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
作者：曹新生 张乐宁 吴兴裕 张立藩 吴燕红 郝卫亚
单位：曹新生(第四军医大学航空航天医学系:航空航天生物动力学教研室)；张乐宁(航空航天生理学教研室，陕西 西安 710033)；吴兴裕(第四军医大学航空航天医学系:航空航天生物动力学教研室)；张立藩(航空航天生理学教研室，陕西 西安 710033)；吴燕红(第四军医大学航空航天医学系:航空航天生物动力学教研室)；郝卫亚(第四军医大学航空航天医学系:航空航天生物动力学教研室)
关键词：模拟失重；尾吊大鼠；人工重力；生物力学
第四军医大学学报000602 摘要: 目的 研究间断性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20只，按体质量配对后随机分为：对照组(C,7只)，悬吊组(S,6只)，头高位组(H,7只). 在尾吊大鼠模型模拟失重的基础上，H组大鼠每日给予6 h IHUT. 利用物理测量和三点弯曲等实验，观察了4 wk IHUT对尾吊大鼠股骨生长、生物力学特性的影响. 结果 S,H组大鼠股骨质量、灰分、直径和密度均较C组大鼠显著下降(P<0.01或P<0.05)；与 S组比较， H组大鼠的直径(P<0.05)和密度(P<0.01)显著改善，质量和灰分有增加趋势. 与C组相比，S组大鼠股骨的强度和刚度显著降低(P<0.01)；H组最大载荷和刚性系数显著降低(P<0.05),韧性系数显著升高(P<0.01). 与S组大鼠相比，H组大鼠弹性载荷显著提高(P<0.05)，最大载荷、刚性系数和挠度载荷比值有提高趋势. 结论 IHUT对尾吊大鼠的承重骨的生长及力学特性有一定改善作用.
, 百拇医药
中图号：R852.22 文献标识码：A
文章编号：1000-2790(2000)06-0655-03
Intermittent +45°head-up-tilt improves mechanical parameters of hindlimb unweightling in rats
CAO Xin-Sheng WU Xing-Yu WU Yan-Hong HAO Wei-Ya
(Department of Aerospace Aviation Biodynamics)
ZHANG Le-Ning ZHANG Li-Fan
(Department of Aerospace Aviation Physiology, Faculty of Aerospace Medicine, Fourth Military Medical University, Xi'an 710033,China)
, 百拇医药
Abstract: AIM To explore the effects of intermittent +45°head-up-tilt (IHUT) on hindlimb unweightling rats. METHODS Twenty male SD rats were randomly divided into control group (C,7), tail-suspension group (S,6) and IHUT group (H,7). On the basis of tail-suspension to simulate weightlessness, H rats were given 6 h IHUT per day. The effects of 4 wk IHUT on tail-suspension rats were evaluated by measuring physical and mechanical parameters of femur. RESULTS femoral mass (fresh, dry and ash), diameter, and density (fresh) of S, H rats were declined significantly to compared with thase of C rats (P<0.01 or P<0.05). The diameter (P<0.05) and the density (P<0.01) of H rat′s femora obviously improved to compare with these of S rats, and all qualities tended to increase. The strength and stiffness of femora were much more weakened (P<0.01) in S rats then these in C rats. The maximum load (ML) and bending rigidity coefficient (BRC) depressed (P< 0.05), while the bending toughness coefficient (BTC) increased (P<0.01) in H group. Elastic load (EL) of H rats improved more markedly (P<0.05) than that of S group. ML, BRC and EL/ elastic deformation (ED) also tended to improve. CONCLUSION By using IHUT, the growth and mechanical parameters of weight loading bones of hindlimb unweightling rats can partly be improved.
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Keywords:simulated weightlessness; tail-suspension; countermeasure; biomechanics
0 引言
失重引起骨骼系统的变化是航天医学工作者关注的问题之一. 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,而且至今骨量丢失仍未出现平台期[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对抗失重的方法,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，但关于人工重力还有许多理论上的问题仍未解决[3]，如理想的G值，暴露时间，作用次数等. 为寻找和建立一种简单可靠的研究人工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)重力对抗措施，通过观察大鼠基本物理指标和力学特性的变化，初步考察此种对抗方法的作用效果及其机制.
