全面及可重复性好等优点。
4 医学院校开展医学有限元仿真实验的意义
在医学院校开展医学有限元仿真实验，可以使学生将相关医学、物理、生物等课程的知识综合应用于仿真实验中，给生物医学工程专业学生的毕业设计提供更为广阔的范围，使研究具有更高的水平；激发学生的创新思维和热情，使学生在自主科研创新的基础上，设计相关仿真实验加以验证、研究。同时，开展仿真实验要求教师不仅需要对本专业知识做到“了如指掌”，而且需要教师具有仿真实验相关的医学、物理学、生物学等非本专业学科的专业知识，还要求教师必须掌握螺旋CT扫描技术，Mimics，ANSYS等建模、仿真软件的计算机应用技术。这些知识对于教师实验教学、科研水平的提高具有十分重要而深远的意义。在开展医学仿真实验的基础上，建设医学仿真实验室，不仅可以为学生提供毕业实习条件，加强实习基地建设，而且与医院相关科室进行合作，可以在生物力学基础上预测手术中、长期效果，对医生手术具有较为科学的指导，加强了学校与医院的合作。
5 结束语
建立医学有限元实验有两个关键的问题：（1）医用有限元模型快速准确的建立。模型的快速准确建立可以减少仿真实验所需时间、降低费用、增加仿真的准确性和可信性。（2）建立通用的有限元模型库，为进一步的实验教学和科研打下坚实的基础。因此需要在具体实验实践中逐步探索和积累。
将工程有限元分析同医学结合开设实验课，属于多学科之间的交叉领域，不仅可以提高学生对所学专业知识的综合运用能力，增强学生就业与学习深造的竞争力，而且可以加强多学科教师的教学和科研合作，提高教师的教学科研水平。同时提高相关实验室的利用率，为学生自主开展创新实验提供平台，加强学校和附属医院的教学科研合作，为医学院校提供更为广阔的教学和科学研究领域。
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生物力学的应用范文第6篇
【关键词】 人工种植体生物力学研究进展；种植材料；种植体形态结构；植体上连接装置种植体长度和直径；种对应力分布的影响
种植义齿是口腔科领域中发展最快，最令人兴奋的一个分支，已成为与高速涡轮牙机、全景X线机、高分子粘固材料并列的20世纪牙科发展的四项重大突破之一。一个成功的人工种植体应该和骨组织直接结合，形成良好的生物力学相容性，将咀嚼压力均匀分布到周围骨组织，应力过大或过小，都无益于种植牙周骨组织的重建，都将导致种植牙的失败。
1 应力分布研究方法的发展
在20世纪70年代以前，生物力学研究和应力分布的检测多采用电测法和光弹法，电测法是实验应力分析方法中最基本的方法之一，它的灵敏度与精确度较高，可用于现场测定，用于各种复杂环境下测量多种力学参数，但电测法只能逐点测量物件表面的应变，且仅能获得应变片所在位置的应变平均值，不能直观得出构件应力分布的全貌，在环境条件恶劣时误差较大。光弹应力分析法具有直观性和全场性的优点，可用以分析各种形状的复杂构件和表面应力，也是口腔生物力学常采用的研究方法，但光弹法不能把材料力学和弹性理论联系起来，如不能计算出模型内任意处的应力值和位移植。自从1973年Theresher和Farah几乎同时将有限元法（finite element method，FEM)应用于口腔医学领域，FEM已成为一种有效的数学工具，在口腔生物力学研究中得到广泛应用。FEM具有以下优点：可以准确地表达复杂的几何形状；可以在同一模型上对不同性质的材料进行力学分析；可以进行复杂载荷条件下的应力分析；模型的转换较为简便；对应力的内部状态及其它力学性能定量测定的代表性好，同时FEM在应用中自身也不断得到完善，其中从二维到三维是FEM发展的一个飞跃。1976年Weinstein等应用二维FEM分析了多孔圆柱种植体界面的应力分布，将FEM引入了口腔种植领域，从此，有关种植义齿生物力学的研究进入了一个新的阶段。
2 种植体材料对应力分布的影响
