间断性45°头高位对尾吊大鼠股骨生物力学特性的影响
作者：曹新生 吴兴裕 吴燕红 张乐宁 张立藩
单位：第四军医大学航空航天医学系，西安 710032
关键词：失重模拟；尾悬；人工重力；生物力学；股骨；大鼠
航天医学与医学工程000504摘要： 目的 研究不同时段间断性45°头高位对抗措施(intermittent +45° head-up-tilt,IHUT)对尾吊大鼠承重骨的影响。 方法 SD雄性大鼠28只，按体重配对后随机等分为：对照组(C)，悬吊组(S)，2 h头高位组(H2)和4 h头高位组(H4),每组7只。在尾吊大鼠模型模拟失重的基础上，H组大鼠每日分别给予2 h、4 h IHUT。利用物理测量和3点弯曲实验，观察了3 wk IHUT对尾吊大鼠股骨生长、生物力学特性的影响。 结果 S、H各组大鼠股骨重量、灰分、直径和密度(H2组除外)均较C组大鼠显著下降(P<0.01或P<0.05)；与 S组比较， H2组大鼠的股骨直径(P<0.05)和密度(P<0.01)显著改善。生物力学测定结果显示S组大鼠股骨的强度和刚度显著降低(P<0.01)；与S组大鼠相比，H2组大鼠弹性载荷显著提高(P<0.05)，H4组弹性载荷、最大载荷、韧性系数显著恢复(P<0.01或P<0.05)。 结论 IHUT对尾吊大鼠的承重骨的力学特性改善明显，延长作用时间可促进生物力学性能的提高。
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中图分类号：R852.22 文献标识码：A 文献标识码：1002-0837(2000)05-0328-04
Effects of Intermittent +45° Head-up-tilt on Mechanical Parameters of Femural Bone in Tail-suspended Rats
CAO Xin-sheng,WU Xing-yu,WU Yan-hong,ZHANG Le-ning,ZHANG Li-fan
(Space Medicine & Medical Engineering)
Abstract: Objective To study the effects of different intermittent +45°head-up-tilt (IHUT) on tail-suspended rats. Method 28 male SD rats were randomly and equally divided into: control group (C),tail-suspended group (S),IHUT 2 h group (H2),and IHUT 4 h group (H4). On the basis of tail-suspension to simulate weightlessness,H rats were given 2 h or 4 h IHUT each day. The effects of 3 wk IHUT on tail-suspended rats were evaluated by measuring physical and mechanical parameters of the femur. Result Femoral mass (fresh,dry and ash),diameter,and density (fresh,except H2 group) in S,H2 and H4 rats were declined significantly compared to C rats (P<0.01 or P<0.05). Diameter (P<0.05) and density of femur (P<0.01) in H2 rats were significantly improved compared to S rats. Compared to C rats,the strength and stiffness of femora were obviously weakened (P<0.01) in S rats. Elastic load in H2 rats improved markedly (P<0.05) than those in S group; in H4 group,elastic load,maximum load ,and bending toughness coefficient improved significantly(P<0.01 or P<0.05). Conclusion Using IHUT,mechanical parameters of weight bearing bones of tail-suspended rats can be improved apparently,by extending the exposure time,mechanical parameters can be improved.
