不同强度长期游泳运动对生长期大鼠骨组织形态和结构力学特性的影响

陈敬 李建设 张绍岩

1烟台南山学院公体部（山东烟台 265706） 2河北邯郸学院公体部（河北邯郸 056005）3河北省体育科学研究所（河北石家庄 050016）

骨质疏松性骨折的发生与骨组织的质、量等内部因素紧密相关。骨的组织结构随年龄增长而发生变化，国内外此类研究大多对老年期大鼠进行预防骨质丢失的探讨。青春期是组织结构达到最好的关键时期，运动是改善骨结构和生物力学性能的有效方法［1］。通过长期不同强度游泳运动对生长期大鼠骨代谢影响的研究发现，适宜强度游泳运动能促进生长期大鼠骨量积累［2］。本研究通过测定生长期大鼠长期不同强度游泳训练后骨组织形态计量学、骨生物力学指标，探讨不同强度的游泳运动对骨发育的影响，探索改善骨结构和提高骨生物力学性能的最佳游泳方式，为游泳运动早期预防骨质疏松提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组

实验采用4周龄纯系Sprague-Daw ley大鼠48只，购自河北实验动物中心，在河北师范大学体育学院动物房采用架式笼养，温度控制在摄氏18℃～25℃，湿度为55%～65%，国家标准啮齿类动物饲料喂养，自由饮食，昼夜节律同自然。随机分为6组，每组8只，分别为正常对照组（C 组，82.42±4.17g）、实验对照组（EC 组，82.51±3.93g）、无负重游泳组（S0组，82.87±4.36g）、负重 3%游泳组（S3组，83.53±4.46g）、负重 6%游泳组（S6组，81.71±2.16g）、负重 9%游泳组（S9组，82.08±2.67g）。

1.2 实验方法

运动组大鼠运动方式为游泳，适应性喂养3天后，无负重组、3%负重组、6%负重组、9%负重组进行游泳训练，共10周，每周训练6天，每次60分钟。游泳用具为大塑料桶，水温为 30℃左右（30±2℃），水深为 65cm。S3、S6、S9三组大鼠游泳训练时分别在尾根部负重其自身体重的3%、6%、9%。运动组大鼠每次训练时，实验对照组大鼠亦放入温度相同的浅水中（水深至大鼠颈部）自由浸泡60分钟；正常对照组大鼠则在笼中安静饲养。

1.3 样本采集

各组大鼠在运动组大鼠最后一次训练24小时后宰杀。取大鼠股骨，去除附着的肌肉和结缔组织，左股骨用生理盐水浸透的纱布包裹，装入锡箔纸中，放置于－30℃冰箱内，待测结构力学指标。

右股骨用10%甲醛溶液固定。将固定好的右股骨脱钙：用5%硝酸浸泡36小时，然后用流水冲洗24小时，5%硝酸钠处理24小时，再用流水冲洗24小时。常规脱水至100%酒精两级。放入无水酒精松节油1∶1液中，初透明2～3小时，转入纯松节油两级进行再透明（以透明为止）。

浸蜡：54℃～56℃硬蜡与液体石蜡 1∶1混合。64℃温箱浸20～30min。转入硬蜡54℃～56℃再浸10～15min，硬蜡包埋。取股骨骨骺和中间做沿矢状面切片，切片厚度为5μm，将做好的切片放入45℃～50℃水浴锅内自然展平，捞出放入提篮内，烘干。HE染色，用吸水纸吸干组织周边之余液，滴加中性胶封片。待测组织形态指标。

1.4 测量参数

结构力学指标测试［3，4］采用TLS-1000型弹簧拉压试验机（河北省第三医院提供）对左侧股骨进行三点抗弯曲试验。记录弹性载荷（Fe）、最大载荷（Fmax），断裂载荷（Fb）、弹性桡度（De）、最大桡度（Dmax）、断裂桡度（Db）、能量吸收（U）。

组织形态计量学参数：使用德国KONTRON IBAS2.0全自动图像分析系统，包括VaricoCam冷冻图像输入仪和ZEISS Axiatron研究型显微镜和FMAIL－200病理图像分析仪。骨片在距骺线1mm处至远端4mm范围内进行骨组织形态参数测量。按文献［3］测量方法和计算公式测量骨组织总面积、骨小梁总面积和骨小梁总周长，并计算分析骨小梁面积百分数（Tb.Ar%）、骨小梁厚度（Tb.Th）、骨小梁数量（Tb.N）、骨小梁分离度（Tb.Sp）。

