摘要 目的 探讨雄性大鼠肱骨、股骨和胫骨生物力学性能增龄性变化规律及其在年龄推断中的应用价值。方法 根据不同周龄,将90只健康雄性SD大鼠分为2、4、6、8、17、26、52、78和104周龄组,每组10只。过量麻醉处死大鼠后分离肱骨、股骨和胫骨并剔除附着软组织,利用游标卡尺测量上述骨骼长度及中段(受压部位)直径,利用电子万能材料试验机进行三点弯曲试验以检测极限载荷和极限载荷下位移。结果 不同周龄组雄性大鼠肱骨、股骨和胫骨极限载荷组间差异均具有统计学意义(P <0.05)。随着周龄增长,肱骨、股骨和胫骨极限载荷均呈先增大后减小趋势,且都在52周龄组达峰值,52周龄前与周龄呈强正相关(r =0. 884、0. 933、0. 929,P <0.05)。极限载荷下位移除股骨组间差异有统计学意义外(P <0.05),肱骨、胫骨均无统计学意义。股骨极限载荷下位移与周龄呈弱正相关(r =0. 406,P <0.05)。52周龄前大鼠肱骨、股骨、胫骨、3种骨骼综合极限载荷自动线性建模的年龄预测准确度分别为78.2%、86.8%、84.1%、88.3%。肱骨、股骨、胫骨长度与极限载荷呈强正相关(r =0. 904、0. 897、0. 814,P <0.05)。肱骨、股骨、胫骨中段直径与极限载荷呈强正相关(r =0. 759、0. 814、0. 745,P <0.05)。结论 雄性大鼠肱骨、股骨和胫骨极限载荷随周龄增长先增大后减小,在52周龄前与周龄呈正相关,可用于年龄推断。3种骨骼极限载荷综合推断年龄准确度最高,其次为股骨。肱骨、股骨、胫骨长度/中段直径均与极限载荷呈强正相关。
关键词:
大鼠
肱骨
股骨
胫骨
生物力学
年龄推断
肱骨、股骨和胫骨是人和哺乳动物典型的长骨组织,由骨干和骨骺构成。随年龄增长,骨骺软骨因不断增生、骨化而使骨的长度增加。成骨细胞和破骨细胞受机体自身年龄变化及外界因素共同影响,二者联合作用,促使骨骼生长发育 [1-2] 。
法医鉴定实践中,对白骨化尸体进行年龄推断可为个体识别提供线索,缩小侦查范围,提高办案效率。目前,已有较多学者利用骨骼形态学等方法对个体进行年龄推断,如利用X线成像观察手骨区域图像以推断骨龄 [3-5] 。江艺 [6] 利用股骨形态学特征进行年龄推断,发现随年龄增长,股骨颈干角减小而髋臼前倾角增大。Niinimäki等 [7] 研究发现,距肱骨近端约35%处皮质骨横截面面积和非附着部位皮质骨厚度随着年龄增长而减小;Zhang等 [8] 研究认为,人类股骨皮质形状及厚度与年龄相关。
也有学者利用骨成分及微量元素含量与年龄之间的关系进行年龄推断。史婧等 [9] 研究发现,股骨颈皮髓质比率、股骨颈密度与年龄均呈负相关。林上进等 [10] 研究表明,股骨皮质骨与松质骨交界区域的骨铁比重与年龄呈显著正相关。
利用骨骼形态特征进行年龄推断对观察者具有较高的经验要求,且个体差异较大,故存在一定局限性 [11-12] 。而骨成分及微量元素含量检测方法较繁琐,且对样本存在破坏性,使其在实际工作中应用受限。
研究表明,不同年龄个体四肢骨的生物力学性能存在差异,而目前有关肱骨、股骨和胫骨之间生物力学性能差异及其增龄性变化规律的研究鲜有报道 [13-14] 。本文利用电子万能材料试验机对不同周龄段大鼠肱骨、股骨和胫骨进行三点弯曲试验,检测其生物力学参数,探讨上述骨骼生物力学参数增龄性变化规律及其在法医年龄推断中的应用价值;利用游标卡尺测量上述3种骨骼长度以及受压部位直径,并分析其与生物力学参数的关系。
健康雄性SD大鼠90只,由贵州医科大学实验动物中心提供,按出生周龄分为2、4、6、8、17、26、52、78、104周龄组,每组10只。本研究经贵州医科大学动物实验伦理委员会批准,实验操作严格按照动物伦理要求进行。
1 . 2 . 1 样本预处理 各组大鼠按1.0 mL/100 g体重予10%水合氯醛溶液腹腔注射,过量麻醉致死后分离大鼠右侧肱骨、股骨和胫骨并剔除表面附着软组织,保留完整骨膜,用浸有生理盐水的湿纱布包裹后放置于托盘中,放在-20 ℃冰柜中冷冻保存备检 [15] 。骨骼样本按批次放入冰柜并于72 h后取出,以模拟人尸体在冷柜中保存情形。然后置于生理盐水中,在自然室温条件下解冻后进行几何参数测量及力学参数检测试验。所有样本解冻后4 h内完成试验,测量及力学试验前样本于生理盐水中保存。