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Key words:weightlessness simulation; tail-suspended;artificial gravity;biomechanics;femur;rats
航天实践表明，失重性骨量减少和钙代谢紊乱呈进行性过程，航天员在飞行过程中平均每月丧失1%～2%的钙，而且迄今最长的太空停留结束时，航天员的骨丧失仍未出现平台期[1]。为防止长期太空停留可能出现的骨折、骨质疏松等严重后果，人们设计和采用了多种失重对抗措施，如体育锻炼、药物、添加营养物质等[2]。虽然这些措施减缓了骨量减少的速度，却不能有效阻止这一现象的发生。理论上人工重力是最有效的对抗措施，但关于重力作用还有许多问题仍未解决[3]。为寻找和建立一种简单可靠的研究重力作用的动物模型，本实验在尾吊大鼠模型模拟失重的基础上，给予间断性45°头高位( intermittent +45° head-up-tilt,IHUT)对抗措施，通过观察大鼠物理性状和生物力学特性的变化，考察此种对抗方法的作用效果及比较不同时段作用后对抗效果的差异。
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方 法
动物及实验分组 28只雄性SD大鼠均为本校从上海实验动物中心引进的清洁级大鼠。实验开始当日按体重配对随机分为对照组(C，7只)、悬吊组(S，7只)、IHUT 2 h组(H2，7只)和IHUT 4 h组(H4，7只)。3 wk实验期间，给予充足清洁饮水，摄食；大鼠可自由活动。室温保持在(22±2)℃，人工控制室内照明，保持12 h光照和黑暗交替循环。S组大鼠采用我实验室改进的方法做尾部悬吊。大鼠始终保持30°头低位及后肢自由悬垂不荷重状态。H各组在尾吊处理的基础上，每天分别给予2 h或4 h IHUT[4]作用。IHUT的实现是将大鼠放入细筒状钢丝笼，在笼中大鼠不能转身，但可自由进退。置笼于45°倾斜位，同时使大鼠呈头高位。
标本处理 自实验期满开始，按配对顺序依次断头处死大鼠，尽快取出其双侧股骨，去除结缔组织。
右侧股骨测量物理性状指标，包括股骨湿重、长度、直径、体积、密度、干重和灰分，除后两项外其余均在处死大鼠后立即测量。湿重和干重采用ACA-100型电子天平测量(精度为1×10-4g;Denver Instrument Company，美国)，灰分采用TMP-1上皿式电子天平测量(精度为1×10-3g;中国湖南仪器仪表总厂天平厂，长沙)。测干重时，标本先在118℃加热烘烤48 h至质量恒定；灰分为灰化炉中800℃、24 h完全灰化后测得值。长度和直径(骨干中段最细处)使用精度为0.02 mm游标卡尺测量。体积用排水法测量(精度为1×10-4cm3)。湿重密度为湿重和体积的比值。
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左侧股骨即刻密封保存于-70℃环境中，并于3 d内进行3点弯曲实验。3点弯曲实验在Instron 1195(Instron，英国)电子拉伸机上进行。股骨放置方向及位置保持不变，跨距为16 mm，加载砝码2 kg，加载速度为0.05 mm*min-1。通过所得载荷-应变曲线计算弹性载荷、最大载荷、弹性挠度、最大挠度、刚性系数和韧性系数等力学指标。
统计学处理 数据以
±s表示，采用SPSS7.0统计软件进行统计分析，利用方差分析和t检验检测各组间差异的显著性。
结 果
一般情况 实验期间C组大鼠体重持续增加，S、H2组大鼠前4 d体重呈下降趋势，从第5天开始逐渐增加；H4组大鼠在前12 d体重无变化，之后体重开始增加。实验结束时，C组和S组大鼠体重无明显差异，H2(P<0.05)和H4 (P<0.01)组大鼠平均体重明显低于C组大鼠，H4组大鼠体重显著低于S组大鼠(P<0.01)(见表1)。
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大鼠股骨物理性状变化 S组和H各组大鼠的股骨湿重、干重、灰分、直径和密度等均较C组大鼠显著下降(P<0.01或P<0.05)，S组(P<0.01)和H4组(P<0.05)湿重密度较C组显著降低。H4组长度较C组(P<0.05)，S组(P<0.01)大鼠显著缩短。与 S组大鼠比较，H2组大鼠直径(P<0.05)和密度(P<0.01)显著改善，H4组密度显著恢复(P<0.01)。说明采用IHUT后，悬吊大鼠骨生长代谢有部分改善,而延长作用时间未见明显促进作用(见表2)。
大鼠股骨生物力学特性变化 S组和各对抗组大鼠在股骨弹性载荷、最大载荷、刚性系数等方面均较C组显著下降(P<0.01或P<0.05)，韧性系数较C组显著上升(P<0.01或P<0.05)，表明模拟失重引起大鼠股骨力学性能的全面明显降低。与S组大鼠比较，H2组弹性载荷显著提高(P<0.05)；H4组弹性载荷(P<0.01)和最大载荷(P<0.05)显著恢复，韧性系数显著降低(P<0.05)。表明采用IHUT后，模拟失重大鼠的股骨力学性能显著提高，延长作用时间可促进生物力学指标的恢复(见表3)。
, 百拇医药
表1 实验前后C,S,H2,H4组大鼠体重(±s,n=7,g)
Table 1 Changes of body weight in C,S,H2,and H4 groups(±s,n=7,g) time
group
C
S
