劉建宇

運動對去卵巢大鼠股骨生物力學(xué)性能影響的實驗研究

劉建宇

目的：探討運動對去卵巢大鼠股骨生物力學(xué)性能的影響。方法：將96只3月齡雌性大鼠按體重隨機分成假手術(shù)組（Sham組）、造模組（Model組）、己烯雌酚組（DES組）、運動組（EX組），每組24只，假手術(shù)組僅切除卵巢附近一團脂肪，其余各組均切除雙側(cè)卵巢。術(shù)后按不同要求灌胃給藥和運動，按批次分別于8周、12周和16周后處死大鼠，每次每組8只，對各組大鼠左側(cè)股骨進行生物力學(xué)性能檢測，統(tǒng)計分析各組數(shù)據(jù)。結(jié)果：運動組能明顯提高去卵巢大鼠股骨的生物力學(xué)性能，且隨干預(yù)時間延長效果明顯。結(jié)論：合理的運動能減少去卵巢大鼠骨質(zhì)丟失，減緩骨質(zhì)量的降低速度，防治骨質(zhì)疏松癥。

運動；干預(yù)時長；骨質(zhì)疏松癥；生物力學(xué)；骨質(zhì)量

絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥是一種臨床上常見的難治性疾病，目前應(yīng)用的藥物治療由于價格較昂貴，治療周期長且副作用多，使用有一定限制，而應(yīng)用非藥物手段預(yù)防或延緩骨丟失的治療手段，因其更安全、方便、經(jīng)濟，而且療效顯著，越來越受到相關(guān)學(xué)者重視。本實驗通過運動干預(yù)的方法，觀察運動去卵巢大鼠骨質(zhì)疏松癥股骨生物力學(xué)性能的影響，探討運動與防治原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥療效的關(guān)系，并進一步探討其機理。

1 研究材料與方法

1.1 實驗藥物

己烯雌酚片，由上海信誼藥業(yè)有限公司生產(chǎn)，批號：030401。

1.2 實驗動物

雌性SD 大鼠96只，3月齡，體重（240±20）g，四川大學(xué)實驗動物中心提供。所有大鼠自由進食、飲水，進食標(biāo)準(zhǔn)飼料由四川大學(xué)實驗動物中心提供。

1.3 造模方法

所有大鼠按體重隨機分為甲、乙兩組，其中甲組24只為假手術(shù)組（Sham組），乙組72只為手術(shù)組。以1%的硫賁妥鈉溶液按2.4 mL/kg體重進行腹腔注射麻醉。乙組大鼠切除雙側(cè)卵巢，甲組大鼠術(shù)式同甲組，進入腹腔后僅切除雙側(cè)卵巢附近脂肪各一小塊。術(shù)后予0.5%碘伏外擦傷口，右下肢肌肉每日注射青霉素鈉25萬單位/只，每日一次，自術(shù)后起共用3天。

1.4 分組

術(shù)后7天，觀察各組大鼠傷口愈合良好，將乙組72只大鼠按體重隨機分為造模組（Model組）、己烯雌酚組（DES組）和運動組（EX組），每組24只。

1.5 干預(yù)措施

DES組大鼠按每天22.5 μg/kg的量給予己烯雌酚灌胃，每日1次，其余各組按體重灌服等量生理鹽水。EX組運動干預(yù)參照Bedford的動物負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)[1]，于術(shù)后第7日起在小動物跑臺上開始訓(xùn)練，采取中等強度，即大鼠起始跑速12 m/min，持續(xù)時間20 min，隔日增加強度3 m/min，持續(xù)時間增加10 min，第2周起跑速達(dá)20 m/min，持續(xù)60 min，將跑臺傾斜5°，維持此強度，每周5天，每天運動分早晚2次。休息日各組照常灌藥（水）。

1.6 標(biāo)本收集及處理

分別于第8周末、12周末和16周末應(yīng)用股動脈放血方法隨機處死每組大鼠8只，完整取出大鼠左側(cè)股骨，去除表面軟組織。各標(biāo)本制取過程中用生理鹽水紗布包裹以保持其濕潤。骨標(biāo)本置于-20℃冰箱保存，測試前夜取出解凍。