1 . 2 . 2 大鼠四肢骨长度及受压部位直径测量 骨骼长度：用钢尺测量大鼠肱骨、股骨、胫骨长度3次,取其平均值 [16] 。受压部位直径：用游标卡尺测量大鼠肱骨、股骨、胫骨受压部位(中段)直径3次,取其平均值。
1 . 2 . 3 大鼠四肢骨三点弯曲压缩试验 将大鼠肱骨、股骨和胫骨置于KD Ⅱ-0.2型电子万能材料试验机(深圳市凯强利试验仪器有限公司)三点弯曲底座上,保持支撑梁水平。使用直径1 mm扁平形压具,调节压具接触面高度至刚好接触大鼠肱骨、股骨、胫骨中部。预调3次达到稳定状态后在室温下进行三点弯曲试验(见 图1 )。加载参数设置：试验速度为5 mm/min,预加载力为0.5 N,直至骨折发生,材料试验机自带软件KPTest Ver B4.3ch(深圳市凯强利试验仪器有限公司)自动输出极限载荷、极限载荷下位移等生物力学材料参数及其相关曲线。
采用SPSS 26.0软件进行统计学分析,数据以均值±标准差表示。组间比较采用单因素方差分析,进一步两两比较采用最小显著差异(least significant difference,LSD)法和Tamhane’s法。采用Pearson相关性分析对极限载荷、极限载荷下位移与周龄之间的相关性进行分析。 P <0.05表示差异具有统计学意义。利用SPSS 26.0软件对具有明显增龄性变化趋势的大鼠肱骨、股骨、胫骨生物力学参数随周龄变化情况进行自动线性建模,计算其进行年龄推断的准确度。
肱骨、股骨和胫骨极限载荷增龄性变化趋势如 图2 所示。因2周龄组大鼠肱骨及股骨太短无法进行三点弯曲试验,故该组大鼠肱骨、股骨实验数据缺失。
结果显示,不同周龄组大鼠肱骨、股骨和胫骨极限载荷组间差异均具有统计学意义( F =83 . 547、186 . 350、223 . 637, P <0.05);不同周龄组大鼠肱骨极限载荷组间差异具有统计学意义( F =83 . 547, P <0.05)。两两比较,除6与8周龄组,17与26周龄组,26与78、104周龄组比较差异不具有统计学意义外,其余两两比较差异均具有统计学意义( P <0.05)。
不同周龄组大鼠股骨极限载荷组间差异具有统计学意义( F =186 . 350, P <0.05)。两两比较,除6与8周龄组比较差异不具有统计学意义外,其余两两比较差异均具有统计学意义( P <0.05)。
不同周龄组大鼠胫骨极限载荷组间差异具有统计学意义( F =223 . 637, P <0.05)。两两比较,除4与6周龄组、6与8周龄组、17与26周龄组比较差异不具有统计学意义外,其余各组两两比较差异均具有统计学意义( P <0.05)。
随周龄增长,大鼠肱骨、股骨和胫骨极限载荷均呈先增大,在52周龄组达高峰,而后呈降低趋势;在52周龄前与周龄呈强正相关( r =0 . 884、0 . 933、0 . 929, P <0.05)。
肱骨、股骨和胫骨极限载荷下位移增龄性变化趋势如 图3 所示。
结果显示,极限载荷下位移组间差异除股骨均有统计学意义外( F =6 . 148, P <0.05),肱骨、胫骨均无统计学意义。不同周龄组股骨除4周龄组分别与17、52周龄组,8周龄组分别与17、52、78、104周龄组比较差异具有统计学意义外( P <0.05),其余各组比较差异均无统计学意义。
随周龄增长,大鼠股骨极限载荷下位移整体呈先增加至52周达高峰后呈下降趋势,但肱骨在8、17周龄组与前一周龄组相比呈降低趋势,股骨在8、26周龄组表现为与前一周龄组相比呈降低趋势。相关性分析表明,大鼠股骨极限载荷下位移与周龄呈弱正相关( r =0 . 406, P <0.05)。
2.3 52周龄前大鼠四肢骨极限载荷的自动线性建模年龄预测
图4 所示为52周龄前大鼠肱骨、股骨、胫骨、3种骨骼综合极限载荷自动线性建模的年龄预测值。结果表明,其预测准确度分别为78.2%、86.8%、84.1%、88.3%,提示在利用肱骨、股骨、胫骨3种骨骼极限载荷单独推断年龄时,股骨的年龄推断准确度最高;3种骨骼极限载荷综合推断年龄的准确度高于任一单独样本。
