陳敬 李建設(shè) 張紹巖

1煙臺南山學院公體部（山東煙臺 265706） 2河北邯鄲學院公體部（河北邯鄲 056005）3河北省體育科學研究所（河北石家莊 050016）

骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)生與骨組織的質(zhì)、量等內(nèi)部因素緊密相關(guān)。骨的組織結(jié)構(gòu)隨年齡增長而發(fā)生變化，國內(nèi)外此類研究大多對老年期大鼠進行預防骨質(zhì)丟失的探討。青春期是組織結(jié)構(gòu)達到最好的關(guān)鍵時期，運動是改善骨結(jié)構(gòu)和生物力學性能的有效方法［1］。通過長期不同強度游泳運動對生長期大鼠骨代謝影響的研究發(fā)現(xiàn)，適宜強度游泳運動能促進生長期大鼠骨量積累［2］。本研究通過測定生長期大鼠長期不同強度游泳訓練后骨組織形態(tài)計量學、骨生物力學指標，探討不同強度的游泳運動對骨發(fā)育的影響，探索改善骨結(jié)構(gòu)和提高骨生物力學性能的最佳游泳方式，為游泳運動早期預防骨質(zhì)疏松提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及分組

實驗采用4周齡純系Sprague-Daw ley大鼠48只，購自河北實驗動物中心，在河北師范大學體育學院動物房采用架式籠養(yǎng)，溫度控制在攝氏18℃～25℃，濕度為55%～65%，國家標準嚙齒類動物飼料喂養(yǎng)，自由飲食，晝夜節(jié)律同自然。隨機分為6組，每組8只，分別為正常對照組（C 組，82.42±4.17g）、實驗對照組（EC 組，82.51±3.93g）、無負重游泳組（S0組，82.87±4.36g）、負重 3%游泳組（S3組，83.53±4.46g）、負重 6%游泳組（S6組，81.71±2.16g）、負重 9%游泳組（S9組，82.08±2.67g）。

1.2 實驗方法

運動組大鼠運動方式為游泳，適應性喂養(yǎng)3天后，無負重組、3%負重組、6%負重組、9%負重組進行游泳訓練，共10周，每周訓練6天，每次60分鐘。游泳用具為大塑料桶，水溫為 30℃左右（30±2℃），水深為 65cm。S3、S6、S9三組大鼠游泳訓練時分別在尾根部負重其自身體重的3%、6%、9%。運動組大鼠每次訓練時，實驗對照組大鼠亦放入溫度相同的淺水中（水深至大鼠頸部）自由浸泡60分鐘；正常對照組大鼠則在籠中安靜飼養(yǎng)。

1.3 樣本采集

各組大鼠在運動組大鼠最后一次訓練24小時后宰殺。取大鼠股骨，去除附著的肌肉和結(jié)締組織，左股骨用生理鹽水浸透的紗布包裹，裝入錫箔紙中，放置于－30℃冰箱內(nèi)，待測結(jié)構(gòu)力學指標。

右股骨用10%甲醛溶液固定。將固定好的右股骨脫鈣：用5%硝酸浸泡36小時，然后用流水沖洗24小時，5%硝酸鈉處理24小時，再用流水沖洗24小時。常規(guī)脫水至100%酒精兩級。放入無水酒精松節(jié)油1∶1液中，初透明2～3小時，轉(zhuǎn)入純松節(jié)油兩級進行再透明（以透明為止）。

浸蠟：54℃～56℃硬蠟與液體石蠟 1∶1混合。64℃溫箱浸20～30min。轉(zhuǎn)入硬蠟54℃～56℃再浸10～15min，硬蠟包埋。取股骨骨骺和中間做沿矢狀面切片，切片厚度為5μm，將做好的切片放入45℃～50℃水浴鍋內(nèi)自然展平，撈出放入提籃內(nèi)，烘干。HE染色，用吸水紙吸干組織周邊之余液，滴加中性膠封片。待測組織形態(tài)指標。

1.4 測量參數(shù)

結(jié)構(gòu)力學指標測試［3，4］采用TLS-1000型彈簧拉壓試驗機（河北省第三醫(yī)院提供）對左側(cè)股骨進行三點抗彎曲試驗。記錄彈性載荷（Fe）、最大載荷（Fmax），斷裂載荷（Fb）、彈性橈度（De）、最大橈度（Dmax）、斷裂橈度（Db）、能量吸收（U）。

