新品应用|骨骼微损伤修复的奥秘：力学加载如何加速溶质运输？

您是否想过，骨骼在承受日常活动压力时产生的微小损伤是如何快速修复的？研究发现，骨骼中的“弥散性基质损伤”(一种亚微米级的微裂纹)能在两周内高效自我修复，而这一过程与重复力学加载密切相关。

众所周知，由生理负荷或疲劳负荷引起的“磨损”可导致骨骼基质微损伤的形成与积累，若未能及时有效修复，可能最终引发脆性骨折。在动物和人类的骨骼中，已明确识别出两种主要类型的微损伤：一类是出现在常受剪切或压缩应力区域的线性微裂纹(通常长度为50–100mm)；另一类则是在主要承受拉伸应力区域形成的弥漫性损伤，其特征为由多个亚微米级基质裂纹(<1mm)组成的损伤簇。类似于工程复合材料(如纤维增强塑料)，骨骼在反复的次极限循环载荷作用下易产生弥漫性损伤，而更高强度的载荷则更易引发线性微裂纹。这两种在形态学上存在显著差异的损伤类型似乎会激活骨骼不同的修复机制，以恢复骨骼的力学完整性。

为了研究这两种“弥散性基质损伤”能在两周内高效自我修复过程的相应机制，在本文中我们将通过力学测试和荧光技术，揭示溶质运输在修复过程中的关键作用，并通过活体力学实验探究骨细胞周围基质(PCM)在机械负荷下对骨适应性的调控作用。

研究采用牛骨皮质薄片(50×4×0.2mm3)，通过循环拉伸加载(峰值45N)在V型缺口根部诱导扩散性损伤(表现为不透明区域)。利用荧光恢复漂白技术(FRAP)测量小分子荧光示踪剂(钠荧光素，376Da)在损伤与未损伤区域的运输速率，并比较不同拉伸负荷(0.2N、10N、20N、30N)下的运输变化(图1)。

图1：离体测试样品制备以及循环拉伸加载

使用ElectroForce活体夹具对3.5月龄小鼠胫骨施加周期性压缩负荷(图2)，右胫骨施加轴向压缩负荷，左胫骨作为非负荷对照，通过荧光标记(钙黄绿素)观察骨形成响应。通过不同的峰值负载，频率以及施加周期对小鼠胫骨进行实验。

图2：使用ElectroForce活体夹具对小鼠胫骨施加周期性载荷

牛骨薄片在拉伸载荷作用下，钠荧光物质传输速率的比较，参考图3。对于每一个样品在加载状态下，受损区域的平均运输速率明显高于未受损区域。未受损区域的运输速率不会随着载荷的增加而变化。相比之下，在20N的载荷下(小的零载荷为0.2N)，受损区域的运输速率明显高于未加载状态。而拉伸载荷的增大对牛骨中弥漫性基质损伤部位孔隙传输有着明显的增强作用，这个可能是由于拉伸使微裂纹张开，形成更多运输通道导致的。

图3：不同载荷下钠荧光物质传输速率比较

图4：传输速率随着拉伸载荷的增大而增大

图5揭示了，通过对胫骨施加轴向压缩载荷(峰值载荷8.5N，频率4Hz，每次持续5min，共进行5次，总计10天)显著提高了对照组小鼠胫骨在加载状态下的刚度和极轴惯性矩，这得益于提高了矿物质沉积率和骨形成率。

图5：3.5月龄的小鼠在进行轴向压缩加载后相应实验结果

本文通过实验证实了重复力学加载对扩散性微损伤区域的溶质运输增强作用，并揭示了拉伸负荷的协同作用。这一发现为理解骨骼的高效自我修复机制提供了新视角，可能为开发针对微损伤的干预策略(如力学刺激疗法)奠定基础。同时活体力学实验揭示了PCM纤维密度对骨机械适应性的关键作用，为理解骨修复机制和开发靶向干预策略提供了重要依据。

图6：全新一代ElectroForce Apex 1

全新一代的ElectroForce Apex 1机械性能测试仪可以配置拉伸以及活体夹具来完成以上生物力学实验。其全新设计的动磁式电机，具有更大行程(100mm)，更加开放的测试空间、丰富的产品配件以及全新的控制系统可轻松进行测试设置。可以让研究人员、工程师和技术人员在进行简单的培训后迅速掌握设备操作，更加快速的来完成相应的生物力学试验。

1. Wang B, et al. (2017). J Orthop Res.

2. Wang B, et al. (2014). J Bone Miner Res.

本文由的章曙撰写，相关材料数据由重庆医科大学王彬老师提供。