H2
H4
before suspending
, 百拇医药
274.9±12.7
275.3±14.1
274.9±12.6
275.9±12.7
after suspending
353.1±19.4
346.9±15.5
327.9±25.2*
294.7±24.0**&&
Note:*P<0.05,** P<0.01,as compared with C rats; &&P<0.01,as compared with S rats表2 C,S,H2,H4组大鼠股骨(右)物理性状指标(±s)
, 百拇医药
Table 2 Basic physical parameters of rat femur(right) in C,S,H2,and H4 groups(±s) group
m(f)/mg
m(d)/mg
m(m)/mg
l/mm
d/mm
ρ(f)/(g.cm-3)
C
901±50
, 百拇医药
600±36
342±39
35.43±0.80
2.37±0.21
1.485±0.020
S
807±32**
510±14**
248±48**
35.75±0.89
2.00±0.15**
, 百拇医药
1.397±0.031**
H2
833±64**
515±30**
262±43**
35.13±0.90
2.17±0.13**&
1.464±0.019&&
H4
803±37**
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501±14**
249±49**
34.46±1.14*&&
2.03±0.07**
1.461±0.017*&&
Note:m(f): mass of fresh femur; m(d):mass of dried femur; m(m) :mass of mineral; l: length; d: diameter; ρ(f): density of fresh femur.*P<0.05,** P<0.01,as compared with C rats; &P<0.05,&&P<0.01,as compared with S rats表3 C,S,H2,H4组大鼠股骨(左)力学指标(±s)
, 百拇医药
Table 3 Mechanical parameters of rat femur(left) in C,S,H2,and H4 groups(±s) group
Fe/N
Fm/N
De/mm
Dm/mm
Cr(N.mm2×104)
Ct(mm.N-1×10-2)
C
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85.3±8.3
129.2±11.0
0.26±0.03
0.61±0.10
2.84±0.15
0.80±0.09
S
62.2±8.9**
87.4±12.4**
0.28±0.04
0.65±0.16
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1.96±0.43**
1.47±0.53**
H2
71.8±8.2**&
96.7±8.5**
0.29±0.04
0.59±0.10
2.15±0.26**
1.20±0.29*
H4
, 百拇医药
74.8±7.2*&&
101.7±10.0**&
0.28±0.02
0.59±0.08
2.26±0.31**
1.14±0.16**&
Note:Fe: elastic load; Fm: maximum load; De: elastic deformation; Dm: maximum deformation; Cr: bending rigidity coefficient; Ct: bending toughness coefficient.*P<0.05,** P<0.01,as compared with C rats; &P<0.05,&&P<0.01,as compared with S rats
, 百拇医药
讨 论
骨生物力学特性是反映骨的生长代谢情况的一项可靠指标。失重和模拟失重均可引起力学特性的显著降低，“宇宙号”生物卫星飞行结果发现大鼠股骨和脊柱的力学性能下降[2]。“天空实验室-3”飞行中大鼠骨的强度和硬度均较对照下降[2]。Shaw等[5]利用后肢悬吊大鼠模型发现股骨的所有弯曲参数(硬度、负荷、能量)较对照显著降低。崔伟等[6]利用尾吊大鼠模型测量模拟失重21 d后第3腰椎生物力学性能发现最大载荷、弹性载荷以及杨氏模量等均较对照显著下降。本次实验也得到类似结果，模拟失重后大鼠股骨的各项力学指标显著降低。且主要发生在承重骨。
目前关于人工重力对骨骼系统的防护作用研究较少。航天实验费用高昂，限制了实验机会。在地面模拟失重实验中，多采用离心机研究人工重力作用。但其应激反应较明显[7]。Monos(1989)[4]首先提出了IHUT大鼠模型，用来研究大鼠下肢血管变化，并认为在此条件下大鼠应激反应较小。我们将其引用基于以下两方面的考虑：首先，解除尾部悬吊，使后肢由废用状态恢复到承重状态，增加了后肢的承重负荷，方法简单易行。其次，使大鼠呈45°头高倾斜位，重力在大鼠身体Z轴产生了一定持续向下的分力作用，促使血液向下肢分布，从而利于下肢的局部血液灌注，根据Dillaman的液体流动理论，压力产生的液流对骨营养供给和废物排除有重要意义，还可作为刺激骨形成的信号，细胞外液中带电离子和分子流过充电基质产生的压电流可促进骨形成[8]。实验结果也表明采用IHUT对抗措施后，模拟失重大鼠股骨的生长和力学性能有一定恢复。H2组大鼠的股骨直径和密度有显著改善，弹性载荷显著提高；H4组大鼠的弹性载荷、最大载荷和韧性系数等显著改善。IHUT措施产生了明显的对抗作用。