人工牙种植体的研究和应用已有30多年的历史，但迄今为止，只有少数几种材料的种植体为人们所接受，其中应用历史最长、也最广泛的是钛质种植体，金属钛具有良好的生物相容性，与骨组织形成紧密、牢固的结合，而且其弹性模量与骨很接近，与骨结合所形成的界面是动态的，在适当负荷的刺激下，种植体与骨的接触程度在一年后会从53%增加到74%，所以说钛是一种理想的种植材料。用三维有限元法研究了Screw-vent骨内种植体及支持组织应力分布情况，这种商业纯钛种植体最大应力区是在种植体的颈部，这些应力比商业纯钛的疲劳极限（259，90MPa）低18倍，骨内最大压力值（19.57MPa)是在颈部的舌侧区，而且Screw-vent种植体近远中应力（最大为0.38MPa）比种植体颊、舌侧低得多。这一点和以前放射照片研究的骨吸收发生在种植体的近远中不同。为了更快的形成骨整合，人们还从种植体的表面涂层入手。尤其是羟基磷灰石喷涂（hydroxyapatite，HA)研究最多，但还是有很大争议，生物活性材料的涂层，可以改善与骨的结合方式，从生化角度上看，对种植牙长期成功是有益的，但从生物力学角度是否有明显的改善并不清楚。最近Meijer(1997)等，使用柔韧高分子生物材料（polyactiv，PL)即聚丁烯对二苯酸盐（酯）聚合物［polyethylene-oxide polybutylene-terephthalate(PEO:PBT)copolymer］和硬性HA穿龈种植体进行动物（狗）实验研究，从组织学上和临床方面作一比较，PL设有三种（一种密集型，两种多孔型）6个月加载，PL和HA种植体周围骨组织在第6周有骨吸收（高度失去1mm)，第12周可见重建，18周后恢复到原来的水平，结果PL比HA引起密度上较少的降低。这个结果显示：柔韧种植材料更有利于应力向周围骨组织传导。临床方面PEO：PBT和陶瓷、生物玻璃、钛、和其他材料相比较，结果：PEO：PBT是一种柔韧材料，能降低穿龈种植体颈部应力峰值，致密型PL功能合适，运动性能与天然牙相近似，表现出最好的临床功能，也能减少种植体周围应力峰值。从组织学观察得出结论：柔韧的骨结合，种植体更能较好地把应力传导到周围骨组织，因此它可能是硬性种植体有前途的替代物。
3 种植体形态结构对应力分布的影响
成功的种植体不仅取决于种植体材料的生物学性质及手术技术，种植体的表面形态也十分重要。近年来，国外学者围绕着种植体以什么样的形态结构才具有最佳的生物力学相容性，作了大量的研究。关于口腔种植体宏观形态基本上认为以单个旋转对称为最佳，所以新近出现的或改良的种植体系列极少看到过去传统的锚状或翼状形态。即粗糙的种植体表面更利于新骨生长，形成更广泛骨-种植体结合区，Mailath(1989)使用有限元法研究了骨内种植体形状与应力分布的关系得出结论，圆柱形种植体比圆锥形种植体更可取，因为它降低了应力在骨皮质上的峰值。Arpinar(1996)等，用有限元法对两种硬性种植体设计进行研究，结果为：中空螺旋种植体（ITI1）在顶点区域产生高和应力集中，而实心螺旋种植体（ITI2）应力的分散转移要比中空好得多。1996年黄辉等，对螺纹顶角角度对柱状螺旋根管内种植体应力分布进行了研究，结果表明：螺纹顶角角度的改变，可以导致种植体在支持组织的应力分布水平的变化，螺纹顶角为60度的种植体应力分布较合理，为种植体设计、应用提供理论依据。
4 种植体的长度和直径对应力分布的影响
对于种植体长度和直径与种植体周围骨面应力反应的关系，目前国外研究报告的观点不一致。Mailath(1989)等，用有限元法对不同直径的种植体进行生物力学研究，结果发现大直径种植体产生有利的应力分布效果。Block(1990)通过动物试验证明，种植体从骨中拉出力与其长度关系极大，而与其直径关系不大。Lum(1991）发现骨界面应力主要集中于种植体颈部的牙槽嵴顶而非整个种植体周围，并据此推论使用短种植体可能对骨界面应力集中值影响不大。Lum（1992）用工程统计学方法，分析了轴向力和水平力作用下种植体力的传导，结果发现，在轴向力作用下，仅仅长度为10mm，直径为4mm的种植体，能传导平均最大咬合力，支持骨受到张力在正常生理限度内。在水平力作用下长度大于12mm时，再增加长度对力的传导无显著差异。Meijer(1992)等，使用短种植体以其周围的应力无太大影响。邹敬才（1996）等，应用二维有限方法，对3mm，4mm，5mm三种不同直径的螺旋形种植体进行对比分析，结果表明：螺旋形种植体直径增加，对骨界面的总体应力分布规律影响不大，但随着直径的增加，对骨界面应力降低，种植体与骨界面的相对位移运动也相应减小，有利于骨界面的应力分布。提示临床尽可能选择直径稍粗的一些种植体。Tuncelli(1997)，等应用有限元法，比较了ITI中空圆柱两段式种植体不同直径（3.5mm，4.5mm，6mm）应力分布。结果发现：相对较大的直径种植体更有利于下颌后部区域（应力分布好）。张少锋（1997）等，用有限元法研究了种植体长度和直径对种植全口义齿应力的影响，得出结论：种植体周围骨界面应力的大小与种植体长度密切相关，呈负相关关系。种植体直径在临床常用范围内变化时，仅引起自身应力及种植的改变，而对种植全口义齿的其他结构和组织应力状况影响不大。