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1 材料和方法
1.1 动物模型及实验分组 20只雄性SD清洁级大鼠，均为本校从上海实验动物中心引进. 试验前1 wk自本校实验动物研究中心领回动物，先在专门的动物室内适应1 wk. 实验开始当日按体质量配对随机分为对照组(control C，7只)、悬吊组(suspension S，6只)和IHUT组(H，7只). 各组大鼠体质量为：C组，(202.0±6.5)g；S组，(205.3±6.4)g；H组,(202.9±4.6)g. 4 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(8∶00-20∶00)和黑暗(20∶00-次日8∶00)交替循环. S组大鼠采用陈杰等[4]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组在尾吊处理的基础上，每天自9∶00-15∶00给予6 h IHUT[5]. IHUT的实现是将大鼠放入45°倾斜放置的细筒状钢丝笼，大鼠呈头高位，在笼中大鼠不能转身，但可自由进退.
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1.2 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. 右侧股骨测量一般物理指标，包括质量(鲜)、长度、直径、体积、密度、质量(干)和灰分质量，除后两项外其余均在处死大鼠后立即测量. 质量采用ACA-100型电子天平测量(精度为1×10-4 g)(Denver Instrument Company，美国)，灰分采用TMP-1上皿式电子天平测量(精度为1×10-3 g)(中国湖南仪器仪表总厂天平厂，长沙). 测质量(干)时，标本先在118℃加热烘烤48 h至质量恒定；然后在灰化炉中800℃,24 h完全灰化测其灰分. 长度和直径(骨干中点最细处)使用精度为0.02 mm游标卡尺测量. 用排水法测量体积(精度为1×10-4 cm3). 湿重密度为湿重和体积的比值.
左侧股骨即刻密封保存于4℃环境中，并于3 d内进行三点弯曲实验. 三点弯曲实验在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、破坏载荷、极限挠度、破坏挠度、刚性系数和韧性系数等力学指标.
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1.3 统计分析 所得数据均以
±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.
2 结果
2.1 一般情况 实验期间的前4 d，S,H组大鼠体质量均呈下降趋势，从第5日开始逐渐增加，C组大鼠在实验期间体质量持续增加. 实验结束时，3组大鼠的体质量分别为：C组(282±7)g；S组(249±10)g；H组(253±5)g. S和H组大鼠平均体质量明显低于C组大鼠，而S和H组之间大鼠平均体质量无显著差异.
2.2 大鼠股骨理化指标的变化 S组和H组大鼠在股骨质量(鲜、干)、灰分、直径和密度等方面均较C组大鼠显著下降(P<0.01或P<0.05). 3组大鼠在股骨长度方面未见明显差异. 与 S组大鼠比较，采用头高位对抗措施后，H组大鼠在直径(P<0.05)和密度(P<0.01)有显著改善，在质量和灰分方面有提高的趋势. 说明采用头高位对抗措施后，悬吊大鼠的骨量丧失减少(Tab 1).
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表 1 C, S, H组大鼠股骨(右)基本物理指标
Tab 1 Basic physical items of rat femur(right) in C,S,H groups(nC,H=7,nS=6,±s) Group
m(f)/mg
m(d)/mg
m(m)/mg
l/mm
d/mm
ρ(f)/ (g*cm-3)
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C
726±52
460±43
286±32
32.37±0.89
1.76±0.10
1.56±0.03
S
617±50b
372±34b
220±19b
32.17±1.02
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1.41±0.19b
1.43±0.04b
H
645±48b
396±33b
236±20b
32.62±0.48
1.57±0.07ac
1.50±0.03bd
aP<0.05, bP<0.01 vs C; cP<0.05, dP<0.01 vs S. C: control group; S suspension group; H intermittent +45°head-up-tilt group. 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. 2.3 大鼠股骨力学特性的变化 S组大鼠在股骨弹性载荷、最大载荷和刚性系数等方面均较C组显著下降(P<0.01)，韧性系数和弹性范围内的挠度载荷比值较C组显著上升(P<0.01)，表明模拟失重引起大鼠股骨力学性能的全面明显降低. H组与C组大鼠比较，最大载荷和刚性系数显著降低(P<0.05),韧性系数显著升高(P<0.01). 与S组大鼠相比，H组大鼠在弹性载荷方面显著提高(P<0.05)，最大载荷、刚性系数和挠度载荷比值有提高的趋势. 表明采用头高位措施后，模拟失重大鼠的股骨力学性能有所提高(Tab 2).