1.5 统计学分析

所有实验数据均采用SPSS11.5软件进行统计学处理，测定结果均以平均数±标准差（）表示，同一指标不同组间比较采用单因素方差分析进行差异显著性检验，显著水平为P<0.05，非常显著水平为P<0.01。

2 结果

2.1 股骨组织形态值比较

实验后，各负重游泳组Tb.Ar%、Tb.N、Tb.Th较对照组、S0组显著增加（P<0.01）；Tb.Sp较对照组显著减少（P<0.01），S0组 Tb.Sp较 S6组显著增加（P<0.05）；S0组与对照组相比较，Tb.N和Tb.Th均显著增加，Tb.Sp显著减少（P<0.01、P<0.05）；S6组 Tb.Ar%、Tb.N 较 S3组和S9组显著增加（P<0.01、P<0.05），Tb.Th较 S9组显著增加（P<0.05），S6组 Tb.Sp较 S9组显著减少（P<0.01）。

表1 股骨组织形态测量值比较

2.2 股骨结构力学的载荷指标比较

表2 股骨结构力学的载荷指标比较

S6组 Fe显著高于对照组和 S0组（P<0.05，P<0.01）；S3组和S6组Fmax均显著高于安静对照组（P<0.05，P<0.01），各组 Fmax均显著高于 S0组（P<0.05），其中S3组和S6组差异非常显著（P<0.01）；各负重游泳组Fb显著高于S0组（P<0.01），S6组Fb显著高于对照组（P<0.01）；S6组Fmax显著高于S3组和 S9组（P<0.05，P<0.01），S6组 Fe显著高于 S9组（P<0.05）。

2.3 股骨结构力学中的桡度指标比较

S3组和 S6组 De、Dmax、Db均显著高于对照组和S0组（P<0.05、P<0.01），其中 S0组均值低于对照组但无统计学意义；S9组De、Dmax、Db均显著低于对照组和S0组（P<0.01）。各负重游泳组U均高于对照组和S0组（P<0.01）；S0组 U 显著低于对照组（P<0.01）；S3组和S6组U显著高于S9组（P<0.01）。

表3 股骨结构力学的桡度指标和能量吸收比较

3 讨论

Wolff定律指出，外部应力可以影响骨骼的形状和结构。适量运动可使生长期大鼠骨量增加。本研究结果显示，负重游泳运动组股骨结构参数中骨小梁面积百分比、骨小梁数量、骨小梁厚度、骨小梁分离度均显著高于对照组，说明负重运动对骨结构有较好的作用，其中6%体重负重游泳效果最好，3%体重负重游泳组效果次之。这说明在一定范围内，随着负重的增加，对骨结构好的影响增加，但超过一定范围，这种影响会有所下降。运动对生长期骨结构的作用结果不仅取决于动物年龄、运动时间或距离，更取决于运动时负荷的大小，尤其是阻力（重力）负荷［5］。骨骼对中低强度运动敏感性弱，中低强度运动对正常大鼠的骨矿含量、组织计量学参数及力学特征无影响。而本研究中，生长期大鼠负重3%的小强度游泳运动也在一定程度上改善了骨结构。

骨组织是按力学原理组成其内部结构的特殊结缔组织，力学性能是评价骨质量的重要指标。骨的结构力学特性是指整个骨结构的力学特性，主要反映骨的几何形状和尺寸大小的变化［5］。骨的形态结构和力学性能之间有良好的相关关系。有关运动对生长期骨结构力学特性的研究报道为数较少。马涛［6，7］等以 18只 4周龄 SD大鼠为实验对象，比较游泳和跳跃两种不同运动方式对生长期大鼠骨发育的影响，8周后测量所有大鼠的骨密度和骨生物力学指标，发现游泳对大鼠股骨骨密度和生物力学指标作用不明显，跳跃对股骨骨密度和生物力学指标都有明显的促进作用。步斌［8］的研究表明，每天30min的游泳训练可以显著增加腰椎最大载荷、屈服应力、最大应力、屈服应变和骨矿含量等，而对股骨，弹性模量、最大载荷、屈服应力、屈服应变、横断面积和骨矿含量均无明显影响，并且最大应力、最大应变和能量吸收有下降趋势。Raab等［9］发现年轻鼠骨生物力学特性提高较老龄鼠显著。适宜的运动负荷可以提高生长期骨的力学性能，Hart等［10］的研究指出12周的游泳训练使大鼠股骨力学性能明显增强。最大载荷和产生破坏时所需吸收的能量是反映骨结构力学特性的重要指标。最大载荷的变化反映骨小梁的质量结构连续性和皮质厚度的改变。破坏时所吸收的能量更是载荷、形变、弹性模量和横断面变化关系的综合反映，骨应力和应变参数是反映骨材料力学性能的指标。本实验结果中的力学性能指标也表现出了与骨小梁结构之间的正相关关系，在负重作用下，6%体重负重游泳组和3%体重负重游泳组结构力学指标比对照组明显增大，即随着应力增大，骨的力学结构发生了良性改变以适应应力的改变，但是9%体重负重游泳组结构力学指标低于对照组，说明应力增大的良性影响是有一定限度的，超过这个限度就会有反作用，即破坏骨的结构力学性能。