5 种植体上部结构的连接装置对应力分布的影响
人们为了去模仿天然牙牙周膜的缓冲作用，一些学者用一些具有粘弹性的材料如聚甲醛制成内动部件，连接种植体和附着体。McClumphy(1989)在种植牙上用聚甲醛材料设计了一个具有弹性的内连接体，并用钛制作一相同的内连接体作对照，用光弹应力分析法对两者进行了应力分布的对比研究，结果：在骨界面上应力分布两者差异没有显著性。Vanrossen(1990)等，通过二维有限元法，对不同弹性连接体弹性模量和不同外形的内连接体在单个种植体上进行分析，结果：内弹性连接体弹性模量的改变对周围骨应力分布没有影响。Chapman(1990)等，设计一种内部减震器（shockabsor-ber)，把种植体与义齿相连接，用钛制作对比，结果：两者差异有显著性，可减少咬合力。elChkawi hG(1990 )在种植体上部结构下面使用一层弹性材料，种植体不动，而上部结构可动，结果发现这种改进使应力和位移分布和天然牙相类似。Kraut(1993)等，设计了一种弹性内动连接系统，结果表明这套系统能吸收应力，减少达到种植体和周围骨的应力值。
生物力学的应用范文第7篇
【摘要】 目的 研究股骨头松质骨弹性模量、骨密度及骨小梁形态及结构的相关性，以期用体外测定骨密度早期预测股骨头坏死后塌陷。方法 取股骨头承重区松质骨，测量其弹性模量、骨密度值，应用图像分析系统测量组织形态学分析指标，进行相关回归分析，分析骨密度与弹性模量及组织形态学指标之间的相关性及相关关系。结果 松质骨骨密度与弹性模量之间呈二次曲线相关关系；骨密度与组织形态学分析指标之间有很好的相关性。结论 应用骨密度能较好的反映股骨头生物力学性能及松质骨细微结构，理论上可以应用于股骨头坏死后塌陷的预测。
【关键词】 骨密度；弹性模量；组织形态学；股骨头缺血性坏死
Abstract：Objective To research the correlation between Emodulus and BMD of trabecular bones in femoral head，and observe the structure of trabecular bones at different level of BMD，and evaluate the trend direction of trabecular bones structure of femoral head.Methods Measure the Emodulus and BMD with DEXA of bones in femoral head，and universal compression machine respectively；measure the static bone histomorphometry parameters with computercontrolled image analysis system；test the correlation between BMD and Emodulus，BMD and static bone histomorphometry parameters statistically.Results BMD could reflect Emodulus and static bone histomorphometry parameters very well.Conclusion BMD can reflect Emodulus and static bone histomorphometry parameters very well，and can be used in prediction of collapse of femoral head after avascular necrosis.
