骨组织具有功能适应性,可以通过骨重建过程调整自身结构和质量分布以适应其周围力学环境。骨重建过程主要受力学因素调控,长期处于不正常力学环境下会导致骨形态结构异常,进而导致骨疾病发生,如骨性关节炎(Osteoarthritis,OA)和骨质疏松症(Osteoporosis,OP),降低了老年人的生活质量,并且给社会经济增加了沉重的负担。为了深入探索不同力学环境对骨结构的影响机制,本文采用定量骨重建理论结合有限元法,模拟不同力学环境对宏观和微观骨结构的影响,并对骨密度(Bone mineral density,BMD)和力学性能的变化进行定量分析,探讨力学因素与骨形态结构异常的关系,为临床上骨疾病的预防和治疗提供理论依据;采用实验方法研究了生长期雌性大鼠进行不同水平负重和负重跑步运动对多尺度骨属性的影响,从宏观-细观-微纳观不同尺度对比了骨宏观力学性能、微观结构及纳观材料属性的变化,探讨不同水平负重和负重跑步运动对骨形态结构和力学特性的影响。本研究有助于深入认识不同水平力学激励导致生长期大鼠骨骼在不同尺度的变化,为青少年期进行合理锻炼以增加骨强度提供理论依据。本文研究内容可分为以下三部分:第一部分,采用适应性定量骨重建理论结合有限元法,模拟不同力学环境下三维胫骨近端内部BMD的变化,探索力学环境与骨形态结构异常的关系。利用计算机断层扫描(Computed tomography,CT)获得右侧胫骨近端影像数据,在MIMICS 17.0软件中建立胫骨近端三维模型,导入到大型有限元软件ANSYS12.0中建立三维胫骨近端有限元模型,采用有限元法与定量骨重建理论相结合,首先对年轻人正常力学环境下三维胫骨近端内部结构进行模拟预测,为了验证模拟结果,在胫骨近端选择感兴趣区(Region of interest,ROI),对BMD进行定量分析,并与临床测量结果进行对比。模拟结果表明,年轻人正常力学环境下三维胫骨近端BMD的分布与临床测量正常胫骨近端结果一致,说明本研究采用的方法可以较为准确地模拟胫骨近端三维内部结构。验证模型的准确性之后,根据膝外翻胫骨平台上关节力变化规律,改变胫骨平台上的载荷分布,以正常胫骨近端模拟结果为初始结构,模拟预测了老年人膝外翻6°后三维胫骨近端内部结构。在胫骨近端选取ROI对BMD进行定量分析,并与临床测量结果进行对比,结果表明,膝外翻后胫骨近端BMD分布与临床上OA患者测量结果一致。可见力学环境的变化是导致OA的重要原因之一,长期处于不正常力学环境可能会导致OA的发生。此外,本文采用的方法可以较为准确地模拟不同力学环境下三维胫骨近端内部结构,有助于更好地理解OA的发病机制,还可以为OA的早期预防与诊断提供理论依据,是进一步研究全膝关节置换后假体周围骨吸收的基础,并为假体的优化设计提供理论依据。第二部分,探索女性由于老龄和绝经导致骨量和松质骨微结构及力学性能的变化。采用细观水平定量骨重建理论与有限元法相结合,模拟6种不同工况下三维松质骨微结构的变化,同时计算松质骨微结构的力学性能。这6种工况包括:(1)板状松质骨微结构的形成;(2)杆状松质骨微结构的形成;(3)载荷方向发生变化;(4)骨小梁断裂后结构变化模拟;(5)板状结构退化穿孔;(6)女性老龄化过程中松质骨微结构变化。结果表明,活动量减小48.48%导致松质骨微结构形态参数骨体积分数(Bone volume fraction,BV/TV)、骨小梁厚度(Trabecular bone thickness,Tb.Th)分别减小52.44%和55.79%,而骨小梁分离度(Trabecular bone separation,Tb.Sp)增大2倍,此时结构表观弹性模量和表观屈服强度分别降低了70.37%和74.09%。当发生微损伤时,松质骨微结构形态参数和表观弹性模量并未发生明显变化和降低,但是当力学激励阈值提高16.67%时,表观屈服强度降低了13.86%。对于女性,在40岁到60岁的20年时间里,由于绝经和老龄的共同作用,其松质骨微结构形态参数BV/TV和Tb.Th分别减小了14.00%和23.96%,而Tb.Sp则增大了23.16%,此时表观弹性模量和表观屈服强度分别降低了24.92%和25.23%。可见,老龄导致了骨量流失,而雌激素缺乏加速了与老龄有关的骨流失,与此同时,松质骨微结构退化,松质骨微结构强度大大降低,从而增加了骨折的风险。本研究模拟了由力学因素和生物学因素共同作用导致的松质骨微结构变化,并对这种变化进行定量分析,可以为临床上预防和治疗由于老龄和绝经导致的骨量流失提供理论依据,及为其他骨疾病如废用导致的OP的治疗提供帮助。第三部分,深入探索不同水平力学激励对生长期骨骼不同尺度属性的影响,将96只1月龄雌性Wistar大鼠随机分为对照组、负重12%组、负重19%组、负重26%组、跑步运动组、负重12%跑步运动组、负重19%跑步运动组、负重26%跑步运动组。对其进行中等强度的跑步运动训练,速度为12 m/min,15 min/天,7天/周。8周实验后处死,取血液离心后获得血清检测其碱性磷酸酶和抗酒石酸酸性磷酸酶,评估其成骨和破骨细胞活性;取大鼠股骨进行多尺度实验研究,对股骨干皮质骨进行三点弯曲力学试验、微型计算机断层扫描(Micro-computed tomography,Micro-CT)、纳米压痕测试、化学成分分析及扫描电镜观测,对皮质骨宏观力学性能、三维微观结构、纳观力学性能、钙、磷含量及股骨干皮质骨横向断裂面微观形貌进行检测和观察;对股骨头松质骨进行Micro-CT扫描、荧光测试和纳米压痕力学测试,评估其三维微观结构、骨矿化沉积率和骨形成速率,及纳观力学性能。结果表明,在生长期进行负重和负重跑步运动未能显著增大雌性大鼠皮质骨密度和松质骨密度;低水平负重跑步运动能够显著改善松质骨微观结构;负重为中等和高水平时,尚未发现跑步运动对松质骨微观结构有积极作用,且无论是否进行跑步运动,松质骨微观结构退化程度都随负重水平增加而增加。皮质骨各个尺度性能均发生变化,虽然负重和负重跑步运动未显著增加股骨宏观强度,但在微观尺度,无负重跑步运动组(ex组)、低水平负重组(eb12组和wb12组)和中等水平负重组(eb19组和wb19组)显著改善了皮质骨横向断裂面胶原纤维排列;在纳观尺度,低水平负重跑步运动组(eb12组)和中等水平负重跑步运动组(eb19组)显著改善了皮质骨纳观材料力学性能。本研究结果有助于进一步认识生长期大鼠骨骼在不同尺度的变化,可以为人类在青少年期进行合理锻炼以提高骨质量提供理论指导。