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表 2 C, S, H组大鼠股骨(左)力学指标
Tab 2 Mechanical parameters of rat femur(left) in C,S,H groups(nC,H=7,nS=6,±s) Group
Fe /N
Fm /N
De/mm
Dm/mm
Cbr/
(kg*mm2×104)
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Cbt/
(mm*kg-1)
De/Fe
C
66±17
102±19
0.25±0.04
0.56±0.06
2.2±0.5
0.87±0.15
0.20±0.05
S
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40±3b
68±9b
0.24±0.06
0.67±0.08a
1.5±0.3b
1.53±0.27b
0.30±0.07b
H
56±6c
82±9a
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0.28±0.04
0.63±0.08
1.7±0.2a
1.38±0.19b
0.25±0.04
aP<0.05, bP<0.01 vs C; cP<0.05, dP<0.01 vs S. C,S,H: The same as Tab 1. Fe: elastic load; Fm: maximum load; De: elastic deformation; Dm: maximum deformation; Cbr: bending rigidity coefficient; Cbt: bending toughness coefficient.3 讨论
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力学特性是反映骨的生长代谢情况的一个重要指标. 航天失重和模拟失重均可引起力学特性的显著降低，Cosmos飞行发现大鼠股骨和脊柱的力学性能下降[2]. Skylab-3飞行大鼠骨的强度和硬度均较对照下降. Shaw等[6]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. 马进等[7]利用尾吊大鼠模型模拟失重90 d后测量长骨的生物力学性能发现股骨的硬度，强度、刚度各项参数均较对照显著下降. 以上结果提示失重引起骨力学性能降低，且主要发生在承重骨. 本次实验也得到类似结果，S组大鼠股骨的各项力学指标显著降低.
人工重力对抗措施对骨骼系统的防护作用的研究较少. 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. 在一 2 G离心机实验中，录象资料显示前7 d大鼠活动明显受抑，到实验结束日(14 d)活动还未恢复正常[8]. 研究表明对于骨骼系统而言，人工重力的正性作用存在一范围(确切数值范围还不清楚)，并不是G值越大越好[8]. 所以，我们提出了1 G重力作用下的IHUT大鼠模型. IHUT大鼠模型首先是由Monos等[5] 提出用来研究大鼠下肢血管变化的模型，并认为在此条件下大鼠应激反应较小. 我们将其引入基于以下两方面考虑：首先，能够给予间断性1 G条件下增加负荷的作用，方法简单易行. 其次，由于在大鼠身体z轴存在一定持续向下力的作用，促使血液向下肢分布，从而利于下肢的局部血液灌注，而血流动力学变化是影响失重状态下骨的正常代谢的一个重要原因. 实验结果也表明采用IHUT对抗措施后，大鼠体质量仅在前4 d出现下降，之后即开始增加. 与S组大鼠相比，H组大鼠的股骨直径和密度有显著改善，弹性载荷显著提高，在质量、灰分、最大载荷、刚性系数和挠度载荷比值等方面有提高的趋势. 表明采用头高位措施后，模拟失重大鼠股骨的生长和力学性能有一定恢复. 存在问题及不足： IHUT模型的进一步完善，辅助运动后的对抗效果能否改善，还需继续研究.
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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实验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热忱指导.
基金项目：全军医药卫生科研基金资助项目(98z083)
作者简介：曹新生(1974-)，男(汉族)，河北省正定县人，硕士生(导师吴兴裕). Tel.(029)3374813 Email.kyxhd@fmmu.edu.cn
参考文献:
[1] Morey-Holton ER,Whalen RT,Arnaud SB et al.The skeleton and its adaptation to gravity [A]. In:Fregly MJ,Blatteis CM. Handbook of physiology,section4:Enviornmental physiology,volume1,Ⅲ The gravitational environment[M]. New York:Oxford University Press， 1996:691-719.
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[2] Oganov VS,Schneider VS.Skeletal system [A]. In: Huntoon CSL,Antipov VV,Grigoriev AI. Humansin spaceflight,volume 3,BookⅠ Effects of microgravity [M]. Reston VA:American Institute of Aeronautics and Astronautics，1996:247-266.
