骨质疏松性小鼠股骨弹性模量基于股骨头压缩试验

文摘

生物力学测试是一个很好的评估方法,描述了结构、功能、和病理的差异骨头,如骨质疏松症和骨折。拉伸试验、压缩试验和弯曲试验通常用于评估使用小鼠骨的弹性模量。特别是,股骨头压缩试验主要用于验证骨质疏松股骨颈上的变化。本研究使用体内骨矿物质密度进行分析microcomputed断层扫描(ct机)观察骨质疏松症随时间的变化。它提出的方法确定股骨弹性模量在正常组(CON组)和骨质疏松性组(OVX组)通过有限元分析基于股骨头压缩试验的结果进行了比较分析。通过股骨头压缩试验,验证,诈骗集团的最终的载荷和产量明显高于OVX组。认为这一结果是由于这样的事实:骨质疏松症的骨密度变化经常发生在近端股骨骨干。然而,弹性模量的有限元分析显示两组之间没有显著差异。

1。介绍

随着人口老龄化的增加,由于医疗技术的发展,骨折病人的频率逐渐增加(1]。特别是,股骨转子间,在老年患者股骨颈骨折是很常见的。这些骨折造成的下降,交通事故,工业事故等等2]。骨折是与死亡密切相关(3),骨折后的一年内死亡率报告为14 - 36% [4]。在许多情况下,股骨骨折患者骨骼碎片和骨质疏松,很难获得稳定的内固定在治疗期间(5]。

大多数的治疗股骨骨折患者需要手术内部使用髓内钉固定骨折和骨板。因此,了解生物力学特征,如负荷分布、动,和骨强度变化影响的固定力量用于内固定植入物,特别是,包括骨的弹性模量,提供重要的信息关于恢复和康复(6]。骨的弹性模量一直被认为是最重要的一个元素骨评估。材料属性评估骨的机械强度测试被称为最好的方法(7]。生物力学测试是一种有效的方法解释的结构,功能和病理的差异骨质疏松和骨折。各种生物力学研究已经进行,例如,观察变化导致小鼠骨质疏松症或进行强度测试,提取骨(8,9]。

三点弯曲试验和四点弯曲试验主要是用作评价方法对小鼠骨的弹性模量(7]。根据先前的研究,在长骨的情况下,如股骨和胫骨,骨质疏松症通常发生的近端和远端位置。此外,众所周知,骨干的变化是听不清10]。此外,在股骨骨干主要由皮质骨,很难准确地理解整个骨的结构弹性模量或骨折伴随骨质疏松症。因此,通过弹性模量分析股骨头压缩试验需要了解股骨颈骨折和验证在骨骨质疏松症的影响。

本研究重组的形状股骨骨密度(BMD)和分析变化时间的微ct图像的基础上培育的小老鼠20周后股骨OVX组和反面。此外,股骨头压缩试验是由提取股骨和股骨弹性模量是通过股骨头压缩有限元分析。然后,股骨弹性模量之间的比较和分析OVX组和诈骗集团。

2。方法

2.1。动物实验

本研究中使用的实验动物20岁健康女性C57BL / 6小鼠12周(Samtako、韩国)(21.5±1.3 g)。他们被分为两组,每组10:骨质疏松性组(OVX组)引起的骨质疏松症是通过卵巢切除术和10在正常组(CON组)。他们饲养了20周。动物饲养房间保持恒定的温度(233°)和湿度(505%)。动物被饲养,分为一个笼子里,允许自由水和食物的摄入量。4周的间隔20周后卵巢切除术,右股骨是使用微ct扫描(Skyscan 1176、力量、比利时)(图1)。骨密度测量通过股骨的三维(3 d)重建基于微ct图像。动物试验研究中遵守指导方针和规则的保护和使用动物延世大学(ywc - 150126 - 1)。

