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(diào)整自身結(jié)構(gòu)和質(zhì)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(diào)控,長期處于不正常力學環(huán)境下會導致骨形態(tài)結(jié)構(gòu)異常,進而導致骨疾病發(fā)生,如骨性關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis,OA)和骨質(zhì)疏松癥(Osteoporosis,OP),降低了老年人的生活質(zhì)量,并且給社會經(jīng)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(jié)構(gòu)的影響機制,本文采用定量骨重建理論結(jié)合有限元法,模擬不同力學環(huán)境對宏觀和微觀骨結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)異常的關(guān)系,為臨床上骨疾病的預防和治療提供理論依據(jù);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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)。本文研究內(nèi)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(jié)合有限元法,模擬不同力學環(huán)境下三維脛骨近端內(nèi)部BMD的變化,探索力學環(huán)境與骨形態(tài)結(jié)構(gòu)異常的關(guān)系。利用計算機斷層掃描(Computed tomography,CT)獲得右側(cè)脛骨近端影像數(shù)據(jù),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(jié)合,首先對年輕人正常力學環(huán)境下三維脛骨近端內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行模擬預測,為了驗證模擬結(jié)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(jié)果進行對比。模擬結(jié)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(jié)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。驗證模型的準確性之后,根據(jù)膝外翻脛骨平臺上關(guān)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(jié)果為初始結(jié)構(gòu),模擬預測了老年人膝外翻6°后三維脛骨近端內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在脛骨近端選取ROI對BMD進行定量分析,并與臨床測量結(jié)果進行對比,結(jié)果表明,膝外翻后脛骨近端BMD分布與臨床上OA患者測量結(jié)果一致。可見力學環(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(nèi)部結(jié)構(gòu),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(jù),是進一步研究全膝關(guān)節(jié)置換后假體周圍骨吸收的基礎(chǔ),并為假體的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。第二部分,探索女性由于老齡和絕經(jīng)導致骨量和松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)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(jié)合,模擬6種不同工況下三維松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的變化,同時計算松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的力學性能。這6種工況包括:(1)板狀松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的形成;(2)桿狀松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的形成;(3)載荷方向發(fā)生變化;(4)骨小梁斷裂后結(jié)構(gòu)變化模擬;(5)板狀結(jié)構(gòu)退化穿孔;(6)女性老齡化過程中松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明,活動量減小48.48%導致松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)骨體積分數(shù)(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(jié)構(gòu)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(zhì)骨微結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)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(jīng)和老齡的共同作用,其松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)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%�？梢�,老齡導致了骨量流失,而雌激素缺乏加速了與老齡有關(guān)的骨流失,與此同時,松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)退化,松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)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(zhì)骨微結(jié)構(gòu)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(jīng)導致的骨量流失提供理論依據(jù),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(zhì)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(zhì)骨宏觀力學性能、三維微觀結(jié)構(gòu)、納觀力學性能、鈣、磷含量及股骨干皮質(zhì)骨橫向斷裂面微觀形貌進行檢測和觀察;對股骨頭松質(zhì)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(jié)構(gòu)、骨礦化沉積率和骨形成速率,及納觀力學性能。結(jié)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(zhì)骨密度和松質(zhì)骨密度;低水平負重跑步運動能夠顯著改善松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu);負重為中等和高水平時,尚未發(fā)現(xiàn)跑步運動對松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)有積極作用,且無論是否進行跑步運動,松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)退化程度都隨負重水平增加而增加。皮質(zhì)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(zhì)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(zhì)骨納觀材料力學性能。本研究結(jié)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(zhì)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

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本文編號：1711211