作者單位：重慶三峽學(xué)院體育學(xué)院，重慶404000。

1.7 觀測指標(biāo)

股骨生物力學(xué)測試采用三點彎曲實驗。將股骨標(biāo)本置于Instron萬能材料試驗機（美國Instron Co．生產(chǎn)）上進行測試，跨距20 mm，加載速度2 mm/min，記錄其載荷—變形曲線與應(yīng)力—應(yīng)變曲線。股骨的結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)根據(jù)載荷—變形曲線獲得，材料力學(xué)參數(shù)根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變曲線獲得。

1.8 數(shù)據(jù)處理

測定所得數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS12．0統(tǒng)計軟件進行分析處理，參數(shù)值以±S表示，用單因素方差分析對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，顯著性水準(zhǔn)取α=0．05，極其顯著性水準(zhǔn)取α=0．01。實驗者均經(jīng)過正規(guī)培訓(xùn)，采用盲法評估。

2 實驗結(jié)果與分析討論

2.1 第8周各組生物力學(xué)參數(shù)

2.1.1 第8周各組股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù) 與Model組比較，DES組及Sham組的最大載荷、破斷載荷、結(jié)構(gòu)剛度均明顯增高，差別具有顯著性（P＜0．05），能量吸收增加不明顯，差別不顯著（P＞0．05），EX 組結(jié)構(gòu)剛度增加明顯，差別具顯著性（P＜0．05），其他各項增加不明顯，差別不顯著（P＞0．05）；與 Sham 組比較，DES組在上述指標(biāo)上均無明顯變化，差別不顯著（P＞0．05）；與DES組比較，EX組最大載荷和結(jié)構(gòu)剛度降低明顯，差別具顯著性（P＜0．05）（見表1）。

表1 第8周各組大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.1 The femur's structural mechanics parameters of each group rats at the 8th week

表1 第8周各組大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.1 The femur's structural mechanics parameters of each group rats at the 8th week

注：與 Model組比較，*P＜0.05；與 DES 組比較，△P＜0.05。

/N·mm-1能量吸收/N·mm-1Sham 110.54±17.32＊96.02±14.77＊226.53±32.19＊61.16±8.30 Model 101.53±9.87 84.75±8.34 190.75±23.77 56.12±6.73 DES 109.67±16.39＊95.35±14.20＊224.27±27.00＊58.54±8.76 EX 102.43±15.01△88.54±12.34 201.31±30.71＊△56.15±7.55組別 最大載荷/N 破斷載荷/N 結(jié)構(gòu)剛度

2.1.2 第8周各組股骨材料力學(xué)參數(shù) 與Model組比較，EX組、DES組及Sham組股骨材料力學(xué)參數(shù)中彈性模量、極限強度及破斷強度增加，差別具有顯著性（P＜0．05），最大應(yīng)變和破斷應(yīng)變減小，差別具有顯著性（P＜0．05）；與 Sham 組比較，DES 組彈性模量、極限強度、破斷強度均降低，但無顯著性差別（P＞0．05），最大應(yīng)變和破斷應(yīng)變均增高，其中EX組最大應(yīng)變差別具有顯著性（P＜0．05），其余無顯著性差別（P＞0．05）；與 DES 組比較，EX組上述指標(biāo)差別均不顯著（P＞0．05）（見表 2）。

表2 第8周各組大鼠股骨材料力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.2 The femur's material mechanics parameters of each group rats at the 8th week

表2 第8周各組大鼠股骨材料力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.2 The femur's material mechanics parameters of each group rats at the 8th week