2.2。体内ct机

在ct机扫描体素的大小是在18岁μm;过滤器,铝0.5毫米;暴露时间,210毫秒;55千伏的电压;当前,455μ一个;和旋转角度,0.5°。实验动物的麻醉气体的扫描。麻醉,异氟烷(Ifran液体,JW制药、韩国;异氟烷5卷% o2 - 1.3 L / min /鼠标用于初始麻醉和异氟烷1.4卷% o2 - 1.3 L / min /鼠标用于使用麻醉维护)。右股骨提取OVX组和反面组的股骨头压缩试验后扫描(图1)。

2.3。股骨头压缩试验

10股骨OVX组和10诈骗集团的股骨提取32-week-old小鼠饲养了20周后,进行股骨头压缩试验,英斯特朗E3000使用(美国诺伍德,MA)。股骨标本保存在一个冰箱−20°C 2周后采集并存储在测试前生理盐水。指的是文学股骨的解剖轴(11),成立了一个股骨头压缩试验使用上、下夹具时,垂直在矢状面和外向在冠状面9°,股骨标本。股骨的下部是完全固定在夹具使用甲基丙烯酸甲酯(VertexTM自凝,Vertex-Dental帐面价值荷兰泽斯特)(图2)。上夹具设计,联系了股骨头的半球形状2毫米的半径,考虑股骨头的形状。上夹具是为了避免任何干扰股骨骨干在压缩试验(图3)。

一个压缩载荷应用10毫米/分钟的速度。进行压缩试验,直到股骨标本骨折或生成的负载极限载荷下降了超过20%(图2)。在压缩试验获得的荷载位移曲线记录间隔4赫兹,英斯特朗Dynacell使用1 kn负载细胞。从测试结果,极限荷载(N), 0.2%的收益率负载(N)和刚度k_经验值(N /毫米)计算(图4)。

关于荷载位移曲线通过图的解释4压缩试验如下:第一,按照美国社会检测和材料(ASTM D790-03),部分我(a - c)荷载位移假定的脚趾部分股骨头之间的联系和上夹具增加,梁进行补偿。此外,从C点,脚趾部分结束后,部分二世(C - d)梁进行出现在线性条件成立,和刚度k_经验值(N /毫米)被确认。此外,弹性区域的屈服载荷识别使用0.2%抵消法(12]。偏移量设置为0.2%(0.004毫米)的杠杆臂(股骨头的距离中心点的股骨骨干压缩试验:2毫米)按照美国社会检测和材料(ASTM F384)。

2.4。股骨头压缩有限元分析

有限元分析的三维有限元模型构建了基于2 d的微ct横断面图像OVX组和反面组在0和每周20日从一开始的测试(12周)使用3 d建模软件模拟18.0(出现,鲁汶,比利时)(图5)。在股骨的三维建模,应用范围226 - 3071作为Hounsfield单位(胡)值,和骨矿物质密度(ρ)股骨被幽灵的计算公式中使用的微ct扫描(13]。

头压缩分析股骨三维模型,建立股骨的股骨头压缩试验的条件一样,被重新安置基于相同的坐标系统(图5)。此外,为了应用相同的测试条件下的压缩试验,股骨模型垂直放置在矢状面和外向在冠状面(9°11]。上夹具模型构造相同的方式上夹具接触的股骨头压缩试验(图6)。

通过有限元分析弹性模量识别,弹性区域的屈服载荷压缩试验应用。该地区(B-F)连接B点和点F将弹性区域,定义为刚度k_卡尔(图4)。

股骨弹性模量应用于有限元分析被定义为非线性相互作用方程(3)[14- - - - - -16]。进行有限元分析计算弹性模量的基础上,应用计算每个股骨的骨密度ct机的图片和变化的常数一个和B。从压缩每个股骨的分析结果,反应力和位移的情况下在上夹具对应于屈服载荷(F)和屈服位移(G)被选中,弹性模量是确定。

