《大鼠的骨生物力学指标选取及测试》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大鼠的骨生物力学指标选取及测试（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、大鼠的骨生物力学指标选取及测试大鼠的骨生物力学指标选取及测试学杂志 zm一一大鼠的骨生物力学指标选取及测试陈孟诗赖胜祥李良陈槐卿郑虎1(四川大学力学系,成都 610065)2(四川大学华西医学中心生物医学工程研究所,成都 610041)3(四川大学华西医学中心药学院,成都 610041)摘要骨质疏橙是一种危害中老年人群常见的疾病,对该类疾病的研究及治疔在影响人类生存质量的因素中,已占有了越来越重要的地位.作为评价骨量减步与骨功能改变的因子,骨生物力学指标的评估占有十分重要的意义.在大量的实验研究和薪药的开发研究中,常常需要涉及一些因素对骨的影响.大鼠作为实验动物由于其来源广,价格低,具有相当的
2、优势.本文就大鼠作为实验动物时,结合自己所做大量实验的体会,就生物力学指标中的拉,压,夸,扭的试件制作,选择及力学指标的测试方法,计算过程作一简要介绍.关键词应力弯曲压缩扭转ToSelectandMeasuretheBiomechanicalPropertiesofBoneofRatChenMengshiLaiShengxiangLiLiangChenHuaiqingZhengHu.1(DepartmentMec/mnicatEngineering,SichuanUnierslty,chgdu610065)2(IntcituteofBiomedicalEngineering,wtChinaMe
3、dicalCenter,SiclmanU,cgau610041)3(Collegepharmacy,WestCfffnaMedicalce,SichuanUniversity,Chengdu610041)AbstractIntheexperimentalstudiesdesignedtoevaluatetheeffectsofdifferentfactorsOnthebomechanlcatpropertiesofbone,erefulselectionofratsandthescientificindicesisveryimportant.Thealtoofthispaperistoreco
4、mme/tdsomeessentialmethodsfortestingandcalculatingthebomechanicalpropertiesofratbonesuchasten-sion,compression,bendingandtorsion.KeywordsStressCompressionBendingTorsion1 前言在评价应力,药物,环境等因素对实验动物的骨的影响时,人们往往苦于没有一个可以遵循的标准,本文拟就骨的生物力学指标,特别是大鼠的骨试件及其应测试的指标进行归纳,以利实验方法的逐步统一.2 标本的选择及保存为便于实验在常规实验机上进行,人们通常选择大鼠的股骨,
5、胫骨,肱骨及脊柱作为生物力学实验标本.实验前应精心对大鼠的品种,年龄,体重,性别进行控制和选择.同一品种的大鼠,年龄和体重对骨的结构力学和材料力学的性能都有较大的影响动物模型遣好后,在处死动物前,一定注意称好动物体*国家自然科学基金资助项目(1007205)重,这是因为在造动物模型中,由于一些不可避免的因素的影响,造好的动物模型体重有时会有很大差异,把体重作为一个权重加在资料分析的因索里往往能得到一些有规律的结论.动物处死后,应尽快取出试件,剔除付着于骨上的软组织.如果能马上进行实验,当然最好,但这往往难于作到.好在骨试件用浸透生理盐水的纱布包裹后放入塑料袋中,存入一2O以下的冰箱中,20d