[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] 陈 杰，马 进，丁兆平 et al.一种模拟长期失重影响的大鼠尾部悬吊模型[J]. 空间科学学报，1993；13(2)：159-162.
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[5] Monos E,Contney SJ,Cowley AW et al. Effect of long-term tilt on mechanical and electricalproperties of rats saphenous vein [J]. Am J Physiol,1989;256(Heart Circ.Physiol 25):H1185-H1191.
[6] 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(1 Pt2):R78-R83.
[7] 马 进，陈 杰，丁兆平 et al. 模拟失重九十天对大鼠长骨生物力学特性的影响[J]. 第四军医大学学报,1994；15(3)：218-220.
[8] 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.
收稿日期：1999-12-03
修回日期：1999-12-28, 百拇医药
单位：曹新生(第四军医大学航空航天医学系:航空航天生物动力学教研室)；张乐宁(航空航天生理学教研室，陕西 西安 710033)；吴兴裕(第四军医大学航空航天医学系:航空航天生物动力学教研室)；张立藩(航空航天生理学教研室，陕西 西安 710033)；吴燕红(第四军医大学航空航天医学系:航空航天生物动力学教研室)；郝卫亚(第四军医大学航空航天医学系:航空航天生物动力学教研室)
关键词：模拟失重；尾吊大鼠；人工重力；生物力学
第四军医大学学报000602 摘要: 目的 研究间断性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20只，按体质量配对后随机分为：对照组(C,7只)，悬吊组(S,6只)，头高位组(H,7只). 在尾吊大鼠模型模拟失重的基础上，H组大鼠每日给予6 h IHUT. 利用物理测量和三点弯曲等实验，观察了4 wk IHUT对尾吊大鼠股骨生长、生物力学特性的影响. 结果 S,H组大鼠股骨质量、灰分、直径和密度均较C组大鼠显著下降(P<0.01或P<0.05)；与 S组比较， H组大鼠的直径(P<0.05)和密度(P<0.01)显著改善，质量和灰分有增加趋势. 与C组相比，S组大鼠股骨的强度和刚度显著降低(P<0.01)；H组最大载荷和刚性系数显著降低(P<0.05),韧性系数显著升高(P<0.01). 与S组大鼠相比，H组大鼠弹性载荷显著提高(P<0.05)，最大载荷、刚性系数和挠度载荷比值有提高趋势. 结论 IHUT对尾吊大鼠的承重骨的生长及力学特性有一定改善作用.
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中图号：R852.22 文献标识码：A
文章编号：1000-2790(2000)06-0655-03
Intermittent +45°head-up-tilt improves mechanical parameters of hindlimb unweightling in rats
CAO Xin-Sheng WU Xing-Yu WU Yan-Hong HAO Wei-Ya
(Department of Aerospace Aviation Biodynamics)
ZHANG Le-Ning ZHANG Li-Fan
(Department of Aerospace Aviation Physiology, Faculty of Aerospace Medicine, Fourth Military Medical University, Xi'an 710033,China)
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Abstract: AIM To explore the effects of intermittent +45°head-up-tilt (IHUT) on hindlimb unweightling rats. METHODS Twenty male SD rats were randomly divided into control group (C,7), tail-suspension group (S,6) and IHUT group (H,7). On the basis of tail-suspension to simulate weightlessness, H rats were given 6 h IHUT per day. The effects of 4 wk IHUT on tail-suspension rats were evaluated by measuring physical and mechanical parameters of femur. RESULTS femoral mass (fresh, dry and ash), diameter, and density (fresh) of S, H rats were declined significantly to compared with thase of C rats (P<0.01 or P<0.05). The diameter (P<0.05) and the density (P<0.01) of H rat′s femora obviously improved to compare with these of S rats, and all qualities tended to increase. The strength and stiffness of femora were much more weakened (P<0.01) in S rats then these in C rats. The maximum load (ML) and bending rigidity coefficient (BRC) depressed (P< 0.05), while the bending toughness coefficient (BTC) increased (P<0.01) in H group. Elastic load (EL) of H rats improved more markedly (P<0.05) than that of S group. ML, BRC and EL/ elastic deformation (ED) also tended to improve. CONCLUSION By using IHUT, the growth and mechanical parameters of weight loading bones of hindlimb unweightling rats can partly be improved.