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比较两组对抗组，我们发现H4组较H2组的力学指标改善程度更大，说明增加作用时间使后肢总的承受负荷增大，从而有利于骨骼的生物力学性能的恢复。但同时H4组大鼠的体重在实验结束时较C、S组显著降低，而且实验期间的前12 d未出现明显的增长，提示有较明显的应激反应。其原因可能是IHUT对尾部悬吊大鼠是一种新的异常体位刺激，增加了新的应激负荷，使大鼠难以在两种体位条件下迅速适应，从而延长了适应所需要的时间。而本次实验的周期较短，所以出现了H4组体重显著降低的现象。
在以往的实验中我们发现给予4 wk IHUT(6 h/d)对抗措施，H组大鼠的直径(P<0.05)和密度(P<0.01)较S组显著改善；弹性载荷显著提高(P<0.05)，最大载荷、刚性系数有提高趋势[9]。综合本次实验的结果，可以发现与4 h/d IHUT组相比较，6 h/d IHUT作用后力学性能并没有出现显著的增高。所以我们认为适当延长IHUT作用时间可促进生物力学性能的恢复，4 h/d的IHUT作用即可以达到较理想的结果，但应设法解决应激问题。
, 百拇医药
(致谢：西安交通大学材料科学工程学院李光新高级工程师和第四军医大学西京医院骨科李丹，孙良医生在数据处理过程中给予的热忱指导深表谢意。)
基金项目：全军医药卫生科研基金资助(98Z083)
[参考文献]
[1] Morey-Holton ER,Whalen RT,Arnaud SB et al.The skeleton and its adaptation to gravity[M].In:Fregly MJ,Blatteis CM eds.Handbook of physiology,Newyork:Oxford University Press,1996:691～719
[2] Oganov VS,Schneider VS.Skeletal system[M].In: Huntoon CSL,Antipov VV,Grigoriev AI eds.Humans in Spaceflight,Reston VA:American Institute of Aeronautics and Astronautics,1996:247～266
, 百拇医药
[3] Burton RR. A human-use centrifuge for space stations:proposed ground-based studies [J]. Aviat Space Environ Med,1988,59(6):579～582
[4] Monos E,Contney SJ,Cowley AW et al. Effect of long-term tilt on mechanical and electrical properties of rats saphenous vein [J].Am J Physiol,1989,256:H1185～H1191
[5] Shaw SR,Vailas AC,Grindeland RE et al. Effects of a 1-wk spaceflight on morphological and mechanical properties of growing bone[J]. Am J Physiol,1988,254:R78～R83
, 百拇医药
[6] CUI Wei,SHI Zhi-zhen,ZHENG Qiang. Effect of suspension time on mass and biomechanical properties of vertebra in rats[J].Space Medicine & Medical Engineering,1996,9(3):190～194
崔 伟，史之祯，郑 强.不同悬吊时间对大鼠椎骨骨质和生物力学特性的影响[J].航天医学与医学工程,1996,9(3):190～194
[7] Montufar-Solis D,Duke PJ. Gravitational changes affect tibial growth plates according to Hert's curve[J]. Aviat Space Environ Med,1999,70(3):245～249
, http://www.100md.com
[8] XIE Li-qin,LIU Cheng-lin.Developments of the theory of skeletal adaptation to mechanical loading[J]. Space Medicine & Medical Engineering,1999,12(4):226～230
谢力勤，刘成林.骨的力负荷调节理论进展[J].航天医学与医学工程,1999,12(3):226～230