E弹性模量,ρ骨矿物质密度,一个和B是常数。

在接触非线性有限元分析进行了分析条件,以及上夹具之间的摩擦系数模型和股骨模型是假定为0.3,和泊松比为0.317)是应用。此外,股骨的较低部分完全被固定到2毫米从底部方向轴向加载,一样的修复压缩试验的条件。四面体应用股骨模型的元素类型和定义为一个线性弹性体。有限元模型网状使用一个元素的大小0.2 ~ 0.25毫米(约68000 ~ 71000个元素)。上夹具模型设置为刚体,和商业软件ANSYS 16.0(美国ANSYS Inc .)是用作分析解决。

2.5。统计分析

统计分析(t以及)进行了使用SPSS 23 (SPSS Inc .)、美国)来验证骨矿物质密度的差异,极限荷载,屈服载荷,产生位移,刚度和弹性模量( )。

3所示。结果

3.1。基于微ct图像的BMD

骨密度测量通过ct机扫描OVX组和反面组提供繁殖期间的12个月大的老鼠显示,两组之间的骨矿物质密度是类似0和每周4之间。两组之间没有显著差异。然而,从第八周,平均骨矿物质密度的差异之间的CON组和OVX组迅速增加。在第八周,5.6%的有显著差异;第12周,4.8%;第16周,5.5%;(图20周,3.2%7)(表1)。从这些研究结果,认为诱导的骨质疏松症的动物实验研究中被发现。

3.2。机械骨骼性质

股骨颈显示破坏CON组和OVX组(图8),股骨头压缩试验的结果与32-week-old老鼠(每周20)如图9。极限载荷和刚度k_经验值OVX组和反面组的计算(图9(一个))。诈骗集团的平均极限载荷为14.36 N,而OVX组降低了约30%,至10.06 N。这显示一个显著差异( )。

平均刚度k_经验值诈骗集团的72.04 N /毫米。OVX组的均值61.27 N /毫米,由大约低15%的CON组(图9 (b))。然而,刚度无显著性差异k_经验值诈骗集团与OVX组( )。

屈服载荷(图9 (c)诈骗集团)显示,平均11.62 N和OVX组显示,平均6.76 N。因此,OVX组相比下降约42% CON组,显示显著差异( )。此外,OVX组的屈服位移(平均0.12毫米)下降大约38%相比CON组(平均0.19毫米),显示显著差异( )(图9 (d))。

3.3。股骨头有限元分析的结果

在有限元分析的基础上,股骨头压缩试验(图6)、股骨弹性模量OVX组和反面组被确认的比较之间的屈服载荷和屈服位移测试结果和计算结果通过(3),它定义了股骨弹性模量。OVX组的平均弹性模量是1600 MPa,诈骗集团的,是1683 MPa(表2)。没有明显差异在两组之间的平均弹性模量( )。

常量的平均值一个和B申请弹性模量识别是0.042和2.00,分别在诈骗集团和0.047和2.00,分别在OVX组。该方程意味着骨矿物质密度和弹性模量的每组如下:

E_{Con_cal}是诈骗集团的弹性模量计算E_{OVX_cal}OVX组的弹性模量计算,然后呢ρ_的意思是是意味着骨矿物质密度。

对弹性模量的计算的结果,当替换的意思是诈骗集团的骨矿物质密度(192公斤/米³)和OVX组(187公斤/米³)提出了方程(4CON组),弹性模量计算为1539 MPa, OVX组和弹性模量计算为1633 MPa。有大约3.8%的误差与平均弹性模量(1600 MPa)从压缩获得诈骗集团的分析。的平均弹性模量(1683 MPa) OVX组有3.0%的错误(表3)。

4所示。讨论

本研究将C57BL / 6小鼠分为OVX组和反面组,并提出了一个弹性模量确定股骨ct机,机械强度测试和有限元分析。本研究进行了股骨头压缩试验,以探讨属性改变根据骨矿物质密度的差异。通过有限元分析,本研究发现无显著变化的弹性模量与骨质疏松症一致。此外,本研究提出了一个鼠标股骨骨矿物质density-elastic模量方程,弹性模量的误差小于3.8%,计算应用意味着骨矿物质密度和弹性模量测试和有限元分析来确定的。

