新品應(yīng)用|骨骼微損傷修復(fù)的奧秘：力學(xué)加載如何加速溶質(zhì)運(yùn)輸？

2025-07-17

關(guān)鍵詞：微損傷，損傷修復(fù)，ElectroForce, 離體/活體加載

引言

您是否想過(guò)，骨骼在承受日�；顒�(dòng)壓力時(shí)產(chǎn)生的微小損傷是如何快速修復(fù)的？研究發(fā)現(xiàn)，骨骼中的“彌散性基質(zhì)損傷”(一種亞微米級(jí)的微裂紋)能在兩周內(nèi)高效自我修復(fù)，而這一過(guò)程與重復(fù)力學(xué)加載密切相關(guān)。

摘要

眾所周知，由生理負(fù)荷或疲勞負(fù)荷引起的“磨損”可導(dǎo)致骨骼基質(zhì)微損傷的形成與積累，若未能及時(shí)有效修復(fù)，可能最終引發(fā)脆性骨折。在動(dòng)物和人類的骨骼中，已明確識(shí)別出兩種主要類型的微損傷：一類是出現(xiàn)在常受剪切或壓縮應(yīng)力區(qū)域的線性微裂紋(通常長(zhǎng)度為50–100mm)；另一類則是在主要承受拉伸應(yīng)力區(qū)域形成的彌漫性損傷，其特征為由多個(gè)亞微米級(jí)基質(zhì)裂紋(<1mm)組成的損傷簇。類似于工程復(fù)合材料(如纖維增強(qiáng)塑料)，骨骼在反復(fù)的次極限循環(huán)載荷作用下易產(chǎn)生彌漫性損傷，而更高強(qiáng)度的載荷則更易引發(fā)線性微裂紋。這兩種在形態(tài)學(xué)上存在顯著差異的損傷類型似乎會(huì)激活骨骼不同的修復(fù)機(jī)制，以恢復(fù)骨骼的力學(xué)完整性。

為了研究這兩種“彌散性基質(zhì)損傷”能在兩周內(nèi)高效自我修復(fù)過(guò)程的相應(yīng)機(jī)制，在本文中我們將通過(guò)力學(xué)測(cè)試和熒光技術(shù)，揭示溶質(zhì)運(yùn)輸在修復(fù)過(guò)程中的關(guān)鍵作用，并通過(guò)活體力學(xué)實(shí)驗(yàn)探究骨細(xì)胞周圍基質(zhì)(PCM)在機(jī)械負(fù)荷下對(duì)骨適應(yīng)性的調(diào)控作用。

實(shí)驗(yàn)方法

1）離體加載

研究采用牛骨皮質(zhì)薄片(50×4×0.2mm?)，通過(guò)循環(huán)拉伸加載(峰值45N)在V型缺口根部誘導(dǎo)擴(kuò)散性損傷(表現(xiàn)為不透明區(qū)域)。利用熒光恢復(fù)漂白技術(shù)(FRAP)測(cè)量小分子熒光示蹤劑(鈉熒光素，376Da)在損傷與未損傷區(qū)域的運(yùn)輸速率，并比較不同拉伸負(fù)荷(0.2N、10N、20N、30N)下的運(yùn)輸變化(圖1)。

圖1：離體測(cè)試樣品制備以及循環(huán)拉伸加載

2）活體加載

使用ElectroForce活體夾具對(duì)3.5月齡小鼠脛骨施加周期性壓縮負(fù)荷(圖2)，右脛骨施加軸向壓縮負(fù)荷，左脛骨作為非負(fù)荷對(duì)照，通過(guò)熒光標(biāo)記(鈣黃綠素)觀察骨形成響應(yīng)。通過(guò)不同的峰值負(fù)載，頻率以及施加周期對(duì)小鼠脛骨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2：使用ElectroForce活體夾具對(duì)小鼠脛骨施加周期性載荷

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

牛骨薄片在拉伸載荷作用下，鈉熒光物質(zhì)傳輸速率的比較，參考圖3。對(duì)于每一個(gè)樣品在加載狀態(tài)下，受損區(qū)域的平均運(yùn)輸速率明顯高于未受損區(qū)域。未受損區(qū)域的運(yùn)輸速率不會(huì)隨著載荷的增加而變化。相比之下，在20N的載荷下(小的零載荷為0.2N)，受損區(qū)域的運(yùn)輸速率明顯高于未加載狀態(tài)。而拉伸載荷的增大對(duì)牛骨中彌漫性基質(zhì)損傷部位孔隙傳輸有著明顯的增強(qiáng)作用，這個(gè)可能是由于拉伸使微裂紋張開，形成更多運(yùn)輸通道導(dǎo)致的。

圖3：不同載荷下鈉熒光物質(zhì)傳輸速率比較

圖4：傳輸速率隨著拉伸載荷的增大而增大

圖5揭示了，通過(guò)對(duì)脛骨施加軸向壓縮載荷(峰值載荷8.5N，頻率4Hz，每次持續(xù)5min，共進(jìn)行5次，總計(jì)10天)顯著提高了對(duì)照組小鼠脛骨在加載狀態(tài)下的剛度和極軸慣性矩，這得益于提高了礦物質(zhì)沉積率和骨形成率。

圖5：3.5月齡的小鼠在進(jìn)行軸向壓縮加載后相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了重復(fù)力學(xué)加載對(duì)擴(kuò)散性微損傷區(qū)域的溶質(zhì)運(yùn)輸增強(qiáng)作用，并揭示了拉伸負(fù)荷的協(xié)同作用。這一發(fā)現(xiàn)為理解骨骼的高效自我修復(fù)機(jī)制提供了新視角，可能為開發(fā)針對(duì)微損傷的干預(yù)策略(如力學(xué)刺激療法)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)活體力學(xué)實(shí)驗(yàn)揭示了PCM纖維密度對(duì)骨機(jī)械適應(yīng)性的關(guān)鍵作用，為理解骨修復(fù)機(jī)制和開發(fā)靶向干預(yù)策略提供了重要依據(jù)。

圖6：TA儀器全新一代ElectroForce Apex 1

TA儀器全新一代的ElectroForce Apex 1機(jī)械性能測(cè)試儀可以配置拉伸以及活體夾具來(lái)完成以上生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)。其全新設(shè)計(jì)的動(dòng)磁式電機(jī)，具有更大行程(100mm)，更加開放的測(cè)試空間、豐富的產(chǎn)品配件以及全新的控制系統(tǒng)可輕松進(jìn)行測(cè)試設(shè)置�？梢宰屟芯咳藛T、工程師和技術(shù)人員在進(jìn)行簡(jiǎn)單的培訓(xùn)后迅速掌握設(shè)備操作，更加快速的來(lái)完成相應(yīng)的生物力學(xué)試驗(yàn)。