在生理步态负荷作用下的小梁骨的机械微环境

《Annals of Biomedical Engineering》：The Mechanical Microenvironment of Trabecular Bones Subjected to a Physiological Gait Load

该研究通过微CT成像重建并分析不同骨体积分数（BV/TV）的骨小梁结构，结合傅里叶级数步态负荷曲线揭示行走时应变与壁面剪切应力（WSS）的动态关系，发现两者与BV/TV呈强相关性，且小BV/TV时应变与WSS相关性较弱，为骨自适应重塑研究提供新视角。

　　

摘要

目的

本研究旨在通过表征两种关键的机械信号[应变和壁面剪切应力（WSS）]，揭示步态过程中小梁骨的机械微环境，并阐明它们与骨体积分数（BV/TV）之间的关系。

方法

从三个股骨头中提取了40个具有不同BV/TV值的小梁骨立方体，并利用微计算机断层扫描图像对其进行重建。随后，将基于傅里叶级数的步态加载曲线应用于浸没在骨髓环境中的重建小梁骨上，以进行流固耦合分析。重要的是，这两种关键机械信号（即应变和WSS）与BV/TV之间存在相关性，同时首次明确了应变与WSS之间的相关性。

结果

小梁骨中的应变和WSS在步态周期内表现出交替的峰值模式，并且它们与BV/TV有很强的相关性。此外，BV/TV值越小，应变和WSS的值也越低。有趣的是，当BV/TV较小时，应变与WSS之间的相关性较弱；反之，则相关性较强。

结论

从生物力学的角度来看，机械环境与BV/TV之间的相关性表明，骨结构的退化和机械刺激的减少可能在骨质疏松症的发展过程中相互作用。此外，所揭示的机械微环境为体外力学生物学实验提供了加载线索，有助于理解骨骼的适应性重塑过程。