本研究采用负重游泳的方法对生长期大鼠进行不同强度训练，比较不同强度训练效果，运动强度由负重大小决定。无负重游泳组股骨组织形态和结构力学指标均显著低于对照组，由于水的浮力作用，大鼠所承受的重力负荷显著下降，可能导致股骨发生矿盐丢失以及骨密度降低等病理改变。有假说［11］认为微重时细胞形态的改变导致了基因表达与功能变化，从而降低骨细胞活性，导致骨胶原形成异常。这与本实验结果一致。3%和6%负重游泳改善了大鼠股骨的结构力学性能，特别是6%负重中等强度游泳显示出了良好的作用效果，这可能是负重及运动使肌肉的力量增加，对大鼠股骨产生了良好的应力效应。张林［12］的研究提出，肌肉强度和骨强度紧密相关。本研究显示负重9%游泳组大鼠股骨桡度显著减小，说明骨脆性增加，造成这种现象的原因可能是在大强度运动训练的应激条件下，由于长期反复施加过度机械应力，造成骨分子的破坏积累而导致骨的微细结构损伤。另外，通过神经－体液内分泌机制而使骨的成分发生改变，骨矿盐含量降低、骨胶原纤维含量等骨基质成分的变化，使大鼠股骨结构和材料韧性降低，骨的质量随之下降，其具体生理、生化机制有待进一步研究证实。

［1］左群，于新凯，陆爱云.游泳运动对老年小鼠骨组织形态结构和生物力学性能的影响.中国运动医学杂志，2007，26（2）：228-230.

［2］李建设，牛秀荣，张绍岩，等.长期不同强度游泳运动对生长期大鼠骨代谢的影响.中国运动医学杂志，2009，28（3）：304-306.

［3］Honda A，Sogo H，Nagasawa S，et al.Effects of intervals between jumps or bouts on osteonenic response to loading.J Appl Physiol，2002，93（10）：1345-1348.

［4］张林.不同强度运动对骨质疏松人鼠骨生物力学性能的影响. 体育科学，2002，20（5）：72-76.

［5］崔伟，刘成林.基础骨生物力学——动物骨生物力学指标的选择及计算方法.中国骨质疏松杂志，1998，4（1）：90-92.

［6］马涛，李世昌，郑庆云.不同运动方式对生长期大鼠骨密度和生物力学指标的影响.浙江体育科学，2009，3（2）：97-101.

［7］李世昌，马涛，尹小俭，等.不同运动方式对生长期大鼠骨密度和组织形态计量学指标的影响.体育科学，2008，28（1）：54-58.

［8］步斌.游泳运动对大鼠股骨和腰椎骨生物力学特性影响的研究. 体育科学，2005，25（11）：55-57.

［9］Raab DM，Smith EL，Crenshaw TD，et al.Bone mechanical properties after exercise training in young and old rats.J Appl Physiol，1990，68：130-134.

［10］Hart KJ，Shaw JM，Vajda E，et al.Sw im-trained rats have greater bone mass，density，strength and dynamics.J Appl Physiol，2001，91（4）：1663-1668.

［11］沈艳梅，陆耀飞，陆大江.不同负重对大鼠胫骨形态的影响. 浙江中医学院学报，2006，01（30）：76-79.

［12］张林.运动对骨力学性能的影响——骨生物力学研究进展. 中国运动医学杂志，2002，12（11）：58-88.