注：與 Model組比較，＊P＜0.05；與 Sham 組比較，#P＜0.05。

組別 彈性模量3.90±0.67＊Model 4 882.90±/MPa極限強度/N·mm-2破斷強度/N·mm-2最大應(yīng)變/%破斷應(yīng)變/%Sham 5 381.21±543.02＊115.85±5.12＊94.56±36.01＊2.38±0.34＊678.7892.19±13.7872.21±13.762.50±0.214.55±0.75 DES 5 328.97±841.04＊3.96±0.56＊EX 5 108.36±543.01＊113.29±40.33＊94.01±32.44＊2.41±0.24＊107.07±21.02＊84.88±14.79＊2.47±0.46＊#4.21±0.44＊

2.2 第12周各組生物力學(xué)參數(shù)

2.2.1 第12周各組股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù) 與Model組比較，DES組和Sham組的最大載荷、破斷載荷和結(jié)構(gòu)剛度極明顯增高，差別具極其顯著性（P＜0．01），能量吸收明顯增加，差別具顯著性（P＜0．05）；與Model組比較，DE組上述各指標(biāo)增加，差別具顯著性（P＜0．05）；與Sham組比較，EX組及DES組在上述指標(biāo)上均無明顯變化，差別不顯著（P＞0．05），但DES組在數(shù)值上更接近Sham組；與DES組比較，EX組上述各指標(biāo)下降，但差別不具顯著性（P＞0．05）（見表 3）。

表3 第12周各組大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.3 The femur's structural mechanics parameters of each group rats at the 12th week

表3 第12周各組大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.3 The femur's structural mechanics parameters of each group rats at the 12th week

注：與 Model組比較，*P＜0.05，#P＜0.01。

/N·mm-1能量吸收/N·mm Sham 110.43±19.59#95.28±14.48#224.57±34.85#60.16±8.61＊Model 94.34±9.90 82.83±8.53 187.76±24.16 53.30±6.26 DES 108.99±18.79#94.50±15.28#221.20±27.42#58.40±8.56＊EX 106.39±14.11＊93.63±11.54＊215.34±34.21＊56.02±7.02＊組別 最大載荷/N 破斷載荷/N 結(jié)構(gòu)剛度

2.2.2 第12周各組股骨材料力學(xué)參數(shù) 與Model組比較，EX組、DES組及Sham組股骨材料力學(xué)參數(shù)中彈性模量、極限強度及破斷強度增加，差別具有顯著性（P＜0．05），最大應(yīng)變和破斷應(yīng)變減小，差別具有顯著性（P＜0．05）；與 Sham 組比較，DES 組彈性模量、極限強度、破斷強度均降低，最大應(yīng)變和破斷應(yīng)變均增高，但無顯著性差別（P＞0．05）；與 DES組比較，EX 組彈性模量、極限強度及破斷強度降低，最大應(yīng)變和破斷應(yīng)變均增高，但差別均不顯著（P＞0．05）（見表 4）。

表4 第12周各組大鼠股骨材料力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.4 The femur's material mechanics parameters of each group rats at the 12th week

表4 第12周各組大鼠股骨材料力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.4 The femur's material mechanics parameters of each group rats at the 12th week

注：與 Model組比較，*P＜0.05

/MPa極限強度/N.mm-2破斷強度/N.mm-2最大應(yīng)變/%破斷應(yīng)變/%Sham 5382.04±557.11＊組別 彈性模量114.67±4.24＊93.95±26.97＊ 2.39±0.23＊3.88±0.75＊Model 4827.92±684.5387.16±11.9969.26±13.022.58±0.43＊4.58±0.98 DES 5375.94±841.04＊113.26±41.55＊92.89±37.42＊ 2.45±0.28 3.94±0.96＊EX 5296.30±551.07＊111.85±20.68＊88.80±15.75＊ 2.46±0.31＊4.01±0.91＊

2.3 第16周各組生物力學(xué)參數(shù)

2.3.1 第16周各組股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù) 與Model組比較，Sham組、DES組和DE組的最大載荷、破斷載荷和結(jié)構(gòu)剛度極明顯增高，差別具極其顯著性（P＜0．01），Sham組能量吸收極明顯增加，差別具極其顯著性（P＜0．01），DES組和DE組能量吸收明顯增加，差別具顯著性（P＜0．05）；與Sham組比較，EX 組及 DES組在上述指標(biāo)上均無明顯變化，差別不顯著（P＞0．05）；與DES組比較，EX組上述各指標(biāo)增高，但差別不具顯著性（P＞0．05）（見表 5）。