[9] CAO Xin-sheng,ZHANG Le-ning,WU Xing-yu et al. Effects of intermittent +45°head-up-tilt on mechanical parameters of hindlimb unweightling in rats[J].J 4th Mil Med Univ,2000,21(6):455～457
曹新生,张乐宁,吴兴裕 等.间断性头高位45°对抗措施对模拟失重大鼠股骨生物力学特性的影响[J].第四军医大学学报,2000,21(6):455～457
收稿日期：2000-01-31, http://www.100md.com
单位：第四军医大学航空航天医学系，西安 710032
关键词：失重模拟；尾悬；人工重力；生物力学；股骨；大鼠
航天医学与医学工程000504摘要： 目的 研究不同时段间断性45°头高位对抗措施(intermittent +45° head-up-tilt,IHUT)对尾吊大鼠承重骨的影响。 方法 SD雄性大鼠28只，按体重配对后随机等分为：对照组(C)，悬吊组(S)，2 h头高位组(H2)和4 h头高位组(H4),每组7只。在尾吊大鼠模型模拟失重的基础上，H组大鼠每日分别给予2 h、4 h IHUT。利用物理测量和3点弯曲实验，观察了3 wk IHUT对尾吊大鼠股骨生长、生物力学特性的影响。 结果 S、H各组大鼠股骨重量、灰分、直径和密度(H2组除外)均较C组大鼠显著下降(P<0.01或P<0.05)；与 S组比较， H2组大鼠的股骨直径(P<0.05)和密度(P<0.01)显著改善。生物力学测定结果显示S组大鼠股骨的强度和刚度显著降低(P<0.01)；与S组大鼠相比，H2组大鼠弹性载荷显著提高(P<0.05)，H4组弹性载荷、最大载荷、韧性系数显著恢复(P<0.01或P<0.05)。 结论 IHUT对尾吊大鼠的承重骨的力学特性改善明显，延长作用时间可促进生物力学性能的提高。
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中图分类号：R852.22 文献标识码：A 文献标识码：1002-0837(2000)05-0328-04
Effects of Intermittent +45° Head-up-tilt on Mechanical Parameters of Femural Bone in Tail-suspended Rats
CAO Xin-sheng,WU Xing-yu,WU Yan-hong,ZHANG Le-ning,ZHANG Li-fan
(Space Medicine & Medical Engineering)
Abstract: Objective To study the effects of different intermittent +45°head-up-tilt (IHUT) on tail-suspended rats. Method 28 male SD rats were randomly and equally divided into: control group (C),tail-suspended group (S),IHUT 2 h group (H2),and IHUT 4 h group (H4). On the basis of tail-suspension to simulate weightlessness,H rats were given 2 h or 4 h IHUT each day. The effects of 3 wk IHUT on tail-suspended rats were evaluated by measuring physical and mechanical parameters of the femur. Result Femoral mass (fresh,dry and ash),diameter,and density (fresh,except H2 group) in S,H2 and H4 rats were declined significantly compared to C rats (P<0.01 or P<0.05). Diameter (P<0.05) and density of femur (P<0.01) in H2 rats were significantly improved compared to S rats. Compared to C rats,the strength and stiffness of femora were obviously weakened (P<0.01) in S rats. Elastic load in H2 rats improved markedly (P<0.05) than those in S group; in H4 group,elastic load,maximum load ,and bending toughness coefficient improved significantly(P<0.01 or P<0.05). Conclusion Using IHUT,mechanical parameters of weight bearing bones of tail-suspended rats can be improved apparently,by extending the exposure time,mechanical parameters can be improved.