图4 52周龄前大鼠四肢骨极限载荷自动线性建模的年龄预测值
2.4 大鼠四肢骨长度/受压部位直径与极限载荷、极限载荷下位移的相关性
如 图5 所示,大鼠肱骨、股骨、胫骨长度与极限载荷呈强正相关( r =0.904、0.897、0.814, P <0.05),肱骨、股骨长度与极限载荷下位移呈弱正相关( r =0 . 253、0 . 483, P <0.05),胫骨长度与极限载荷下位移无相关性;大鼠肱骨、股骨、胫骨中段直径与极限载荷呈强正相关( r =0 . 759、0 . 814、0 . 745, P <0.05),肱骨、股骨中段直径与极限载荷下位移呈弱正相关( r =0 . 338、0 . 428, P <0.05),胫骨中段直径与极限载荷下位移无相关性。
骨骼是脊椎动物的重要器官组织,承担运动、支持和保护身体、制造红血球和白血球以及储藏矿物质功能。骨骼的形态、机械性能、骨细胞数量及矿物质等在整个生命过程中均在变化 [17] 。目前,法医年龄推断最常见的方法为骨龄推断,通常通过X线片扫描,观察左手掌指骨、腕骨及桡尺骨下端骨化中心的发育程度来确定年龄,但其仍存在精确性不够高、适用年龄范围较窄等局限性 [18] 。
关于四肢骨与年龄的关系已有报道。陈玉翠等 [19] 研究发现,肥鲵股骨、肱骨的形态特征与年龄存在相关性。有研究表明,60岁以下年龄组女性胫骨近端平均骨密度(bone mineral density,BMD)显著高于60岁以上年龄组,且其极限载荷与BMD水平之间存在显著相关性 [20] 。Lill等 [21] 研究认为,女性肱骨骨密度与年龄存在显著相关性,且与70岁年龄组以下的女性相比,70岁以上年龄组骨密度显著降低。骨骼作为一种硬性生物组织材料,具有特殊的生物力学性能,此前已有分析骨骼生物力学性能与年龄关系的报道 [22] 。本课题组前期研究发现,极限载荷、压缩强度及压缩模量在26周龄范围内与周龄存在正相关,且颅骨厚度、骨矿物质密度、骨体积、小梁厚度在52周龄内与周龄呈正相关,肱骨、股骨及胫骨极限载荷及极限载荷下位移是否与周龄相关,尚不清楚 [23] 。
本文结果表明,大鼠肱骨、股骨和胫骨极限载荷随周龄增长均呈先增大后减小趋势,且都在52周龄组达峰值,其原因可能与BMD的增龄性变化规律相关。Castillo等 [24] 研究发现,40～50岁受试者股骨的BMD随年龄增长而增大,50岁后降低,与本研究股骨极限载荷的变化趋势相吻合。Dalzell等 [25] 研究发现,20岁以上女性桡骨平均BMD与年龄呈显著的二次相关,即先增加到达最大后减小;胫骨BMD在40岁以后呈明显下降趋势,与本文结果变化趋势一致。在52周龄前,大鼠肱骨、股骨和胫骨极限载荷与周龄呈正相关,提示在此周龄段内其可应用于年龄推断。Gluer等 [26] 研究表明,2、4、17、26、52、104周龄大鼠分别与婴幼儿(0～2岁)、学龄前儿童(3～5岁)、学龄儿童(10～12岁)、青少年(18～20岁)、中年(35～40岁)和老年(65～70岁)人群相对应,提示大鼠肱骨、股骨和胫骨极限载荷在推断中年及其以前人群年龄中具有优势。
年龄推断准确度是反映推断的年龄与真实年龄的偏离程度,对案件侦破意义重大 [19] 。本研究发现,肱骨、股骨、胫骨3种骨骼极限载荷综合推断年龄准确度最高,其次为股骨,提示在条件具备时,应综合采用上述3种骨骼极限载荷建立数学模型推断年龄;如采用单一骨骼生物力学参数进行年龄推断,应优先采用股骨。
本研究的局限性如下：① 只探讨雄性大鼠肱骨、股骨、胫骨生物力学性能随年龄的变化趋势,未分析雌性大鼠骨骼生物力学性能的增龄性变化规律;② 仅选用处死时间较短的大鼠新鲜四肢长骨骨骼样本,未研究不同条件下(如干燥、腐败、长期冰冻等)的骨骼增龄性变化规律。
大鼠肱骨、股骨和胫骨极限载荷均随周龄增长先增大后减小,在52周前与周龄呈正相关,在此区间可用于大鼠周龄推断;肱骨、股骨、胫骨3种骨骼极限载荷综合推断年龄最具优势,其次为股骨;肱骨、股骨、胫骨长度/中段直径均与极限载荷呈强正相关,肱骨、股骨长度/中段直径与极限载荷下位移呈弱正相关。
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