2.3.2 第16周各組股骨材料力學(xué)參數(shù) 與Model組比較，EX組、DES組及Sham組股骨材料力學(xué)參數(shù)中彈性模量、極限強度及破斷強度明顯增加，差別具有極其顯著性（P＜0．01），最大應(yīng)變和破斷應(yīng)變明顯減小，差別具極其顯著性（P＜0．01）；與Sham組比較，DES組彈性模量、極限強度、破斷強度均降低，最大應(yīng)變和破斷應(yīng)變均增高，但無顯著性差別（P＞0．05）；與 DES 組比較，EX組彈性模量、極限強度及破斷強度增高，最大應(yīng)變和破斷應(yīng)變均降低，但差別均不顯著（P＞0．05）（見表 6）。

表5 第16周各組大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.5 The femur's structural mechanics parameters of each group rats at the 16th week

表5 第16周各組大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.5 The femur's structural mechanics parameters of each group rats at the 16th week

注：與 Model組比較，*P＜0.05#P＜0.01（下同）。

/N·mm-1能量吸收/N·mm-1Sham 111.47±15.76#96.24±14.85#225.54±33.43#60.98±8.46#Model 88.54±9.90 79.24±9.10 180.71±24.63 49.37±7.19 DES 106.99±15.32#92.67±16.20#218.77±23.52#56.47±7.64＊EX 107.79±12.61#92.98±13.40#219.46±25.33#58.87±8.12＊組別 最大載荷/N 破斷載荷/N 結(jié)構(gòu)剛度

表6 第16周各組大鼠股骨材料力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.6 The femur's material mechanics parameters of each group rats at the 16th week

表6 第16周各組大鼠股骨材料力學(xué)參數(shù)（n=8，±S）Tab.6 The femur's material mechanics parameters of each group rats at the 16th week

3.87±0.65#Model 4 753.99±/MPa極限強度/N.mm-2破斷強度/N.mm-2最大應(yīng)變/%破斷應(yīng)變/%Sham 5 385.78±組別 彈性模量562.35#115.87±4.54#94.77±27.73#2.39±0.30#656.5781.17±14.9765.21±16.532.67±0.414.61±0.57 DES 5 369.92±855.07#3.98±0.96#EX 5 377.30±577.78#111.28±37.03#92.03±32.67#2.44±0.26#112.55±18.60#92.45±17.71#2.43±0.34#3.93±0.88#

導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的機理不僅是骨量的下降，同時還與骨體積、皮質(zhì)骨厚度及松質(zhì)骨小梁結(jié)構(gòu)等因素有密切關(guān)系。因此僅從“量”的角度衡量骨質(zhì)疏松相關(guān)診斷、療效評價等并不能真正直接反映骨的內(nèi)在性能，而從“質(zhì)”的角度對骨骼性能進行描述，綜合性概括骨的成分、構(gòu)筑狀態(tài)及細(xì)微結(jié)構(gòu)，即目前越來越受到重視的“骨質(zhì)量”已得到多數(shù)學(xué)者的支持。有資料表明，骨構(gòu)成成分改變（如骨鹽丟失），以及骨細(xì)微結(jié)構(gòu)變化或破壞（如顯微骨折、骨小梁減少或變薄及其空間結(jié)構(gòu)變化等）是導(dǎo)致骨的力學(xué)性能下降的重要原因，骨的生物力學(xué)性能變化則是骨質(zhì)量變化的直接反映[2-6]。因此，對骨質(zhì)疏松性癥防治和機理研究，必須更加重視骨質(zhì)疏松骨生物力學(xué)變化的影響，本實驗即選用骨生物力學(xué)性能，如此評價防治骨質(zhì)疏松癥效果更準(zhǔn)確，更有說服力。

