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骨质疏松是一种常见的骨骼疾病,且已经成为影响人类健康的世界性问题之一。然而,骨质疏松的成因及治疗中的骨重建力学机制仍不明确。雌激素缺乏是骨质疏松的主要病因之一,但雌激素缺乏在时空四维空间中影响骨重建的机理仍不明确。甲状旁腺素已经被证明是一种能够促进骨合成从而治疗骨质疏松的有效药物,但是其作用于骨骼的力学机制仍不明确。本文的目的是研究去势手术和甲状旁腺素治疗对骨重建的影响机理。本项目利用动物实验构造骨质疏松骨骼模型及治疗组模型。其中的动物实验已在英国谢菲尔德大学完成:13只雌性小鼠C57BL/6J接受了去势手术(Ovx,n=6)或假去势手术(Sham,n=7),10只雌性小鼠C57BL/6J作为控制组(Wild,n=5)或甲状旁腺素干预组(WildPTH,n=5),然后分别在小鼠第14,16,17,18,19,20,21和22周大时对完整小鼠右胫骨进行显微计算机断层扫描(Mirco computed tomography,μCT)(像素尺寸为10μm),以记录骨重建过程。基于获取的显微CT数据,本项目利用Matlab,从μCT图像中计算获取三种骨形态参数,即骨矿含量、骨体积和骨横截面积,并利用Matlab将μCT图像转换为有限元模型,从有限元模型中计算出三种骨力学性能参数,即应变能密度,失效载荷和刚度。除了记录沿时间轴的小鼠胫骨的整体变化,还利用之前开发的时空四维定量方法来监测4组小鼠胫骨的局部变化。整体分析结果表明,去势手术对小鼠胫骨整体骨矿含量和整体骨体积几乎没有影响,但会使其失效载荷和刚度略微降低;甲状旁腺素治疗可以显著提高小鼠胫骨整体骨矿含量、骨体积以及失效载荷和刚度。局部分析结果表明,去势手术降低了胫骨近端区域的骨矿含量和骨体积,这导致该区域应变能密度上升;甲状旁腺素治疗提高了胫骨所有区域的骨矿含量和骨体积,这导致所有区域的应变能密度下降。此外,去势手术使胫骨骨内膜包围面积显著扩大,而对骨膜包围面积没有明显影响;甲状旁腺素促进了胫骨骨膜面积扩张,骨内膜面积收缩,对侧部和前部区域骨骼影响尤其明显。本研究利用时空四维定量法、有限元模拟等多种手段深入揭示了去势手术和甲状旁腺素治疗对骨骼骨重建的影响机理,为骨质疏松症的研究和治疗提供了重要的理论基础。