被动运动和电刺激对失神经大鼠股骨生物力学性能的影响

被动运动和电刺激对失神经大鼠股骨生物力学性能的影响

根据近年来的研究，大鼠失神经控制可导致扔掉骨瘦如柴。废用性骨质疏松症是指由于长期卧床、制动或失重而导致骨量减少,骨细微结构退化致骨脆性增加,易于发生骨折的一种全身性骨骼系统疾病,属继发性骨质疏松症的一种特殊类型。本实验采用大鼠失神经方法制造废用性骨质疏松的动物模型,通过对失神经大鼠股骨生物力学指标的综合评价及干预的研究,探讨被动运动和电刺激治疗对大鼠失神经所致废用性骨质疏松的预防作用。1研究对象和方法1.1研究主题从四川大学华西医学院实验动物中心购买50只2月龄纯种健康雄性SD大鼠,体重为(208.4±13.44)g。1.2学习方法1.2.1大鼠分组及标记号驯化喂养7天后将50只大鼠分别称体重,按随机设计法,将大鼠分成A、B两组,其中A组10只为假手术组(Sham组),B组40只为造模组,待手术造模。造模后40只大鼠按完全随机法分为去神经组(NCG);去神经被动运动组(PMG);去神经电刺激组(ESG);去神经被动运动+电刺激组(PMESG)4组,每组各10只,各组内依次编号并用不同颜色的记号笔做好标记。所有大鼠自由进食、饮水。1.2.2假手术组的制备B组造模组大鼠在3%的戊巴比妥钠(25mg/kg)麻醉下,先将大鼠俯卧位固定于手术台,以碘伏将左后肢股骨近段和尾部近段消毒铺巾,触摸到股骨大转子后,在大腿后方靠近尾部行长约1cm的切口,逐层分离,在半腱肌、半膜肌和股二头肌之间找到坐骨神经,靠近上段予以切除5mm,并将神经断端打结处理以预防断端包块的形成,然后缝合切口;再置大鼠于仰卧位,正中纵切口,于腹股沟韧带水平切断大鼠左侧股神经,游离远端5mm,同样将神经断端进行打结处理,并缝合切口。假手术组只分离显露坐骨神经和股神经后缝合切口,最后肌注庆大霉素0.1ml,以预防感染。每天用酒精棉球和碘酒擦拭伤口,直至伤口愈合。1.2.3术后活动周期去神经支配手术分组后6h内,对PMG和PMESG组大鼠行去神经肢体的被动牵引。将大鼠置于自制的网夹内,拉出左后肢,抓住趾部,与脊柱呈45°向后外方牵拉,直至左后肢完全伸直(膝关节、踝关节均伸直),然后再向与牵拉方向相反的方向,将左后肢推向身体使之完全屈曲紧贴身体(膝关节完全屈曲,踝关节完全背屈),如此一个往复为一个周期。2次/天,5分钟/次,每侧后肢每天共活动600个周期。整个过程中动作轻柔,速度适中,全关节幅度活动,以伤口不渗血为度。1.2.4神经电刺激试验ESG与PMESG组在去神经支配手术分组后6h开始电刺激治疗,将大鼠置于自制的网夹内,拉出左后肢,大鼠左小腿硫化钡脱毛后,以双层生理盐水浸湿纱布包裹,采用JNR22型神经肌肉康复仪进行电刺激,将电极固定于皮肤表面,正极置于肢体近侧(左股骨大转子部与尾骨尖之间),负极置于远侧,正负两极距离为8mm,刺激频率为2Hz,刺激电压为20～25V,强度以见到肌肉明显收缩为标准,每次刺激时间15分钟,上下午各1次。1.2.5动物的股动脉接血法实验6周后,各组在安静状态下称重。所有动物均以股动脉放血处死,每组大鼠剥取左侧股骨、胫腓骨,剔除软组织,用浸透生理盐水的纱布包好,在-20℃的冰箱保存备用。1.2.6载荷-变形本构模型将股骨置于Instron万能材料试验机上作三点弯曲实验,所有数据均由机器自带软件自动记录,记录频率为2mm/min,加载速度为2mm/min,跨距为20mm,记录其载荷-变形曲线。