离体机器人测量大鼠前交叉韧带断裂的急性生物力学影响：一种新型多轴测试系统的开发与应用

本研究针对啮齿类动物模型缺乏多轴生物力学评估手段的问题，开发了首个小动物微型六自由度机器人测试系统，成功量化了大鼠ACL横断后膝关节在前向平移和内外翻旋转稳定性方面的显著下降（ATT增加2.5倍，关节刚度下降2.5倍），为理解ACL损伤机制和术后康复提供了重要技术平台。

　　

在运动医学和骨科研究领域，前交叉韧带（ACL）断裂是一种常见且严重的膝关节损伤，每年影响超过25万人，导致患者出现生物力学功能减退、剧烈疼痛和生活质量下降等问题。尽管手术干预和长期康复可以帮助患者恢复活动水平，但ACL损伤后的关节不稳定和继发性改变（如创伤后骨关节炎，PTOA）仍是临床面临的重大挑战。为了更好地理解损伤机制、愈合反应及治疗策略， preclinical animal models（临床前动物模型）尤其是啮齿类动物模型被广泛应用。然而，现有研究多集中于多组学分析、活体成像和组织学观察，而对生物力学测试方法的关注相对不足——而生物力学功能的变化恰恰是理解损伤后关节功能改变的关键。

以往针对小动物膝关节的生物力学研究主要局限于单轴测试或离体组织力学测试，这些方法无法全面反映关节在多平面运动中的复杂生物力学行为，特别是无法捕捉到非主平面（off-axis planes）的运动变化。此外，由于技术限制，以往用于人类和大动物的六自由度（6-DOF）机器人测试系统难以直接应用于小动物关节，因为它们缺乏足够的精度和灵活性来适应啮齿类动物更小的解剖结构和更低的力学负荷。

为了填补这一空白，来自特拉华大学的研究团队开发了一种新型微型多轴机器人测试系统，专门用于测量大鼠膝关节在原位（in situ）条件下的生物力学特性，并在离体条件下成功评估了ACL损伤对关节平移和旋转稳定性的影响。相关研究成果发表在《Journal of Biomechanics》上。

该研究主要依托一套高精度的六自由度机械臂系统（Meca500，运动分辨率1μm）和微型六维力传感器（Nano 25 IP65），通过对10只雌性Long Evans大鼠的膝关节样本进行多轴力学测试，系统比较了ACL完整（intact）和ACL横断（ACLD）两种状态下的生物力学响应。样本来源于24周龄大鼠的后肢，经解剖处理后固定在3D打印夹具中，通过功能坐标系的建立和混合控制策略（hybrid control），实现了前向抽屉测试（anterior drawer test）和内外翻扭矩测试（varus-valgus torque test）在内的多模式力学加载。

研究结果显示，ACL横断后，膝关节在前向抽屉测试中表现出显著的前向胫骨平移（anterior tibial translation, ATT）增加，平均从0.38 mm增至0.96 mm，增幅达2.5倍（p<0.001），同时关节松弛量（slack）增加3.5倍，而关节刚度（stiffness）则下降了2.5倍。在旋转稳定性方面，ACL损伤后膝关节在40°屈曲角度下表现出内外翻方向上的旋转松弛度显著增加：内翻（varus）旋转增加1.7倍（p=0.016），外翻（valgus）旋转更是增加了2.5倍（p=0.012）。这些变化反映出ACL不仅在矢状面（sagittal plane）提供主要约束，同时也参与冠状面（coronal plane）和轴向（axial plane）的稳定性维持。

此外，通过系列组织切割和叠加原理（principle of superposition）的应用，研究人员进一步分析了各软组织在负荷分配中的功能贡献。在ACL完整状态下，ACL是抵抗前向载荷的主要结构；而在ACL缺损后，内侧副韧带（MCL）成为承担前向力和外翻扭矩的主要次级约束结构，而内外侧半月板（menisci）和侧副韧带也参与了负荷的重新分配。这一发现与大型动物（如猪）和人类膝关节的生物力学研究结果一致，进一步验证了大鼠模型在生物力学研究中的适用性。

值得注意的是，本研究也存在一些局限性。例如，所有样本均来自雌性青少年大鼠，未能涵盖性别和年龄的影响；此外，大鼠膝关节在自然步态中屈曲角度较大（60°–120°），而本研究测试角度（20°–60°）更接近人类常用测试姿态，这可能限制了与大鼠自然运动的直接对比。尽管如此，该研究首次实现了在大鼠膝关节水平的多轴生物力学精细评估，为未来研究提供了重要的方法学基础。

综上所述，这项研究不仅成功开发并验证了一种适用于小动物关节的多轴机器人生物力学测试系统，而且明确了ACL损伤对大鼠膝关节多向稳定性的急性影响，为理解种属间生物力学功能的保守性、探索性别差异、激素影响以及基因修饰模型的生物力学表型提供了强有力的工具。未来，这一技术平台可广泛应用于小鼠模型、ACL重建策略评估以及PTOA机制研究，最终为临床诊断和治疗提供更深入的科学依据。

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