基于模态阻尼因子（MDF）的大鼠股骨骨折愈合定量评估新方法及其与传统检测技术的对比研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Quantitative evaluation of fracture healing progression in rat femurs with modal damping factor and conventional methods

本研究创新性提出模态阻尼因子（MDF）作为骨折愈合定量监测指标，通过对比外周定量CT（pQCT）、拉曼光谱（RS）及生物力学测试（吸收能量/断裂能量），证实MDF可灵敏反映大鼠股骨愈合过程中骨痂矿化（MMR）、胶原交联（CLR）等微观结构变化，优于传统方法在监测骨愈合动态进程的精准度与敏感性，为临床骨折愈合评估提供新策略。

　　

引言

骨折愈合的定量评估对临床治疗至关重要。传统影像学方法如X射线、CT等虽广泛应用，但难以精准反映骨愈合过程中的微观结构动态变化。本研究引入基于振动激励的模态阻尼因子（Modal Damping Factor, MDF）这一非侵入性指标，通过对比外周定量CT（pQCT）、拉曼光谱（RS）及生物力学参数，系统评估MDF在大鼠股骨骨折愈合监测中的敏感性与可靠性。

材料与方法

实验选用48只6月龄雄性Wistar大鼠，随机分为4组（A、B、C、D），分别对应术后6、8、10、12周观察点。通过股骨中段截骨术建立骨折模型，并使用髓内钉固定。术后采集双侧股骨（右侧手术侧/左侧对照侧）进行以下检测：

1. 1.
   骨密度分析：采用pQCT测量术前（Pre）及离体后（Post）的骨矿物质密度（BMD）；
2. 2.
   拉曼光谱（RS）检测：分析骨膜及内膜区域的矿物基质比（MMR, I_{959 cm^?1}/[I_{855 cm^?1}+I_{875 cm^?1}]）与胶原交联比（CLR, I_{1668 cm^?1}/I_{1688 cm^?1}）；
3. 3.
   生物力学测试：包括夏比冲击试验（吸收能量）和三点弯曲试验（断裂能量）；
4. 4.
   MDF测量：通过定制设备记录股骨振动阻尼特性，数值范围0–1（越高表示结构损伤越严重）。

结果

MDF与骨密度关联：术后右侧股骨MDF值（0.03–0.07）显著高于术前（0.022–0.038）及左侧对照（0.024–0.037），而pQCT测得的骨密度值在900–1150 kg/m²范围内无显著组间差异，表明MDF对手术所致结构变化更敏感。

MDF与拉曼参数动态关联：

• •
  软骨痂亚组：术后6周MDF较对照升高64%，MMR降低59%；至12周时两者仍偏离对照值30%以上，提示愈合延迟；
• •
  硬骨痂亚组：MDF在6周时较对照高95%，但至12周接近对照水平（差异15%），而MMR仍偏差39%，反映矿化不足；
• •
  无骨痂亚组：6周时MDF与MMR差异分别为56%与24%，至10周均恢复至对照水平，提示直接愈合模式。
  X射线显微CT验证上述结果：硬骨痂区域可见矿化不均与孔隙（图17），而无骨痂组12周时仍存在骨重塑残留腔隙（图18）。

MDF与生物力学性能：右侧股骨断裂能量范围（10–40 mJ）显著低于左侧（48–200 mJ），且随时间推移，右侧MDF下降伴随断裂能量上升，而左侧数据波动较大，MDF则保持稳定，再证MDF对愈合进程的表征稳定性。

讨论

MDF通过整合结构阻尼特性，全面反映骨折愈合中骨痂矿化、胶原成熟及微结构演变。其与MMR的强负相关性（R²>0.65）表明MDF可精准捕获从软组织桥接至骨重塑的力学性能提升过程。相较之下，pQCT仅提供静态密度数据，生物力学测试结果易受操作变异影响。本研究首次证实MDF在多参数体系中具备最优灵敏度，尤其适用于区分不同愈合亚型（软/硬/无骨痂）的预后差异。

结论

MDF作为一种非侵入性、低成本且高灵敏的力学指标，可动态量化骨折愈合质量，较传统方法更早识别愈合异常，为临床提供客观诊断工具。未来需进一步开展人体试验验证其转化潜力。