Key words：bone mineral density；elastic modulus；histomorphometry；avascular Necrosis of the femoral head
成人缺血性股骨头坏死(avascular necrosis of the femoral head，ANFH)是骨科常见疾病。股骨头坏死后塌陷是导致髋关节功能受限或丧失从而致残的主要原因［1］。如能早期预测股骨头坏死后塌陷并予以适当处理，则有可能预防股骨头塌陷的发生［2，3］。
本实验测量股骨头松质骨骨密度(bone mineral density，BMD)、弹性模量及组织形态学参数，研究BMD与骨弹性模量及组织形态学分析指标之间的相关性及相关系数，以BMD反映股骨头的生物力学性质及骨小梁形态。通过体外动态测定股骨头松质骨BMD，间接反映股骨头的生物力学性质及骨小梁形态及结构的变化趋势，为临床早期预测股骨头坏死后塌陷的研究提供理论依据。
1 一般资料
28 例股骨头缺血性坏死、髋关节骨关节病或新鲜股骨颈骨折，需行全髋关节置换术者作为研究对象，其中男17 例，女11 例；年龄32～76 岁，平均(63.1±8.3) 岁。无甲状腺或甲状旁腺机能亢进或减退、肝肾疾病等。
2 实验方法
2.1 取材 在全髋关节置换手术中取出股骨头后，立即用环钻在股骨头承重区沿力线方向经股骨头中心钻取松质骨，以锋利手术刀将两端切成平行并与纵轴垂直，标本长度约为(25±0.5) mm，再用细砂纸将两端仔细打磨平整。精确测量直径及长度后储存于－70℃低温冰箱中备用［4］。整个标本采取及制作过程在2 h内完成。
2.2 方法
2.2.1 弹性模量测定 将股骨头标本从低温冰箱中取出后，置于22～25℃室温中约3 h进行复温。应用万能压力测试机进行非损伤加载。加载速率为0.002 m/s，最大载荷为0.15 kN，最大变形为7％，变形测量精度为0.005 mm，载荷测量精度为1 N［5］。每份标本测量3次，取第3次测量值。每次测量前后及间歇期均将标本浸泡于室温生理盐水中。计算弹性模量。弹性模量计算公式为：E＝(F/S)×(L/ΔL)［6］，各数据均采用国际单位制(E为弹性模量，ΔL为标本变形值，F为载荷，S为标本截面面积)。
2.2.2 骨密度值测定 弹性模量测定后，双能X线骨密度仪进行骨密度值测定。将标本直立放置于检查床上，沿标本纵轴进行扫描，单位为g/cm2。骨密度测定前后将标本浸泡于生理盐水中。
2.2.3 骨组织形态学分析 标本进行手工磨片后酸性复红染色，应用半自动图像数字化分析仪，放大10倍下进行组织形态学测量，每一标本连续测量8～10个视野，分析下列6个静态参数：松质骨体积(trabecular bone volume，TBV)，单位mm2内骨小梁体积占松质骨体积的百分数；平均骨小梁密度(mean trabecular plate density，MTPD)，单位mm2内骨小梁个数(个/mm2)；平均骨小梁间距或弥散度(mean trabecular plate separation，MTPS)，相邻两个骨小梁之间的距离(μm)；平均骨小梁厚度(mean trabecular plate thickness，MTPT)，骨小梁本身的平均厚度(μm)；骨小梁间连接点数(intertra becular node，IBN)形成网状的骨小梁在单位面积内交叉连接点个数(个/mm2)；骨小梁末端数(freeending trabecular，FET)，单位面积内骨小梁游离残端个数(个/mm2)［7］。
2.2.4 实验数据处理 应用统计分析软件包SPSS10.0进行统计学分析，分析骨密度值与弹性模量以及骨密度值与组织形态学分析各指标之间的相关性及相关关系。
3 结
果
3.1 测量结果 弹性模量及骨密度测定结果见表1。应用半自动图像数字分析仪，放大10倍下进行组织形态学测量，每一标本连续测量8～10个视野，各静态参数测定结果见表2。表1 弹性模量及骨密度测定结果表2 骨组织形态学分析结果
3.2 相关回归分析 本实验统计学分析后发现，松质骨骨密度与弹性模量两组数据之间呈二次曲线相关关系，回归方程为Y＝315.30－1327.33X＋1523.07X2，相关系数为0.782(P＜0.001)。