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Key words:weightlessness simulation; tail-suspended;artificial gravity;biomechanics;femur;rats
航天实践表明，失重性骨量减少和钙代谢紊乱呈进行性过程，航天员在飞行过程中平均每月丧失1%～2%的钙，而且迄今最长的太空停留结束时，航天员的骨丧失仍未出现平台期[1]。为防止长期太空停留可能出现的骨折、骨质疏松等严重后果，人们设计和采用了多种失重对抗措施，如体育锻炼、药物、添加营养物质等[2]。虽然这些措施减缓了骨量减少的速度，却不能有效阻止这一现象的发生。理论上人工重力是最有效的对抗措施，但关于重力作用还有许多问题仍未解决[3]。为寻找和建立一种简单可靠的研究重力作用的动物模型，本实验在尾吊大鼠模型模拟失重的基础上，给予间断性45°头高位( intermittent +45° head-up-tilt,IHUT)对抗措施，通过观察大鼠物理性状和生物力学特性的变化，考察此种对抗方法的作用效果及比较不同时段作用后对抗效果的差异。
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方 法
动物及实验分组 28只雄性SD大鼠均为本校从上海实验动物中心引进的清洁级大鼠。实验开始当日按体重配对随机分为对照组(C，7只)、悬吊组(S，7只)、IHUT 2 h组(H2，7只)和IHUT 4 h组(H4，7只)。3 wk实验期间，给予充足清洁饮水，摄食；大鼠可自由活动。室温保持在(22±2)℃，人工控制室内照明，保持12 h光照和黑暗交替循环。S组大鼠采用我实验室改进的方法做尾部悬吊。大鼠始终保持30°头低位及后肢自由悬垂不荷重状态。H各组在尾吊处理的基础上，每天分别给予2 h或4 h IHUT[4]作用。IHUT的实现是将大鼠放入细筒状钢丝笼，在笼中大鼠不能转身，但可自由进退。置笼于45°倾斜位，同时使大鼠呈头高位。
标本处理 自实验期满开始，按配对顺序依次断头处死大鼠，尽快取出其双侧股骨，去除结缔组织。
右侧股骨测量物理性状指标，包括股骨湿重、长度、直径、体积、密度、干重和灰分，除后两项外其余均在处死大鼠后立即测量。湿重和干重采用ACA-100型电子天平测量(精度为1×10-4g;Denver Instrument Company，美国)，灰分采用TMP-1上皿式电子天平测量(精度为1×10-3g;中国湖南仪器仪表总厂天平厂，长沙)。测干重时，标本先在118℃加热烘烤48 h至质量恒定；灰分为灰化炉中800℃、24 h完全灰化后测得值。长度和直径(骨干中段最细处)使用精度为0.02 mm游标卡尺测量。体积用排水法测量(精度为1×10-4cm3)。湿重密度为湿重和体积的比值。
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左侧股骨即刻密封保存于-70℃环境中，并于3 d内进行3点弯曲实验。3点弯曲实验在Instron 1195(Instron，英国)电子拉伸机上进行。股骨放置方向及位置保持不变，跨距为16 mm，加载砝码2 kg，加载速度为0.05 mm*min-1。通过所得载荷-应变曲线计算弹性载荷、最大载荷、弹性挠度、最大挠度、刚性系数和韧性系数等力学指标。
统计学处理 数据以
±s表示，采用SPSS7.0统计软件进行统计分析，利用方差分析和t检验检测各组间差异的显著性。结 果
一般情况 实验期间C组大鼠体重持续增加，S、H2组大鼠前4 d体重呈下降趋势，从第5天开始逐渐增加；H4组大鼠在前12 d体重无变化，之后体重开始增加。实验结束时，C组和S组大鼠体重无明显差异，H2(P<0.05)和H4 (P<0.01)组大鼠平均体重明显低于C组大鼠，H4组大鼠体重显著低于S组大鼠(P<0.01)(见表1)。
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大鼠股骨物理性状变化 S组和H各组大鼠的股骨湿重、干重、灰分、直径和密度等均较C组大鼠显著下降(P<0.01或P<0.05)，S组(P<0.01)和H4组(P<0.05)湿重密度较C组显著降低。H4组长度较C组(P<0.05)，S组(P<0.01)大鼠显著缩短。与 S组大鼠比较，H2组大鼠直径(P<0.05)和密度(P<0.01)显著改善，H4组密度显著恢复(P<0.01)。说明采用IHUT后，悬吊大鼠骨生长代谢有部分改善,而延长作用时间未见明显促进作用(见表2)。
大鼠股骨生物力学特性变化 S组和各对抗组大鼠在股骨弹性载荷、最大载荷、刚性系数等方面均较C组显著下降(P<0.01或P<0.05)，韧性系数较C组显著上升(P<0.01或P<0.05)，表明模拟失重引起大鼠股骨力学性能的全面明显降低。与S组大鼠比较，H2组弹性载荷显著提高(P<0.05)；H4组弹性载荷(P<0.01)和最大载荷(P<0.05)显著恢复，韧性系数显著降低(P<0.05)。表明采用IHUT后，模拟失重大鼠的股骨力学性能显著提高，延长作用时间可促进生物力学指标的恢复(见表3)。
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表1 实验前后C,S,H2,H4组大鼠体重(
±s,n=7,g)Table 1 Changes of body weight in C,S,H2,and H4 groups(
±s,n=7,g) timegroup
C
S
H2
H4
before suspending
, 百拇医药
274.9±12.7
275.3±14.1
274.9±12.6