6、后自然解冻再进行实验,其力学性质没有明显改变.亦有报道认为,5O 乙醇保存 90d 的标本,骨弹性模量仅下降 2,但是由于乙醇的脱水作用,也有人认为该法不妥,所以,多数人都采用冰箱保存的方法.骨干燥或脱水对其变形能力,强度和弹性模量都有较大影响 0干燥脱水后的骨的应力一应变关系曲线几乎没有明显屈服阶段,因此,骨破坏时的能量吸收将大大降低,显示出其韧性和抵抗破坏能力的降低,但这时的弹性模量往往较湿骨高.实验中,保持骨试件的湿润是必要生物医学工程学杂志第 18 卷的,最好将试件置于 37生理盐水水浴中进行力学实验,至少应在实验时用被生理盐水湿润的棉纱置于试件周围.另外加载的速度也要控制,MeHlh
7、aney 口(1966)在应变速度变化很大的条件下,测试了人的密质骨压缩时的应力一应变关系,发现应变速率对骨的强度和弹性模量有一定影响,当应变速率从 1O/s 变到 1.510/s 时.弹性模量增加近三倍,Lewis 和 Goldsmith|在采用 HopkinsonBar技术测试牛的密质骨压缩时发现,密质骨的压缩强度随应变率增加而有明显提高.在实验中,加载的速度应加以报道.3 实验方法3.1 张拉实验该方法是测试骨的力学性能的很好的方法,但是对测试大鼠的密质骨来说,加工试件有相当大的难度一般可用油石将试件细磨成 12mm 宽,510mm 长,0.5mm 左右厚的均匀试件,试件两端用502 胶
8、粘在特殊设计的夹具端部用线切割机切出的小缝中.这样的方法进行的实验很难保证试件测试时的生理状态,在大鼠骨的实验中.很少采用这种方法.3.2 弯曲实验该方法是一种应用非常广泛的方法,适合于人.大动物及小动物的长骨.该实验中,试件受弯后产生弯曲,试件曲率半径小的一边受压,曲率半径大的一边受拉.没有产生轴向拉压变形的中性轴通过长骨横截面形心,晟大拉应力和最大压应力分别发生在曲率最大和最小处.弯曲实验有三点弯曲和四点弯曲,一般而言,要求试件跨度达到试件直径(或宽度)的 16 倍,(过短易受到剪切力的影响)这在经典材料力学的实验中容易办到,但是在做长骨的实验时,受到长骨本身尺度的限制,很难达到这一要求,
9、但是在大鼠长骨弯曲实验时的跨距达到 17mm 及以上是容易的,这样也可以保证试件的变形 9O 以上由弯曲产生.四点弯曲实验是常常采用的弯曲实验,由于试件在两个加载点之间是纯弯曲状态,在受力分析中易于排除其它因素的干扰,被认为是较好的方法.但是.在整体骨的实验中.特别是对于大鼠这样的小动物,要控制两个加载点的荷载完全一致非常困难,这就使测试和计算产生较大的误差.在实际操作中,更多采用三点弯曲实验,该方法操作简便,在实验中,我们发现 9O 以上的试件的断裂都发生在加载着力点.断面基本与长骨轴线垂直,基本不具备剪切破坏特征.破坏的主要因素是弯曲,剪切变形的因素占整个变形因素的 1O15,实际测得的变
10、形将比纯弯曲变形大,计算得到的弹性模量将比纯弯曲时得到的值偏小,这是需要加以注意的.该实验得到的典型的力一跨中桡度曲线如图 1 所示.图中 P 为荷载的大小,f 为试件跨中桡度的大小,0 到 a 区段为试件弹性变形区,在该区段,跨中桡度随荷载的增加而线性增加,去除荷载后试件基本能恢复原状,ab段为塑性变形区段,在该区段,跨中桡度增长速度明显加快,骨组织将发生永久性的损害,b 点后,试件开始破坏,这时,有的试件的实验记录曲线走出一个较长的平台.有的试件实验记录曲线走出的平台却很短,该区段的长度与骨组织的显微结构有关,与加载装置的刚度,加载速度均有一定关系,其原因有待进一步了解.PO图 1 力与跨
11、中桡度关系Fig1Therelationshipbetweenforceandflexibilityinthemiddle0rthelongbone弯曲实验中应注意的另一个问题是试件的安放,支座及加载装置的几何形状设计.加载时,要注意试件横截面短轴的方向与加载的力的方向必须一致,这与后来的计算才能一致,这样,每个试件受荷后沿长度轴线产生的弯曲与加载后长轴产生桡度方向一致;其次,支座及加载压头的形状应加工成马鞍形,一方面,它可以控制长骨试件在加载的过程中基本不发生滚动.使实验结果更规范,再者,马鞍形支座及马鞍形压头与试件的接触是线接触,这就避免了接触点产生过大应力.出现接触点首先产生局部破坏的现