本实验结果显示，股骨头松质骨的骨密度与组织形态学分析指标之间也有很好的相关性。骨密度与松质骨体积之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝4.18＋29.35X，相关系数为0.860(P＜0.001)；骨密度与平均骨小梁密度之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝0.26＋1.89X，相关系数为0.779(P＜0.001)；骨密度与平均骨小梁间距之间呈现直线负相关关系，回归方程为：Y＝1520.30－1222.40X，相关系数为0.783(P＜0.001)；骨密度与平均骨小梁厚度之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝－20.33＋318.72X，相关系数为0.763(P＜0.001)；骨密度与骨小梁间连接点数之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝6.40＋82.58X，相关系数为0.702(P＜0.001)；骨密度与骨小梁末端数之间为直线负相关关系，回归方程为：Y＝91.43－72.13X，相关系数为0.741(P＜0.001)。
结果表明股骨头松质骨骨密度能够很好地反映股骨头松质骨的生物力学性质及骨小梁形态及结构的变化趋势。
3.3 骨密度的相对安全范围 结合骨密度－弹性模量回归曲线、骨密度－组织形态学分析指标回归曲线以及镜下观察结果，综合评估后发现，当骨密度在0.5～0.7 g/mm2之间时，股骨头松质骨的生物力学性能相对较好，在正常的负重条件下可以认为这是一个相对安全的骨密度范围，发生塌陷的风险较小。
4 讨
论
4.1 骨密度与弹性模量的相关性 有许多国内外学者对弹性模量与骨密度之间的相关关系做了大量研究，因为试验条件、试验方法及试验对象不同，得到的结论亦不相同，但都发现两者之间相关性很强［8～10］。
本实验结果说明，股骨头松质骨骨密度与弹性模量之间有很好的相关性，通过测得的松质骨骨密度值，可以根据两者之间的相关关系式计算出弹性模量值。但是当骨密度值高于正常时，即出现增生硬化时，弹性模量和骨密度值并不遵循此相关关系式，而是弹性模量迅速下降。
4.2 骨密度与组织形态学分析指标的相关性 本实验结果显示，组织形态学分析指标和骨密度之间为线性相关关系，骨密度测量可以很好的反映松质骨的细微结构。
结果表明，通过骨密度可以计算出组织形态学的各项参数，从另外一个角度可以反映出股骨头的生物力学性能。
4.3 不同骨密度范围塌陷风险的大小 结合骨密度－弹性模量回归曲线、骨密度－组织形态学分析指标回归曲线以及镜下观察结果，综合评估后发现，在骨密度大于0.7 g/mm2或小于0.5 g/mm2时，股骨头松质骨的生物力学性能很差；而当骨密度在0.5～0.7 g/mm2之间时，股骨头松质骨的生物力学性能相对较好。
对于股骨头坏死高危人群或已确诊为早期股骨头坏死但尚未发生塌陷的患者，动态观察其股骨头松质骨的骨密度变化，如骨密度小于0.5 g/mm2或大于0.7 g/mm2，或骨密度连续呈下降趋势，理论上可以认为发生股骨头塌陷的风险相对较大。
4.4 以骨密度早期预测股骨头坏死后塌陷的可行性及优越性 以骨密度预测股骨头坏死后塌陷的风险性，具有以下优点：a)骨密度测量对影响骨代谢因素非常敏感［11］，可以更早的发现骨代谢的变化，并且可以直接通过动态观察骨密度评估股骨头生物力学性能变化趋势，对股骨头塌陷的风险进行判断；b)可以通过骨密度评估股骨头松质骨组织形态学指标，将股骨头生物力学性质与显微结构结合来判断股骨头塌陷风险，更为全面［12，13］；c)本方法为体外测量，符合无创原则，方法简便易行，且较X线片的预测更为准确，直接反映股骨头的生物力学状态，较其他方法更为可靠。
由上所述，通过本实验获得如下结论：a)股骨头承重区松质骨骨密度与弹性模量呈现二次相关关系，相关系数为0.782(P＜0.001)；b)股骨头承重区松质骨骨密度与组织形态学静态分析指标之间呈现直线相关或直线负相关关系，相关系数均＞0.700；c)应用骨密度能较好的反映股骨头生物力学性能及松质骨细微结构，理论上可以应用于股骨头坏死后塌陷的预测。可以将0.5 g/cm2＜BMD＜0.7 g/cm2作为骨密度的相对安全范围，当骨密度在此范围外时，应考虑有塌陷的危险；d)本实验方法经拓展后亦可应用于骨质疏松患者其他长骨骨折预测的研究。
参考文献
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生物力学的应用范文第8篇