4.1。通过股骨头压缩试验评估

根据特纳和毛刺7),因为老鼠有一个较小的骨骼大小相比,所需的样本大小,很难进行拉伸和压缩试验。因此,一个弯曲试验是用来评估长骨的财产。测试测量的横截面区域骨干使用2 d成像设备如ct机,拔出了惯性矩,计算了弹性模量通过应用提出的方程(18]。然而,很难进行三点弯曲试验,四点弯曲试验、扭转试验的长骨为了评估近端或远端结束大多数骨质疏松发生变化。根据斯特姆苹果et al。19),骨折由于骨矿物质密度的减少主要发生在长骨的干骨后端。骨密度测量评估的程度骨质疏松股骨颈或腰椎执行。因此,基于弹性模量通过弯曲试验主要的骨干皮质骨,有限制检查变化在骨质疏松股骨根据压缩负荷和松质骨的变化。股骨远端主要由松质骨。据报道,财产与骨质疏松症(骨头出现明显的变化一致20.]。特别是,大多数骨质疏松骨折的股骨颈、股骨转子间21- - - - - -23]。因此,在人类的身体,股骨头压缩试验是用来调查属性更改根据骨矿物质密度的差异24,25]。

本研究进行了压缩试验负责人右股骨提取32-week-old老鼠,发现显著差异之间的极限荷载和屈服载荷OVX组和诈骗集团。认为这是变化的影响与骨质疏松症骨矿物质密度一致Ekeland et al。26和凯勒et al。27)报道。然而,在刚度无显著差异。这是因为,据Kamal et al。11),股骨颈的复杂的组织被认为是限制为刚度股骨颈的敏感性测试。

4.2。通过有限元分析确定弹性模量

本研究基于测试结果进行了有限元分析来识别一个弹性模量。然而,为了分析骨折损伤的行为,有必要包括塑性区和弹性区。也有必要进行分析考虑骨的各向异性和非齐次特征。此外,对于非齐次骨矿物质密度,它是可取的一个不同的值应用于每个地区。然而,本研究进行了分析,运用均值整个股骨的骨矿物质密度的有限元模型计算单一骨矿物质密度的方程。在未来,更准确的骨强度分析,有必要进行分析应用不同的骨矿物质密度区域。

在先前的研究老鼠,机械强度进行了测试为了分析小鼠的生长或骨质疏松症随时间变化的。然而,一个弯曲试验和扭力测试计算皮质骨的弹性模量和使用这个预测骨质疏松症的骨折和观察到的变化。因此,在骨材料属性的预测评价骨折和观察骨质疏松症的变化,负载的类型,分布的骨矿物质密度,和负载的骨头,生理和功能应用,应考虑。

这项研究发现了一个更精确的诈骗集团的弹性模量和OVX组C57BL / 6雌性老鼠通过有限元分析基于一个股骨头压缩试验。认为,在未来,在这项研究中,提出的方法可以研究弹性模量的变化根据松质骨的骨矿物质密度的变化,预测骨折风险的正常和骨质疏松股骨颈骨利用派生结果。

缩写

弹道导弹防御:	骨矿物质密度
反对:	对照组
骨质疏松性:	卵巢切除术组
ct机:	Microcomputed断层扫描
E:	弹性模量、杨氏模量
菲:	有限元
胡:	Hounsfield单位
k经验值:	实验刚度
k卡尔:	刚度计算
ρ:	骨矿物质密度
ρ的意思是:	意思是骨矿物质密度
ECon_cal:	计算弹性模量的对照组
EOVX_cal:	骨质疏松性组的弹性模量计算。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认先生Taemin BYUN为他的真诚帮助计算模拟和数据分析。本研究支持由韩国工业技术研究所和国家科学技术研究委员会(望远镜)授予韩国政府(MSIP)(没有。CAP-15-09-KIMS)。

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