一种应力性骨折动物模型构建新装置

发布时间:2015-11-11    来源:陕西省教育厅      
 成果简介:
      本研究设计了一套应力性骨折(SF)动物模型构建新装置,包括应力加载装置、信号采集与处理模块及PC端LabVIEW控制程序。应力加载装置由线性促动器、应力传感单元、线性导轨、组织固定模块(包括定夹头与动夹头)和位移传感器组成。将胫骨固定于定夹头与动夹头之间,应力传感器连接动夹头与线性促动器,LabVIEW程序控制线性促动器运动对胫骨施加轴向的周期应力,同时应力和位移传感单元对胫骨所受力及形变进行实时检测和采集,通过数据采集卡传输到PC端由LabVIEW程序进行实时显示和存储。本装置可实现压缩、拉伸、压缩协同拉伸三种加载模式,适用于动物麻醉与无麻醉两种状态,可建立胫骨与尺骨两种SF动物模型,载荷强度、时间精确可控,可保证SF高成模率。
      成果内容提要:
      应力性骨折是骨骼由于受到持续外力或长期积累损伤而引起的慢性骨折,高发于部队官兵、运动员和舞蹈演员等群体。探索有效降低SF发生率的预防措施具有重要的社会效益和经济效益。但目前仍缺乏有效的SF早期防治方法,而探索SF防治新策略的前提是建立成模率高且接近真实SF发生情况的动物模型。目前国内外SF动物模型的建立方法主要有游泳训练法、电刺激跳跑法和跑台训练法,它们的缺点是成模率低(<30%)、建模周期长、无法精确控制载荷大小,且动物极易对实验平台产生适应性。针对目前国内外SF动物模型建立方法存在的问题,本研究创建了一种后肢轴向循环动态压缩载荷新方法,并设计了一套载荷定量、精确、可控的SF动物模型构建新装置。本系统包括应力加载装置、信号采集与处理模块以及PC端的LabVIEW控制程序。应力加载装置由线性促动器、应力传感单元、线性导轨、组织固定模块(包括定夹头与动夹头)和位移传感器组成。施加周期载荷前,将胫骨固定于定夹头与动夹头之间,应力传感器连接动夹头与线性促动器,LabVIEW程序控制线性促动器运动对胫骨施加轴向的周期应力,同时应力和位移传感单元对胫骨所受力及形变进行实时检测和采集,通过数据采集卡传输到PC端由LabVIEW程序进行数据的实时显示和存储。通过LabVIEW程序能够产生匀速运动加压、周期脉冲加压、斜坡加载和压缩与拉伸加载四种模式。使用Bose ElectroForce 3220万能材料测试机对本系统的工作准确性进行验证,两个系统对于超高分子聚乙烯标准件(直径1cm,高1cm)的杨氏模量测量误差为3.1%,证明本系统具有较高的工作准确性。使用本系统对离体大鼠胫骨进行轴向周期性压缩加载后,在胫骨表面可见骨髓渗出,表明骨表面有裂纹产生,离体实验结果显示频率0.5Hz、预载荷5N、峰值载荷50N、加载周期3000为最佳加载参数。在体实验中,使用此最佳加载参数对活体大鼠的胫骨施加周期性压缩载荷,加载曲线显示峰值压力与基线均较平稳。SPECT扫描结果显示,加载侧的胫骨放射性核素吸收量显著高于对侧胫骨,且CT三维重建图未显示发生完全性骨折,证明本方法可以成功建立SF动物模型。此外,在体实验证明该装置还可实现轴向周期性拉伸加载和压缩协同拉伸加载,而且适用于实验动物麻醉与无麻醉两种状态。在对组织固定模块进行修改之后,本装置还能够实现对大鼠尺骨施加轴向周期性压缩载荷,使用频率0.5Hz、预载荷5N、峰值压力30N、加载周期7000对活体大鼠的尺骨进行周期性压缩加载,加载完成后取两侧尺骨进行microCT扫描,结果显示加载侧尺骨表现有多条横向微裂纹,而对侧则无此情况,证明本应力加载装置可建立胫骨与尺骨两种SF动物模型。
      本研究设计的SF动物模型构建新装置可实现压缩、拉伸、压缩协同拉伸三种加载模式,适用于动物麻醉与无麻醉两种状态,可建立胫骨与尺骨两种SF动物模型,载荷强度、时间精确可控,可以保证SF的高成模率。该装置不但为SF早期防控新策略的研究提供了坚实的动物模型平台保障,还可应用于骨骼生物力学和力学信号传导的实验研究,并能够为骨折、骨缺损及骨质疏松症的临床物理因子治疗提供重要的方法学参考,具有广阔的应用前景。
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