其中结构力学参数中最大载荷、能量吸收由载荷-变形曲线获得,材料力学参数中弹性模量由应力-应变曲线获得。极限强度、结构刚度则由相关指数及股骨横切面积计算。1.2.7细水磨石上磨平截面将断裂的左侧股骨用粘合剂粘合,于断裂处(骨的中点附近旁)用牙科锯将其锯断,在细水磨石上磨平截面。对骨截面进行显微摄影,将截面图像输入电脑,然后采用Photoshop图形处理软件对其进行分析处理,所得结果再经sporthospital不规则图形面积分析专用软件,分析计算股骨横切面积。1.2.8数据处理及分析所有指标均以平均值±标准差表示,数理统计采用统计软件SPSS11.5进行单因素方差分析(One-wayANOVA),组间相互比较采用LSD法,对F值明显的指标,用T检验对各组均值进行多重比较。2结果2.1大鼠活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠术后活动量明显减少,大鼠大鼠手术后30min左右清醒,左后肢无主动屈伸功能,后爪屈曲,以脚掌支持体质量,躯体重心减低并前移,前进时以臀部和左肢肌群帮助行走,后退时靠腰腹部肌群收缩代偿,手术后大鼠活动量明显减少。被动牵引和电刺激3天后,大鼠足部肿胀减退,活动量逐渐加大。2.2异外比较见表1由表1可以看出,极限强度Sham组较其他各组明显高(P<0.01),PMG、ESG和PMESG较NCG明显高,除PMG具有显著性差异外(P<0.05),其余各组均具有非常显著性差异(P<0.01),ESG和PMESG间无明显差别;弹性模量Sham组较其他各组明显高(P<0.01),PMG、ESG和PMESG较NCG明显高(P<0.01),各组间未见明显差异(P>0.05);最大应变Sham组较其他各组明显降低(P<0.01),PMG、ESG和PMESG较NCG明显低(P<0.01),组间比较未见明显差异(P>0.05)。2.3性升温p>0.1由表2可以看出,结构刚度Sham组较其他各组明显高(P<0.01),PMG、ESG和PMESG较NCG明显高,除PMG具显著性差异外(P<0.05),其余各组呈非常显著性升高(P<0.01);最大载荷Sham组较其他各组明显高,其中NCG和PMG具非常显著性差异(P<0.01),ESG组具显著性差异(P>0.05),PMESG不具明显差异(P<0.05),而且PMG、ESG和PMESG较NCG明显高(P<0.01);能量吸收Sham组较其他各组均明显高,除PMESG不具明显差异外(P>0.05),其余各组均具显著性差异(P>0.01),同时PMG、ESG和PMESG较NCG明显高,除PMG不具显著性差异外(P>0.05),ESG、PMESG均具显著性差异(P<0.05)。3小鼠股骨最大应变变化和电刺激试验的比较骨与其他组织相比,其首要功能是满足机体的生物力学需要。骨生物力学特性直接反映骨的内在质量和性能。大量研究证明,虽然骨量与骨强度有很好的相关性,但骨量并非是骨强度的唯一决定因素。骨质疏松导致骨强度下降的机理不仅仅是骨量的下降,还同时与骨体积、皮质骨厚度和松质骨小梁结构有密切关系。因此,对骨质疏松性症预防和治疗的研究,必须更加重视骨质疏松骨生物力学变化的影响。本实验采用多项股骨生物力学指标综合评定股骨生物力学性能。