275.9±12.7
after suspending
353.1±19.4
346.9±15.5
327.9±25.2*
294.7±24.0**&&
Note:*P<0.05,** P<0.01,as compared with C rats; &&P<0.01,as compared with S rats表2 C,S,H2,H4组大鼠股骨(右)物理性状指标(
±s), 百拇医药
Table 2 Basic physical parameters of rat femur(right) in C,S,H2,and H4 groups(
±s) groupm(f)/mg
m(d)/mg
m(m)/mg
l/mm
d/mm
ρ(f)/(g.cm-3)
C
901±50
, 百拇医药
600±36
342±39
35.43±0.80
2.37±0.21
1.485±0.020
S
807±32**
510±14**
248±48**
35.75±0.89
2.00±0.15**
, 百拇医药
1.397±0.031**
H2
833±64**
515±30**
262±43**
35.13±0.90
2.17±0.13**&
1.464±0.019&&
H4
803±37**
, http://www.100md.com
501±14**
249±49**
34.46±1.14*&&
2.03±0.07**
1.461±0.017*&&
Note:m(f): mass of fresh femur; m(d):mass of dried femur; m(m) :mass of mineral; l: length; d: diameter; ρ(f): density of fresh femur.*P<0.05,** P<0.01,as compared with C rats; &P<0.05,&&P<0.01,as compared with S rats表3 C,S,H2,H4组大鼠股骨(左)力学指标(
±s), 百拇医药
Table 3 Mechanical parameters of rat femur(left) in C,S,H2,and H4 groups(
±s) groupFe/N
Fm/N
De/mm
Dm/mm
Cr(N.mm2×104)
Ct(mm.N-1×10-2)
C
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85.3±8.3
129.2±11.0
0.26±0.03
0.61±0.10
2.84±0.15
0.80±0.09
S
62.2±8.9**
87.4±12.4**
0.28±0.04
0.65±0.16
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1.96±0.43**
1.47±0.53**
H2
71.8±8.2**&
96.7±8.5**
0.29±0.04
0.59±0.10
2.15±0.26**
1.20±0.29*
H4
, 百拇医药
74.8±7.2*&&
101.7±10.0**&
0.28±0.02
0.59±0.08
2.26±0.31**
1.14±0.16**&
Note:Fe: elastic load; Fm: maximum load; De: elastic deformation; Dm: maximum deformation; Cr: bending rigidity coefficient; Ct: bending toughness coefficient.*P<0.05,** P<0.01,as compared with C rats; &P<0.05,&&P<0.01,as compared with S rats
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讨 论
骨生物力学特性是反映骨的生长代谢情况的一项可靠指标。失重和模拟失重均可引起力学特性的显著降低，“宇宙号”生物卫星飞行结果发现大鼠股骨和脊柱的力学性能下降[2]。“天空实验室-3”飞行中大鼠骨的强度和硬度均较对照下降[2]。Shaw等[5]利用后肢悬吊大鼠模型发现股骨的所有弯曲参数(硬度、负荷、能量)较对照显著降低。崔伟等[6]利用尾吊大鼠模型测量模拟失重21 d后第3腰椎生物力学性能发现最大载荷、弹性载荷以及杨氏模量等均较对照显著下降。本次实验也得到类似结果，模拟失重后大鼠股骨的各项力学指标显著降低。且主要发生在承重骨。
目前关于人工重力对骨骼系统的防护作用研究较少。航天实验费用高昂，限制了实验机会。在地面模拟失重实验中，多采用离心机研究人工重力作用。但其应激反应较明显[7]。Monos(1989)[4]首先提出了IHUT大鼠模型，用来研究大鼠下肢血管变化，并认为在此条件下大鼠应激反应较小。我们将其引用基于以下两方面的考虑：首先，解除尾部悬吊，使后肢由废用状态恢复到承重状态，增加了后肢的承重负荷，方法简单易行。其次，使大鼠呈45°头高倾斜位，重力在大鼠身体Z轴产生了一定持续向下的分力作用，促使血液向下肢分布，从而利于下肢的局部血液灌注，根据Dillaman的液体流动理论，压力产生的液流对骨营养供给和废物排除有重要意义，还可作为刺激骨形成的信号，细胞外液中带电离子和分子流过充电基质产生的压电流可促进骨形成[8]。实验结果也表明采用IHUT对抗措施后，模拟失重大鼠股骨的生长和力学性能有一定恢复。H2组大鼠的股骨直径和密度有显著改善，弹性载荷显著提高；H4组大鼠的弹性载荷、最大载荷和韧性系数等显著改善。IHUT措施产生了明显的对抗作用。