12、象,(这种现象尤以大动物长骨弯曲实验时为甚)也避免了接触点首先破坏造成的跨中桡度测量误差.一般而言,弯曲实验时,宜选择殷骨和肱骨,它们的形状要规则一些,胫骨则由于其较大的弓状弯曲的外形造成加载时的滚动使其受力状况较为复杂从而降低实验分析的准确性.第 4 期陈盂诗等.大鼠的骨生物力学指标选取及测试3.3 压缩实验该实验适合于松质骨及皮质骨.实验试件可用两片固定好的平行金刚砂轮或者细齿片状铣刀切割.切割中要注意保持较低的切割速度并用生理盐水冷却,皮质骨试件宜使其高度大于直径的 1.5 倍,这在长骨实验时容易作到,但做脊柱压缩时,人们往往取整体脊柱标本进行实验,这就难以选到上述要求.压缩实验中,为减
13、小边界效应的影响,可在骨试件上下两端涂上润滑剂.压缩实验所用试件体积小,标本制作方便,对标本要求不高,是一种被人们常常采用的实验.压缩实验典型的记录曲线与图 1 相似该实验对实验机及实验夹具的刚度有一定的要求,如果实验机或实验用夹具的刚度过小,试件刚达到最大荷载点处就将马上破坏,这是因为如果实验机或加载夹具刚度过小,试件施加于实验机及实验夹具上的反力将使它们产生足够大的变形,从而积累起足够大的弹性势能,试件选到其极限强度时,刚产生一个较大变形,实验机具中积累的弹性势能立刻得到突然的释放,使试件突然破坏,我们将记录不到试件的残余应力.3.4 扭转实验用于颡 I 量骨的剪切力学特征,实验多采用大鼠
14、股骨来测定其整体强度.当测得的弯曲,压缩结果未见明显改变时,往往采用该实验.股骨的形状较其它骨的形状更加接进空心圆筒,其应力分析可用空心圆筒扭转近似,而其它骨的形状较复杂,分析的结果误差较大,大鼠的胫骨,尺骨,桡骨都不宜用于进行整体扭转实验.4 大鼠骨生物力学指标的计算4.1 三点弯曲实验该实验适宜于大鼠股骨和肱骨力学性能的测定,测定的指标有结构指标和材料力学指标.结构力学指标包括最大荷载,最大桡度,弹性荷载,弹性桡度和能量吸收.前四项指标可以从记录得到的荷载一跨中桡度曲线直接读出,能量吸收可以从计算机上给出,如果记录的方式不是计算机直接采样而是采用 xY 函数记录仪或其它记录方式时,可以采用
15、计算曲线下的面积的方式得到.上述结果主要反映出骨的结构力学特征的变化,它主要受到骨重建过程中骨的几何形状变化的影响,当然,骨的强度,弹性模量等指标的变化对它也有一定影响.三点弯曲测试材料力学指标是通过对荷载一跨中桡度关系曲线及骨的横截面的几何特征计算得到的.骨的横截面形状不规则,计算其对某轴的惯性矩(I)的方法按定义为:假定任意平面图形(如图 2)面积为 A,在坐标为 x,Y 处取微面积 dA,则yO田 2 任意平面田形惯性拒(1)的计算F2ThemethodIca 吐 n 窖 themomentofinertia(I)ofmnyplmndA 和 dA 分别为 dA 对轴轴的惯性矩,整个图形面
16、积的积分J=l,以 4I=dA就是图形对轴和轴的惯性矩在实际操作中,我们常常把股骨和肱骨的中段横截面形状简化为空心椭圆(如图 3).田 3 股骨(肚骨)播截面形挂示意田Fig3The 盯 0 蠲 sectionoflemur(ortibia)图中 B 是空心椭圆的外长轴,b 是空心椭圆的内长轴,H 是空心椭圆的外长轴,h 是空心椭圆的内短轴.在皮质骨为等厚的假设下,该骨的横截面对其形心轴的惯性矩 I 为;,(BH 一她.)百厂_在小变形,骨材料为各向同性的基本假设下,在集中 P 的作用下,三点弯曲实验时,试件跨中受到的弯矩为PL,跨中桡度,与力学量存在如下关系,一P 工一48EI式中:工为支座间的距离,即长骨的跨度;E 为骨的生物医学工程学杂志第 18 卷弹性模量.取曲线线性范围内相应点的 P 值和,值,可解得骨的弹性模量:PL一48 盯骨材料受弯时,其弯曲应力在中性轴处为零,在距中性轴最远处最大,即在骨的椭圆形横截面上下两点得到最大压应力和最大拉应力,其值为:MPLH一土一土豇一M=IpLW:掣式中:为跨中弯矩,为截面抗弯抵抗