其中最大载荷反映整骨的最大承载力,极限强度是在载荷作用下抵抗破坏的能力,二者是衡量骨强度的重要指标。结构刚度和弹性模量均代表材料的抗变形能力。结构刚度越大,弹性模量越高,则材料的抗变形能力越强,材料所需产生一定应变的应力越大,材料就越坚强。能量吸收又称材料韧性,它是很重要的一项力学指标。能量吸收越大则材料韧性越大,材料韧性越大则骨质对骨折的抵抗力越大。最大应变代表最大载荷下材料产生的变形率,一般以百分比来表示。最大应变越大则材料的变形率越大,材料越易变形。综合以上指标能够较全面地反映骨的生物力学性能。本研究结果表明,与假手术组比较,被动运动、电刺激单独作用组和联合治疗组大鼠股骨最大载荷、极限强度、结构刚度、弹性模量以及能量吸收值均显著性降低(P<0.05),大鼠股骨最大应变值明显升高;与对照组比较,各干预治疗组大鼠股骨最大载荷、极限强度、结构刚度、弹性模量以及能量吸收值均显著性升高(P<0.05),大鼠股骨最大应变明显降低。众多实验表明,运动能够防治废用性骨质疏松。自1989年Woff定律提出以来,已有大量研究表明负重和运动能促进骨形成。国外文献率先报道了运动与废用性骨质疏松的关系。1948年Abrams就指出运动能防止截瘫所致的骨质疏松。Freeman报道运动甚至静立都可对预防和康复骨质疏松有明显作用,然而早期运动训练对预防和减轻骨质疏松的重要性并没有引起人们的广泛重视。早期运动使肌肉收缩活动产生对骨的压力,可以刺激骨形成,减少骨矿物质的损失。钟绍芬发现:早期运动治疗组发生骨质疏松症病人低于非运动对照组,说明早期运动能有效地预防和减轻外伤后长期卧床引起的骨质疏松症。本研究结果表明,在大鼠去神经后,各组大鼠股骨抗变形能力、承受最大载荷的能力以及股骨韧性均显著降低,提示大鼠去神经后结构力学性能均显著降低;与对照组比较,被动运动组抗变形能力、承受最大载荷的能力以及股骨韧性均相对升高,说明被动运动能有效预防大鼠去神经后股骨材料力学性能的降低,从一定程度上表明被动运动能较好地预防去神经所致的废用性骨质疏松。电刺激对成骨细胞有增殖作用,能影响骨的代谢和重建,达到抑制骨衰退和逆转骨质疏松症的作用,所以其不仅仅局限于促进骨折愈合等骨科治疗,而且已广泛应用于骨质疏松的预防与治疗。临床应用结果表明,对90%以上患者,能显著改善临床症状,大部分患者骨密度有不同程度提高。毋庸置疑,电刺激对维持有效骨骼结构、防治骨质疏松具有巨大的临床应用潜力,显示出广阔的临床应用前景。李明等曾报道,大鼠在切断坐骨神经后,予以6KHz中频电流连续刺激12d显示,大鼠胫骨平均干、湿、灰重等指标与正常组无明显差异。本实验研究中证明,电刺激影响了失神经大鼠股骨生物力学性能的改变,减缓了失神经大鼠股骨生物力学性能的下降。被动运动和电刺激,是临床康复中预防肌肉萎缩和保持关节活动度的常用方法,而两种方法对失神经支配后,是否能有效地保持一定骨量尚未明确。过去研究认为,通过电刺激可对骨产生压电效应,使骨处于一定的应力环境中。被动运动则可能通过机械牵伸影响骨的微循环。然而被动运动和电刺激预防废用性骨质疏松的作用机制还有待进一步研究。4被动运动和电刺激治疗4.1失神经支配后,大鼠股骨生物力学性能明显下降。大鼠失神经支配造成废用性骨质疏松,这与以往文献研究报道一致。4.2被动运动和电刺激均影响了失神经大鼠股骨生物力学性能的改变,减缓了失神经大鼠股骨生物力学性能的下降,表明