組織形態(tài)計量學參數(shù)：使用德國KONTRON IBAS2.0全自動圖像分析系統(tǒng)，包括VaricoCam冷凍圖像輸入儀和ZEISS Axiatron研究型顯微鏡和FMAIL－200病理圖像分析儀。骨片在距骺線1mm處至遠端4mm范圍內(nèi)進行骨組織形態(tài)參數(shù)測量。按文獻［3］測量方法和計算公式測量骨組織總面積、骨小梁總面積和骨小梁總周長，并計算分析骨小梁面積百分數(shù)（Tb.Ar%）、骨小梁厚度（Tb.Th）、骨小梁數(shù)量（Tb.N）、骨小梁分離度（Tb.Sp）。

1.5 統(tǒng)計學分析

所有實驗數(shù)據(jù)均采用SPSS11.5軟件進行統(tǒng)計學處理，測定結(jié)果均以平均數(shù)±標準差（）表示，同一指標不同組間比較采用單因素方差分析進行差異顯著性檢驗，顯著水平為P<0.05，非常顯著水平為P<0.01。

2 結(jié)果

2.1 股骨組織形態(tài)值比較

實驗后，各負重游泳組Tb.Ar%、Tb.N、Tb.Th較對照組、S0組顯著增加（P<0.01）；Tb.Sp較對照組顯著減少（P<0.01），S0組 Tb.Sp較 S6組顯著增加（P<0.05）；S0組與對照組相比較，Tb.N和Tb.Th均顯著增加，Tb.Sp顯著減少（P<0.01、P<0.05）；S6組 Tb.Ar%、Tb.N 較 S3組和S9組顯著增加（P<0.01、P<0.05），Tb.Th較 S9組顯著增加（P<0.05），S6組 Tb.Sp較 S9組顯著減少（P<0.01）。

表1 股骨組織形態(tài)測量值比較

2.2 股骨結(jié)構(gòu)力學的載荷指標比較

表2 股骨結(jié)構(gòu)力學的載荷指標比較

S6組 Fe顯著高于對照組和 S0組（P<0.05，P<0.01）；S3組和S6組Fmax均顯著高于安靜對照組（P<0.05，P<0.01），各組 Fmax均顯著高于 S0組（P<0.05），其中S3組和S6組差異非常顯著（P<0.01）；各負重游泳組Fb顯著高于S0組（P<0.01），S6組Fb顯著高于對照組（P<0.01）；S6組Fmax顯著高于S3組和 S9組（P<0.05，P<0.01），S6組 Fe顯著高于 S9組（P<0.05）。

2.3 股骨結(jié)構(gòu)力學中的橈度指標比較

S3組和 S6組 De、Dmax、Db均顯著高于對照組和S0組（P<0.05、P<0.01），其中 S0組均值低于對照組但無統(tǒng)計學意義；S9組De、Dmax、Db均顯著低于對照組和S0組（P<0.01）。各負重游泳組U均高于對照組和S0組（P<0.01）；S0組 U 顯著低于對照組（P<0.01）；S3組和S6組U顯著高于S9組（P<0.01）。

表3 股骨結(jié)構(gòu)力學的橈度指標和能量吸收比較

3 討論

Wolff定律指出，外部應力可以影響骨骼的形狀和結(jié)構(gòu)。適量運動可使生長期大鼠骨量增加。本研究結(jié)果顯示，負重游泳運動組股骨結(jié)構(gòu)參數(shù)中骨小梁面積百分比、骨小梁數(shù)量、骨小梁厚度、骨小梁分離度均顯著高于對照組，說明負重運動對骨結(jié)構(gòu)有較好的作用，其中6%體重負重游泳效果最好，3%體重負重游泳組效果次之。這說明在一定范圍內(nèi)，隨著負重的增加，對骨結(jié)構(gòu)好的影響增加，但超過一定范圍，這種影響會有所下降。運動對生長期骨結(jié)構(gòu)的作用結(jié)果不僅取決于動物年齡、運動時間或距離，更取決于運動時負荷的大小，尤其是阻力（重力）負荷［5］。骨骼對中低強度運動敏感性弱，中低強度運動對正常大鼠的骨礦含量、組織計量學參數(shù)及力學特征無影響。而本研究中，生長期大鼠負重3%的小強度游泳運動也在一定程度上改善了骨結(jié)構(gòu)。