【摘要】 目的 观察中药复方对尾部悬吊模拟失重大鼠骨密度(BMD)、骨生物力学强度及组织形态计量学的影响。方法 50只Wistar大鼠按随机区组实验设计法分成正常对照组、模型组及悬吊中药低剂量组、中剂量组、高剂量组，每组10只，实验周期21 d。实验结束后，取右侧股骨和第4腰椎，用双能X线骨密度仪测量股骨、腰椎BMD；三点弯曲实验法及腰椎压缩实验法分别测定股骨和腰椎生物力学指标；取第3腰椎，制作不脱钙切片测量骨形态计量学指标。结果 与正常对照组相比，模型组大鼠股骨、腰椎BMD明显降低(P＜0.05)，股骨最大载荷、弹性载荷、最大挠度、弹性挠度明显降低(P＜0.05)；腰椎最大载荷、弹性载荷明显降低(P＜0.05)；腰椎骨小梁体积百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁矿化率明显降低(P＜0.05)。与模型组相比，中药中剂量组可明显增加模拟失重大鼠股骨BMD和腰椎最大载荷、弹性载荷和腰椎骨小梁体积百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁矿化率(P＜0.05)。结论 中药复方能促进骨的形成和矿化过程，增加BMD以及增强骨力学强度，从而达到防治骨丢失的作用。
【关键词】 中药；模拟失重；骨密度；骨生物力学；骨组织形态计量学
Abstract：Objective To study the effects of Chinese medicine compound on bone density， biomechanics， histomorphometry of weightlessness rats simulated by tail suspension. Methods Fifty Wistar rats were randomly pided into 5 groups with 10 rats each group：control group， model group， and low dose， medium dose and high dose Chinese medicine compound treated suspension group， the experiment period was 21 days. BMD of femur and lumbar vertebrae were detected by dual energy X-ray absorptiometry. The femoral biomechanics parameters and anti-compress ability of lumbar vertebrae were measured by three-point assay and compress test respectively. The quantitative structures of non- decalcified bone tissue sections were analyzed by histomorphometry. Result Compared with control group， BMD of femur and lumbar of model group decreased remarkably (P＜0.05)， Maximum Load， Elastic Load， Maximum Deflection and Elastic Deflection of femoral bone and Maximum Load and Elastic Load of lumbar vertebrae of model group decreased remarkably (P＜0.05)， TBV%， TFS%， AFS% and MAR% of lumbar vertebrae of model group also decreased remarkably (P＜0.05). Compared with model group， BMD of femoral bone， Maximum Load and Elastic Load， TBV%， TFS%， AFS% and MAR% of lumbar of medium dose group increased remarkably (P＜0.05). Conclusion Chinese medicine compound can improve the bone formation， prevent bone loss by improving ossify， bone mineral deposition and mineralization， as well as increase BMD， improve the bone biomechanics property.
