骨质疏松症是老年人常见疾病,以骨量降低、骨组织微观结构破坏、易发生脆性骨折为主要特征。骨折会大幅度降低老年人的生活质量,增加死亡率。选择合适的活动强度(力学环境)可以提高青壮年时期峰值骨量,延缓老龄时期骨质疏松症的发生进程。因此,迫切需要确定力学环境与骨质量关系,为提高青壮年时期峰值骨量提供指导意见。本研究的主要目的是:研究不同力学环境下长骨功能适应性响应,分析力学刺激与骨质量关系,为防治骨质疏松症、推进力学刺激提高骨量的研究提供理论依据。本文包括以下3个部分:(1)探究不同强度的跑步运动对青壮年雄性大鼠长骨功能适应性和肌肉性能的影响。不同强度跑步运动产生的力学环境不同,选取48只5月龄雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠平均分为4组:无跑步对照组(0m/min,SED组);跑步强度12m/min组(EX12组);跑步强度16m/min组(EX16组);跑步强度20m/min组(EX20组)。实验4周后,处死大鼠,取双侧股骨进行显微计算机断层(Micro computed tomorgraphy,Micro-CT)扫描评估其三维微观结构;三点弯曲力学实验和纳米压痕力学实验测量股骨宏观和纳观力学性能;拉伸力学实验评估比目鱼肌力学性能;酶联免疫吸附法检测血清中碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase,ALP)和抗酒石酸酸性磷酸酶(Tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)含量,分析骨形成和骨吸收能力。结果表明,不同强度跑步运动对长骨质量影响不一致。在本部分研究中,经过4周的跑步运动,三种强度中12m/min能显Bucladesine分子量著改变骨的微观结构和力学特性,显著提高比目鱼肌的极selleck Ipatasertib限载荷。本部分研究为成年男性选取合适的力学环境以提升骨量提供理论依据。(2)探究不同强度峰值应变和实验时长的力学刺激对青壮年雌性大鼠胫骨功能适应性的影响。选取60只5月龄雌性SD大鼠平均分为6组:低应变水平短周期组(10N,2周;LS组);低应变水平长周期组(10N,4周;LL组);中应变水平短周期组(20N,2周;MS组);中应变水平长周期组(20N,4周;ML组);高应变水平短周期组(40N,2周;HS组);高应变水平长周期组(40N,4周;HL组)。每组实验结束后,对双侧胫骨进行Micro-CT扫描,分析其三维微观结构;取中段皮质骨进行压缩实验,评估其压缩力学性能;最后选取胫骨近端进行骨组织苏木精和伊红染色(Hematoxylin-eosin,HE)和ALP/TRAP染色,分析其微观结构以及观测成骨细胞和破骨细胞数量。结果表明,高水平应变可以在短时间内显著刺激胫骨松质骨和皮质骨发生成骨响应。但是中应变水平下,延长实验时长也能显著改善骨的微观结构、提高骨宏观力学性能、增加成骨细胞数量,达到改善骨质量的目的。本部分研究深入探讨了不同强度峰值应变和实验时长对胫骨的功能适应性影响,为通过力学刺激提高骨质量、预防老龄骨相关疾病的研究提供了理论基础。(3)探究过载力学环境对大鼠胫骨的微损伤累积过程以及骨多尺度性能的影响。选取60只5月龄雌性SD大鼠平均分为3组:短期过载组(3000με,7天;G7组)、中期过载组(3000με,14天;G14组)和长期过载组(3000με;30天;G30组)。实验结束后,取胫骨进行Micro-CT扫描,检测其三维微观结构,然后进行三点弯曲力学实验、准静态断裂韧性力学实验以及蠕变力学实验,评估其弹塑性力学特性、断裂韧性力学特性与粘弹性力学特性,利用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)观察其断裂面形貌特征;最后取胫骨近端干骺端以及骨干中段进行品红染色和骨组织ALP/TRAP染色,统计其微损伤参数以及成骨细胞和破骨细胞数量。结果表明,相较于自身对照组,在轴向循环过载作用下,3个过载组的松质骨和皮质骨微观结构参数和BMD均发生不同程度的退化,退化程度和实验时长有关;SEM结果也发现,过载导致皮质骨晶体结构杂乱,细长的微裂纹夹杂其中,而松质骨断裂面出现大量断裂纤维,以及较大的晶体脱落。在力学性能方面,3组胫骨皮质骨的弹塑性、断裂韧性和immunity innate粘弹性下降,其中G30组损伤最为严重;微损伤的累积主要发生在疲劳加载的前14天,即裂纹密度在第14天时达到峰值,在加载的第14天也观察到了成骨细胞数量显著减少,破骨细胞数量显著增加,破骨细胞数量也是三个时间点中的最大值;皮质骨和松质骨的峰值靶向骨重建主要发生在第14天到第30天之间。本部分研究深入探讨了不同时间点过载力学环境对骨质量的影响,对研究应力性骨折的病因以及治疗方案研究具有重要意义。