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比较两组对抗组，我们发现H4组较H2组的力学指标改善程度更大，说明增加作用时间使后肢总的承受负荷增大，从而有利于骨骼的生物力学性能的恢复。但同时H4组大鼠的体重在实验结束时较C、S组显著降低，而且实验期间的前12 d未出现明显的增长，提示有较明显的应激反应。其原因可能是IHUT对尾部悬吊大鼠是一种新的异常体位刺激，增加了新的应激负荷，使大鼠难以在两种体位条件下迅速适应，从而延长了适应所需要的时间。而本次实验的周期较短，所以出现了H4组体重显著降低的现象。
在以往的实验中我们发现给予4 wk IHUT(6 h/d)对抗措施，H组大鼠的直径(P<0.05)和密度(P<0.01)较S组显著改善；弹性载荷显著提高(P<0.05)，最大载荷、刚性系数有提高趋势[9]。综合本次实验的结果，可以发现与4 h/d IHUT组相比较，6 h/d IHUT作用后力学性能并没有出现显著的增高。所以我们认为适当延长IHUT作用时间可促进生物力学性能的恢复，4 h/d的IHUT作用即可以达到较理想的结果，但应设法解决应激问题。
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(致谢：西安交通大学材料科学工程学院李光新高级工程师和第四军医大学西京医院骨科李丹，孙良医生在数据处理过程中给予的热忱指导深表谢意。)
基金项目：全军医药卫生科研基金资助(98Z083)
[参考文献]
[1] Morey-Holton ER,Whalen RT,Arnaud SB et al.The skeleton and its adaptation to gravity[M].In:Fregly MJ,Blatteis CM eds.Handbook of physiology,Newyork:Oxford University Press,1996:691～719
[2] Oganov VS,Schneider VS.Skeletal system[M].In: Huntoon CSL,Antipov VV,Grigoriev AI eds.Humans in Spaceflight,Reston VA:American Institute of Aeronautics and Astronautics,1996:247～266
, 百拇医药
[3] Burton RR. A human-use centrifuge for space stations:proposed ground-based studies [J]. Aviat Space Environ Med,1988,59(6):579～582
[4] Monos E,Contney SJ,Cowley AW et al. Effect of long-term tilt on mechanical and electrical properties of rats saphenous vein [J].Am J Physiol,1989,256:H1185～H1191
[5] Shaw SR,Vailas AC,Grindeland RE et al. Effects of a 1-wk spaceflight on morphological and mechanical properties of growing bone[J]. Am J Physiol,1988,254:R78～R83
, 百拇医药
[6] CUI Wei,SHI Zhi-zhen,ZHENG Qiang. Effect of suspension time on mass and biomechanical properties of vertebra in rats[J].Space Medicine & Medical Engineering,1996,9(3):190～194
崔 伟，史之祯，郑 强.不同悬吊时间对大鼠椎骨骨质和生物力学特性的影响[J].航天医学与医学工程,1996,9(3):190～194
[7] Montufar-Solis D,Duke PJ. Gravitational changes affect tibial growth plates according to Hert's curve[J]. Aviat Space Environ Med,1999,70(3):245～249
, http://www.100md.com
[8] XIE Li-qin,LIU Cheng-lin.Developments of the theory of skeletal adaptation to mechanical loading[J]. Space Medicine & Medical Engineering,1999,12(4):226～230
谢力勤，刘成林.骨的力负荷调节理论进展[J].航天医学与医学工程,1999,12(3):226～230
[9] CAO Xin-sheng,ZHANG Le-ning,WU Xing-yu et al. Effects of intermittent +45°head-up-tilt on mechanical parameters of hindlimb unweightling in rats[J].J 4th Mil Med Univ,2000,21(6):455～457
曹新生,张乐宁,吴兴裕 等.间断性头高位45°对抗措施对模拟失重大鼠股骨生物力学特性的影响[J].第四军医大学学报,2000,21(6):455～457
收稿日期：2000-01-31, http://www.100md.com