骨組織是按力學原理組成其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)締組織，力學性能是評價骨質(zhì)量的重要指標。骨的結(jié)構(gòu)力學特性是指整個骨結(jié)構(gòu)的力學特性，主要反映骨的幾何形狀和尺寸大小的變化［5］。骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)和力學性能之間有良好的相關(guān)關(guān)系。有關(guān)運動對生長期骨結(jié)構(gòu)力學特性的研究報道為數(shù)較少。馬濤［6，7］等以 18只 4周齡 SD大鼠為實驗對象，比較游泳和跳躍兩種不同運動方式對生長期大鼠骨發(fā)育的影響，8周后測量所有大鼠的骨密度和骨生物力學指標，發(fā)現(xiàn)游泳對大鼠股骨骨密度和生物力學指標作用不明顯，跳躍對股骨骨密度和生物力學指標都有明顯的促進作用。步斌［8］的研究表明，每天30min的游泳訓練可以顯著增加腰椎最大載荷、屈服應力、最大應力、屈服應變和骨礦含量等，而對股骨，彈性模量、最大載荷、屈服應力、屈服應變、橫斷面積和骨礦含量均無明顯影響，并且最大應力、最大應變和能量吸收有下降趨勢。Raab等［9］發(fā)現(xiàn)年輕鼠骨生物力學特性提高較老齡鼠顯著。適宜的運動負荷可以提高生長期骨的力學性能，Hart等［10］的研究指出12周的游泳訓練使大鼠股骨力學性能明顯增強。最大載荷和產(chǎn)生破壞時所需吸收的能量是反映骨結(jié)構(gòu)力學特性的重要指標。最大載荷的變化反映骨小梁的質(zhì)量結(jié)構(gòu)連續(xù)性和皮質(zhì)厚度的改變。破壞時所吸收的能量更是載荷、形變、彈性模量和橫斷面變化關(guān)系的綜合反映，骨應力和應變參數(shù)是反映骨材料力學性能的指標。本實驗結(jié)果中的力學性能指標也表現(xiàn)出了與骨小梁結(jié)構(gòu)之間的正相關(guān)關(guān)系，在負重作用下，6%體重負重游泳組和3%體重負重游泳組結(jié)構(gòu)力學指標比對照組明顯增大，即隨著應力增大，骨的力學結(jié)構(gòu)發(fā)生了良性改變以適應應力的改變，但是9%體重負重游泳組結(jié)構(gòu)力學指標低于對照組，說明應力增大的良性影響是有一定限度的，超過這個限度就會有反作用，即破壞骨的結(jié)構(gòu)力學性能。

本研究采用負重游泳的方法對生長期大鼠進行不同強度訓練，比較不同強度訓練效果，運動強度由負重大小決定。無負重游泳組股骨組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)力學指標均顯著低于對照組，由于水的浮力作用，大鼠所承受的重力負荷顯著下降，可能導致股骨發(fā)生礦鹽丟失以及骨密度降低等病理改變。有假說［11］認為微重時細胞形態(tài)的改變導致了基因表達與功能變化，從而降低骨細胞活性，導致骨膠原形成異常。這與本實驗結(jié)果一致。3%和6%負重游泳改善了大鼠股骨的結(jié)構(gòu)力學性能，特別是6%負重中等強度游泳顯示出了良好的作用效果，這可能是負重及運動使肌肉的力量增加，對大鼠股骨產(chǎn)生了良好的應力效應。張林［12］的研究提出，肌肉強度和骨強度緊密相關(guān)。本研究顯示負重9%游泳組大鼠股骨橈度顯著減小，說明骨脆性增加，造成這種現(xiàn)象的原因可能是在大強度運動訓練的應激條件下，由于長期反復施加過度機械應力，造成骨分子的破壞積累而導致骨的微細結(jié)構(gòu)損傷。另外，通過神經(jīng)－體液內(nèi)分泌機制而使骨的成分發(fā)生改變，骨礦鹽含量降低、骨膠原纖維含量等骨基質(zhì)成分的變化，使大鼠股骨結(jié)構(gòu)和材料韌性降低，骨的質(zhì)量隨之下降，其具體生理、生化機制有待進一步研究證實。

［1］左群，于新凱，陸愛云.游泳運動對老年小鼠骨組織形態(tài)結(jié)構(gòu)和生物力學性能的影響.中國運動醫(yī)學雜志，2007，26（2）：228-230.

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