Key words：Chinese medicine；simulated weightlessness；BMD；bone biomechanics；bone histomorphometry
失重性骨丢失是长期航天飞行中最危险的因素之一，因而探讨和寻求有效的对抗失重骨丢失的有效措施一直是航天医学界的难题，但至今仍无切实有效的防护措施。我们将中医药理论应用于航天医学研究，研制了以滋补肝肾、健脾益气、活血化瘀、强筋健骨等治法为依据组成的中药复方，并利用尾部悬吊模拟失重动物模型，对其药理、药效和机理进行了全面系统的研究。本实验是该方对骨代谢影响系列研究的一个组成部分，重点探讨该方对模拟失重大鼠骨密度(BMD)、骨生物力学强度及组织形态计量学的影响，为研究中医药对抗模拟失重骨丢失措施及探讨中药对抗模拟失重骨丢失机理的研究奠定基础。
1 实验材料
1.1 动物
Wistar大鼠，雄性，体重(150±10)g，北京维通利华公司提供，合格证号：SCXK(京)2002-0003。适应环境7 d后进行实验。
1.2 药物
中药复方由刺五加、黄芪、当归、补骨脂等药按一定比例组成。全部药材经北京中医药大学中药教研室鉴定，按传统工艺煎煮，制成1 g原药材/mL浓度的口服液。
1.3 试剂
甲基丙烯酸甲酯(批号20061010)，北京益利精细化学品有限公司；邻苯二甲酸二丁酯(批号040401)，北京化学试剂公司；过氧化苯甲酰(批号20040610)，北京金龙化学试剂有限公司。
1.4 仪器
双能X线骨密度仪，美国LUNAR公司；WD-1型电子万能试验机，长春第二试验机厂；WDW-5型微机控制电子万能试验机，长春市朝阳试验仪器有限公司；Reicheit-Jung 2040切片机，德国。
2 实验方法
2.1 尾部悬吊模型的建立
采用陈氏等[1]改进的鼠尾悬吊法。将大鼠在悬吊笼中尾部悬吊，后肢离地，使躯干与地面成300°角，前肢着地可以自由活动。
2.2 分组及给药
Wistar大鼠按随机区组实验设计法分成正常对照组(K组)、模型组(M组)及悬吊中药低剂量组(D组)、中剂量组(Z组)、高剂量组(X组)共5组，每组10只，均用悬吊笼单笼饲养，实验周期21 d。造模前7 d悬吊中药3个剂量组给予中药复方(10 mL/kg)灌胃，K组、M组给予蒸馏水灌胃(10 mL/kg)，每日灌胃1次。第8日灌胃1 h后，M组与悬吊中药3个剂量组尾部悬吊，K组大鼠笼中自由活动。继续每日灌胃1次，每周称重1次，按重量调整给药剂量，连续灌胃14 d。
2.3 标本处理及检测
2.3.1 大鼠股骨、腰椎骨密度的测定
实验第21日处死大鼠，取右侧股骨和第4腰椎骨，去净附着结缔组织，分别用生理盐水纱布包裹后即刻保存于-70 ℃冰箱中，并尽快进行BMD测定。测定前取出上述样本，室温下复温，然后将各样本分别置于有机玻璃板上，固定位置，以全长的1/2交界处为测量点，应用双能X线骨密度仪作骨横越扫描，荧光屏显示测量图像，自动打印测量结果。
2.3.2 股骨、腰椎生物力学的测定
实验前取出冰箱保存的大鼠股骨，室温下复温，进行三点弯曲试验，跨距20 mm，加载速度2 mm/min，同时记录载荷-变形曲线；第4腰椎体进行压缩试验，加载速度为2 mm/min，同时记录载荷-变形曲线，2组样本均计算最大载荷和弹性载荷、最大挠度和弹性挠度。
2.3.3 腰椎组织形态计量学的测定
在实验动物处死前14、3 d分别皮下注射盐酸四环素30 mg/kg。大鼠处死后，迅速取出第3腰椎。剔净骨周围肌肉及软组织，用生理盐水擦洗干净，置于10%福尔马林中固定24 h，然后制作5 μm和10 μm的纵向不脱钙骨切片。5 μm切片用二甲苯溶掉树脂后，梯度乙醇至水，甲苯胺蓝染色；10 μm切片直接用于荧光观察。主要参数包括：骨小梁体积百分比、骨小梁吸收表面百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁矿化率。
3 统计学方法
所测定指标均采用x±s表示，BMD和生物力学指标使用SPSS12.0统计软件中的方差分析(ANOVA)进行检验，骨组织形态剂量学使用Student-Newman方法进行检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。
4 结果
(见表1～表3)表1 中药复方对模拟失重大鼠腰椎骨组织形态计量学的影响(略)注：与K组比较，#P＜0.05；与M组比较，*P＜0.05；与Z组比较，ΔP＜0.05(下同)表2 中药复方对模拟失重大鼠股骨、腰椎BMD的影响((x±s，g/cm2)表3 中药复方对模拟失重大鼠股骨、腰椎最大载荷、最大挠度、弹性载荷、弹性挠度的影响(x±s)