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Keywords:simulated weightlessness; tail-suspension; countermeasure; biomechanics
0 引言
失重引起骨骼系统的变化是航天医学工作者关注的问题之一. 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,而且至今骨量丢失仍未出现平台期[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对抗失重的方法,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，但关于人工重力还有许多理论上的问题仍未解决[3]，如理想的G值，暴露时间，作用次数等. 为寻找和建立一种简单可靠的研究人工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)重力对抗措施，通过观察大鼠基本物理指标和力学特性的变化，初步考察此种对抗方法的作用效果及其机制.
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1 材料和方法
1.1 动物模型及实验分组 20只雄性SD清洁级大鼠，均为本校从上海实验动物中心引进. 试验前1 wk自本校实验动物研究中心领回动物，先在专门的动物室内适应1 wk. 实验开始当日按体质量配对随机分为对照组(control C，7只)、悬吊组(suspension S，6只)和IHUT组(H，7只). 各组大鼠体质量为：C组，(202.0±6.5)g；S组，(205.3±6.4)g；H组,(202.9±4.6)g. 4 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(8∶00-20∶00)和黑暗(20∶00-次日8∶00)交替循环. S组大鼠采用陈杰等[4]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组在尾吊处理的基础上，每天自9∶00-15∶00给予6 h IHUT[5]. IHUT的实现是将大鼠放入45°倾斜放置的细筒状钢丝笼，大鼠呈头高位，在笼中大鼠不能转身，但可自由进退.
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1.2 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. 右侧股骨测量一般物理指标，包括质量(鲜)、长度、直径、体积、密度、质量(干)和灰分质量，除后两项外其余均在处死大鼠后立即测量. 质量采用ACA-100型电子天平测量(精度为1×10-4 g)(Denver Instrument Company，美国)，灰分采用TMP-1上皿式电子天平测量(精度为1×10-3 g)(中国湖南仪器仪表总厂天平厂，长沙). 测质量(干)时，标本先在118℃加热烘烤48 h至质量恒定；然后在灰化炉中800℃,24 h完全灰化测其灰分. 长度和直径(骨干中点最细处)使用精度为0.02 mm游标卡尺测量. 用排水法测量体积(精度为1×10-4 cm3). 湿重密度为湿重和体积的比值.
左侧股骨即刻密封保存于4℃环境中，并于3 d内进行三点弯曲实验. 三点弯曲实验在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、破坏载荷、极限挠度、破坏挠度、刚性系数和韧性系数等力学指标.
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1.3 统计分析 所得数据均以
±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.2 结果
2.1 一般情况 实验期间的前4 d，S,H组大鼠体质量均呈下降趋势，从第5日开始逐渐增加，C组大鼠在实验期间体质量持续增加. 实验结束时，3组大鼠的体质量分别为：C组(282±7)g；S组(249±10)g；H组(253±5)g. S和H组大鼠平均体质量明显低于C组大鼠，而S和H组之间大鼠平均体质量无显著差异.
2.2 大鼠股骨理化指标的变化 S组和H组大鼠在股骨质量(鲜、干)、灰分、直径和密度等方面均较C组大鼠显著下降(P<0.01或P<0.05). 3组大鼠在股骨长度方面未见明显差异. 与 S组大鼠比较，采用头高位对抗措施后，H组大鼠在直径(P<0.05)和密度(P<0.01)有显著改善，在质量和灰分方面有提高的趋势. 说明采用头高位对抗措施后，悬吊大鼠的骨量丧失减少(Tab 1).
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表 1 C, S, H组大鼠股骨(右)基本物理指标
Tab 1 Basic physical items of rat femur(right) in C,S,H groups(nC,H=7,nS=6,
±s) Groupm(f)/mg
m(d)/mg
m(m)/mg
l/mm
d/mm
ρ(f)/ (g*cm-3)
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C
726±52
460±43
286±32
32.37±0.89
1.76±0.10
1.56±0.03
S
617±50b
372±34b
220±19b
32.17±1.02
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1.41±0.19b
1.43±0.04b
H
645±48b
396±33b
236±20b
32.62±0.48
1.57±0.07ac
1.50±0.03bd
aP<0.05, bP<0.01 vs C; cP<0.05, dP<0.01 vs S. C: control group; S suspension group; H intermittent +45°head-up-tilt group. 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. 2.3 大鼠股骨力学特性的变化 S组大鼠在股骨弹性载荷、最大载荷和刚性系数等方面均较C组显著下降(P<0.01)，韧性系数和弹性范围内的挠度载荷比值较C组显著上升(P<0.01)，表明模拟失重引起大鼠股骨力学性能的全面明显降低. H组与C组大鼠比较，最大载荷和刚性系数显著降低(P<0.05),韧性系数显著升高(P<0.01). 与S组大鼠相比，H组大鼠在弹性载荷方面显著提高(P<0.05)，最大载荷、刚性系数和挠度载荷比值有提高的趋势. 表明采用头高位措施后，模拟失重大鼠的股骨力学性能有所提高(Tab 2).