雌激素替代療法是臨床上防治絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的主要方法之一，雌激素可抑制骨質(zhì)疏松癥患者的骨轉(zhuǎn)換率[7]。本實驗中，各時間段DES組大鼠股骨生物力學(xué)指標(biāo)較Model組均有顯著變化（P＜0．05 或 P＜0．01），與 Sham 組差別無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05），說明雌激素能顯著改善去卵巢大鼠股骨生物力學(xué)性能。楊國敏報道單純應(yīng)用雌激素進行替代治療雖可使去卵巢大鼠骨生物力學(xué)性能有所改善，但骨脆性較高[8]。目前，臨床上單純應(yīng)用雌激素防治骨質(zhì)疏松癥還存在，但因其對心血管系統(tǒng)及乳腺、子宮的毒副作用，具有一定的局限性[7]。本實驗中觀察到應(yīng)用雌激素的大鼠體型肥胖、毛發(fā)光澤度低、飲食差、稀便、易激惹等類似絕經(jīng)期及絕經(jīng)后婦女某些癥狀，亦說明其副作用明顯。

2.4 運動組各批次生物力學(xué)參數(shù)

2.4.1 運動組各批次股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù) 與第8周比較，第12周、第16周最大載荷、破斷載荷、結(jié)構(gòu)剛度及能量吸收均無顯著性差別（P＞0．05），但隨著時間推移，各組數(shù)值呈現(xiàn)上升趨勢。（見圖 1）。

2.4.2 運動組各批次股骨材料力學(xué)參數(shù) 與第8周比較，第12周、第16周彈性模量、極限強度、破斷強度、最大應(yīng)變及破斷應(yīng)變均無顯著性差別（P＞0．05），但隨著時間推移，彈性模量、極限強度、破斷強度數(shù)值呈現(xiàn)上升趨勢，最大應(yīng)變和破斷應(yīng)變數(shù)值下降趨勢（見圖2）。

圖1 運動組各時段大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)變化趨勢Chart 1 The variation trend of the femur's structural mechanics parameters of exercise group rats

圖2 運動組各時段大鼠股骨材料力學(xué)參數(shù)變化趨勢Chart 2 The variation trend of the femur's material mechanics parameters of exercise group rats

運動作為預(yù)防骨質(zhì)疏松的一種手段，在實驗及臨床研究中已經(jīng)越來越受到相關(guān)學(xué)者重視。大量研究證明中等強度的運動有利于骨量、骨強度及骨生物力學(xué)性能的提高[8-9]。本實驗結(jié)果顯示，各時間段EX組大鼠生物力學(xué)性能較Model組均有顯著變化（P＜0．05 或 P＜0．01），與 Sham 組差別無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05），亦說明中等強度的運動能顯著改善去卵巢大鼠股骨生物力學(xué)性能。EX組在提高去卵巢大鼠生物性能方面與DES組相比無統(tǒng)計學(xué)差別（P＞0．05），說明運動在防治骨質(zhì)疏松方面與雌激素效果相當(dāng)，這與楊國敏等報道的運動優(yōu)于雌激素不盡相同[8]。