5 讨论
我们的前期动物实验研究表明，尾部悬吊后大鼠出现了明显骨代谢异常，而在本实验中模型组大鼠股骨、腰椎BMD以及最大载荷、弹性载荷均显著减少，这与国内外的相关报道一致[2-3]，说明应用尾部悬吊大鼠的模型是成功的。
BMD是反映骨皮质厚度、骨小梁结构和骨量的重要指标，也是间接评价骨丢失程度的指标之一。本实验中，与正常对照组比较，模型组大鼠股骨、腰椎BMD明显降低，中药中剂量组可明显增加股骨BMD。说明尾部悬吊模拟失重时，后肢去负荷后肌肉萎缩、骨应力刺激消失、骨骼血液供应不足等引起大鼠承重骨骨矿盐大量丢失，给与中药干预后有可能增加骨骼血液供应以及刺激成骨细胞活性或抑制破骨细胞活性而促进大鼠的骨矿盐沉积，促进骨的矿化，增强BMD。但中药复方对股骨和腰椎BMD的药效有差异，可能与药物剂量、给药时间以及作用途径有关。
由于单纯骨矿盐含量测定不能表现骨结构和材料特征的变化，因此结合骨力学指标测定可以更全面评价骨质量，反映骨骼抗骨折能力。最大载荷和弹性载荷反映骨结构力学特性，他们的变化反映骨小梁质量、结构连续性和皮质厚度的改变[4]。挠度是骨骼柔韧性指标，其数值的大小与骨基质胶原蛋白含量高低有关。对于受试骨骼来说，单独考虑挠度并不能说明受试骨骼的质量，应根据具体的情况来综合分析。失重及模拟失重下骨骼力学特性(如硬度、强度、柔韧性、弹性及扭转力)皆有下降，尤其是扭转力的下降最为显著。Cosmos飞行发现大鼠股骨和脊柱的力学性能下降[5]。马氏等[6]于尾吊大鼠模型模拟失重90 d后测量长骨的生物力学性能发现，股骨的强度、硬度、刚度各项参数均较对照显著下降。在本实验中，模型组大鼠股骨、腰椎力学强度均降低，中药中剂量组可明显增加腰椎最大载荷和弹性载荷。提示中药复方通过增加BMD，增强骨力学强度而有效防止骨折发生，而对最大挠度和弹性挠度没有显著影响，可能与中药复方对骨基质胶原蛋白含量影响不明显有关。
在本实验中，中药复方中剂量组比低剂量组和高剂量组更明显增加BMD和骨力学强度，因此，我们选择中药复方中剂量组，从骨组织形态计量学方面进一步考察了该方的疗效。骨组织形态计量学是新近发展起来的一种骨组织定量研究方法，它将骨组织切片中二维图像展示的骨组织形态转化为数量资料，从而得出较多的定量结构信息，可从组织和细胞水平了解骨结构的变化情况。而骨组织的力学特征不仅决定于骨质的密度，还与骨小梁的微观结构有着非常密切的关系。目前有关骨形态及结构的研究证明，失重状态下骨结构的变化包括骨小梁变薄、数目减少、成骨细胞的数目和活动减少等[7]。本实验结果表明，模型组大鼠骨小梁结构及其形态发生明显改变，骨小梁明显变细，骨小梁体积百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁矿化率明显降低，部分骨小梁中断而逐渐被吸收，骨小梁之间的距离变宽，骨小梁的连接遭到破坏，失去原来的三维网架结构，导致松质骨的整体力学强度下降。提示模拟失重可抑制大鼠松质骨类骨质的形成和矿化，对骨吸收影响不大，表明模拟失重使骨形成减少而导致骨的丢失。经中药治疗后，骨小梁数目增加、变粗、间隙减小，骨小梁体积百分比和形成表面百分比及矿化率等明显增加，表明中药复方能明显的促进模拟失重大鼠类骨质的形成和矿化，改善骨的显微结构，从而增加了骨量和提高了骨的强度。
综上，中药复方可以有效改善失重性骨丢失，有效促进骨的形成和矿化过程，增加BMD以及增强骨力学强度，从而达到防治骨丢失的作用。表明该中药复方对防治失重性骨丢失方面具有一定的应用意义，有待于细胞水平和分子水平的深入研究。
参考文献
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[4] Masekid LL， DanieLsen CC， Knudsen UB. The effect of aging and ovariectomy on the vertebral bone mass and biomechanical properties of mature rats[J]. Bone，1993，14(1)：1－6.
[5] Oganov VS， Schneider VS. Skeletal system[A]. In： Huntoon CSL， Antipov VV， Grigoriev AI. Humansin spaceflight. volume 3. BookⅠ. Effects of microgravity[C]. Reston VA：American Institute of Aeronautics and Astronautics，1996.247－266.