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表 2 C, S, H组大鼠股骨(左)力学指标
Tab 2 Mechanical parameters of rat femur(left) in C,S,H groups(nC,H=7,nS=6,
±s) GroupFe /N
Fm /N
De/mm
Dm/mm
Cbr/
(kg*mm2×104)
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Cbt/
(mm*kg-1)
De/Fe
C
66±17
102±19
0.25±0.04
0.56±0.06
2.2±0.5
0.87±0.15
0.20±0.05
S
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40±3b
68±9b
0.24±0.06
0.67±0.08a
1.5±0.3b
1.53±0.27b
0.30±0.07b
H
56±6c
82±9a
, 百拇医药
0.28±0.04
0.63±0.08
1.7±0.2a
1.38±0.19b
0.25±0.04
aP<0.05, bP<0.01 vs C; cP<0.05, dP<0.01 vs S. C,S,H: The same as Tab 1. Fe: elastic load; Fm: maximum load; De: elastic deformation; Dm: maximum deformation; Cbr: bending rigidity coefficient; Cbt: bending toughness coefficient.3 讨论
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力学特性是反映骨的生长代谢情况的一个重要指标. 航天失重和模拟失重均可引起力学特性的显著降低，Cosmos飞行发现大鼠股骨和脊柱的力学性能下降[2]. Skylab-3飞行大鼠骨的强度和硬度均较对照下降. Shaw等[6]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. 马进等[7]利用尾吊大鼠模型模拟失重90 d后测量长骨的生物力学性能发现股骨的硬度，强度、刚度各项参数均较对照显著下降. 以上结果提示失重引起骨力学性能降低，且主要发生在承重骨. 本次实验也得到类似结果，S组大鼠股骨的各项力学指标显著降低.
人工重力对抗措施对骨骼系统的防护作用的研究较少. 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. 在一 2 G离心机实验中，录象资料显示前7 d大鼠活动明显受抑，到实验结束日(14 d)活动还未恢复正常[8]. 研究表明对于骨骼系统而言，人工重力的正性作用存在一范围(确切数值范围还不清楚)，并不是G值越大越好[8]. 所以，我们提出了1 G重力作用下的IHUT大鼠模型. IHUT大鼠模型首先是由Monos等[5] 提出用来研究大鼠下肢血管变化的模型，并认为在此条件下大鼠应激反应较小. 我们将其引入基于以下两方面考虑：首先，能够给予间断性1 G条件下增加负荷的作用，方法简单易行. 其次，由于在大鼠身体z轴存在一定持续向下力的作用，促使血液向下肢分布，从而利于下肢的局部血液灌注，而血流动力学变化是影响失重状态下骨的正常代谢的一个重要原因. 实验结果也表明采用IHUT对抗措施后，大鼠体质量仅在前4 d出现下降，之后即开始增加. 与S组大鼠相比，H组大鼠的股骨直径和密度有显著改善，弹性载荷显著提高，在质量、灰分、最大载荷、刚性系数和挠度载荷比值等方面有提高的趋势. 表明采用头高位措施后，模拟失重大鼠股骨的生长和力学性能有一定恢复. 存在问题及不足： IHUT模型的进一步完善，辅助运动后的对抗效果能否改善，还需继续研究.
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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实验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热忱指导.
基金项目：全军医药卫生科研基金资助项目(98z083)
作者简介：曹新生(1974-)，男(汉族)，河北省正定县人，硕士生(导师吴兴裕). Tel.(029)3374813 Email.kyxhd@fmmu.edu.cn
参考文献:
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收稿日期：1999-12-03
修回日期：1999-12-28, 百拇医药