運動對骨生物力學(xué)性能影響與運動強度、運動方式及運動時間都有重要關(guān)系。骨骼對運動的生物力學(xué)適應(yīng)性本質(zhì)上是骨骼系統(tǒng)對機械力信號（應(yīng)力）的應(yīng)變，即wolff定理。運動產(chǎn)生的力學(xué)信號可以通過細(xì)胞骨架的變形而轉(zhuǎn)化為生化信號，從而啟動一系列生化反應(yīng)。中等運動負(fù)荷及強度會誘導(dǎo)骨量增加和骨結(jié)構(gòu)改善，運動通過對機體的整體調(diào)節(jié)作用，具有促進骨形成和抑制骨吸收的雙重作用[10-14]。沿長軸力學(xué)刺激對承重骨的影響明顯，魏兆松等報道跑步運動對改善大鼠的股骨力學(xué)性能比游泳更有意義[15]。Kohrt等報道39名絕經(jīng)期婦女經(jīng)過11個月耐力訓(xùn)練（慢跑、登梯），結(jié)果顯示受試者Ward's三角骨密度較訓(xùn)練前顯著增加[16]。本實驗采用速度20 m/min、坡度5°的中等強度跑步訓(xùn)練，符合沿股骨長軸力學(xué)刺激原理，且與Kohrt的人體耐力訓(xùn)練方式、強度基本一致，結(jié)果亦相似，故認(rèn)為本實驗所采用的運動防治骨質(zhì)疏松癥方法可應(yīng)用于人體。在將此方法應(yīng)用于人體時應(yīng)考慮到患病人群多為中老年人，宜采用步行、慢跑、登梯、劃船、持舉啞鈴等運動方式、50%～60%VO2max的運動強度。運動時間方面，目前運動時長對改善骨質(zhì)疏松骨生物力學(xué)性能的相關(guān)報道未查閱到。本實驗中，隨著運動干預(yù)時間的延長，去卵巢大鼠股骨生物力學(xué)性能呈改善方向變化，雖然并不具有統(tǒng)計學(xué)差異，但此種改善趨勢一定程度說明時間干預(yù)長短與骨生物力學(xué)改善呈相關(guān)性，這也為進一步研究運動干預(yù)時間的確定提供了方向。

總之，運動可通過改善骨生物力學(xué)性能，從而防治骨質(zhì)疏松癥。運動干預(yù)療效顯著，較藥物干預(yù)更方便、經(jīng)濟，而且老年人由于身體協(xié)調(diào)性和平衡性降低，易跌倒而致骨折，而運動可增加肌強度、協(xié)調(diào)性和平衡性，增強機體的靈活性、穩(wěn)定性，減少跌倒、碰撞機會，從而減少骨質(zhì)疏松患者骨折的危險。

3 結(jié) 論

（1）合理的運動干預(yù)能有效抑制去卵巢大鼠股骨生物力學(xué)性能下降，減少骨質(zhì)丟失，減緩骨質(zhì)量的降低速度，防治骨質(zhì)疏松癥。（2）隨運動防治骨質(zhì)疏松癥干預(yù)時間延長，效果提升，實驗結(jié)果雖無統(tǒng)計學(xué)意義，但明顯呈現(xiàn)改善趨勢。差異不顯著可能與時長不夠有關(guān)，有待進一步研究。（3）運動是防治骨質(zhì)疏松癥非藥物療法的重要手段，優(yōu)勢明顯，可作為臨床防治骨質(zhì)疏松癥的選擇。

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Experiment of the Effect of Exercise on Femur Biomechanical Osteoporosis in Ovariectomized Rats

LIU Jianyu
（School of PE，Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404000，China）

Objective：The purpose was to study the effects of exercise on osteoporosis （OP）in ovariectomized rats by biochemical index of the femur.Method：96 female SD rats were divided into 4 groups，twelve rats a group：sham operation （Sham），ovary resection （Model），Diethylstilestrol（DES）and exercise （EX）.A piece of fat was cut on Sham and the uterus was cut on other groups.Each group was fed according to various demands after operation.Next step wa to compare with the results of each group after 8 weeks，12 weeks and 16 weeks.The results include the biochemical index of the left femur and the third vertebrae body.Result：Exercise could improve significantly the femur biochemical quality of ovarietomized rats，and the longer the inventation，the effects were more significant.Conclusion：Appropriate exercise could inhibit the bone mass lose，and slow down the bone quality descent，and prevention and treatment of osteoporosis.

exercise；length of intervention；osteoporosis；biomechanics；bone quality

G 804.5

A

1005-0000（2010）06-0537-04

2010-07-27；

2010-10-14；錄用日期：2010-10-18

四川省中醫(yī)藥管理局基金資助項目（項目編號：200267）

劉建宇（1978-），男，湖南岳陽人，講師，研究方向為運動醫(yī)學(xué)。