青年與老年人脊柱黃韌帶的力學(xué)特性

彭傳剛 楊 琦 李 鵬 (吉林大學(xué)第二醫(yī)院骨科醫(yī)院，吉林 長(zhǎng)春 3004)

黃韌帶位于相鄰的椎板之間，主要作用是限制脊柱過(guò)度前屈和維持人體直立姿勢(shì)，是脊柱后部的重要力學(xué)結(jié)構(gòu)。隨著年齡的增長(zhǎng)，黃韌帶逐漸出現(xiàn)退變，并導(dǎo)致肥厚、鈣化甚至骨化，造成相應(yīng)節(jié)段的椎管狹窄而壓迫脊椎和神經(jīng)根〔1〕。目前黃韌帶的退變機(jī)制仍然不清楚。以往的研究多從生物學(xué)、免疫組化、組織學(xué)等方面研究居多〔2～4〕。本文對(duì)青年和老年人黃韌帶進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)探討其力學(xué)特征。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本 20個(gè)腰椎退變標(biāo)本取收集中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院骨科因L4/5椎管狹窄行全椎板減壓內(nèi)固定手術(shù)切下遺棄的黃韌帶，均為男性，年齡68～75〔平均(70.4±2.0)〕歲，術(shù)前CT和MRI顯示L4/5節(jié)段黃韌帶肥厚。20個(gè)青年對(duì)照組標(biāo)本收集于中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院骨科，因L4/5外傷行減壓內(nèi)固定手術(shù)切下遺棄的黃韌帶。年齡20～28〔平均(24.3±3.4)〕歲，術(shù)前、術(shù)后檢查均無(wú)腰椎黃韌帶退變。所有患者知情同意。黃韌帶取出后以生理鹽水浸濕的紗布包裹。

1.2 儀器設(shè)備 (1)島津自動(dòng)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，具有自動(dòng)控制應(yīng)力、應(yīng)變?cè)黾铀俣群褪箲?yīng)力或應(yīng)變保持恒定的功能。載荷通過(guò)載荷傳感器提供，載荷傳感器最大量程500 N，使用量程200 N。(2)長(zhǎng)春市第三光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的讀數(shù)顯微鏡。

1.3 一維拉伸實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)前取出標(biāo)本，以手術(shù)刀割黃韌帶，每個(gè)標(biāo)本切成一個(gè)式樣，每組20個(gè)。首先測(cè)量試樣的原始尺寸。將試樣裝夾在軟組織實(shí)驗(yàn)夾具上，給予滿量程1%的初載做為準(zhǔn)長(zhǎng)度的基礎(chǔ)。利用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量其長(zhǎng)度、寬度和厚度，青年正常對(duì)照組試樣長(zhǎng)度為16.2～17.1 mm，試樣厚為2.42～2.48 mm、試樣寬度為1.50～1.52 mm;老年組試樣長(zhǎng)為17.2～17.6 mm，試樣厚度為 4.02～4.4 mm，試樣寬度為1.52～1.54 mm。按參考文獻(xiàn)〔5，6〕的方法分別對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)處理。將經(jīng)過(guò)預(yù)調(diào)的每組各20個(gè)試樣分別裝夾到軟組織專用夾具上，夾具與有機(jī)玻璃缸連接，玻璃缸內(nèi)裝有pH值為7.4的生理鹽水，試樣置于生理鹽水中，裝有試樣的夾具與試驗(yàn)機(jī)上、下夾頭連接。試驗(yàn)機(jī)帶有－35℃ ～250℃環(huán)境溫箱，可自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度并保持恒溫。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M正常人體溫，在(36.5±0.5)℃的溫度場(chǎng)下進(jìn)行。預(yù)先將程序設(shè)定好，記錄方式為X-y，其中X軸為應(yīng)力，y軸為應(yīng)變，以5 mm/min的速度對(duì)試樣施加拉伸載荷，直到試樣破壞，計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出拉伸最大載荷、最大位移、最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS14.0軟件進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)資料以s表示，采用方差分析和獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 兩組黃韌帶拉伸最大載荷、最大位移、最大應(yīng)力、最大應(yīng)變結(jié)果 老年組黃韌帶最大載荷、最大應(yīng)力、最大位移、最大應(yīng)變與青年組比較差異顯著(P＜0.05)。見表1。

2.2 青年組和老年組黃韌帶應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)關(guān)系表達(dá)式 以多項(xiàng)式構(gòu)建出青年組和老年組黃韌帶一維拉伸應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)關(guān)系表達(dá)式:青年組黃韌帶:σ(ε)=0.019 2e5+0.243 8e4－0.002 7e3+0.000 3e2;老年組黃韌帶:σ(ε)=0.463 0e5+0.656 6e4－0.006 4e3+0.000 2e2。

表1 兩組黃韌帶拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果( s，n=20)

表1 兩組黃韌帶拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果( s，n=20)

組別 最大載荷(N)最大位移(mm)最大應(yīng)力(MPa)最大應(yīng)變(%)89.8±5.2 5.37±0.86 24.2±4.9 53.7±8.6老年組青年組193.9±27.8 4.62±0.478 30.9±5.1 46.2±7.8

3 討論

韌帶主要由膠原纖維和彈性纖維組成。膠原纖維使膠原組織具有一定的強(qiáng)度和剛度，彈性纖維使膠原組織具有在載荷作用下的延伸能力，膠原纖維和彈性纖維在載荷作用下具有不同的性質(zhì)。Okuda等〔7〕研究表明，彈性纖維排列紊亂、撕裂彈性纖維直徑大小不一，彈性纖維含量減少;膠原纖維增生、神經(jīng)節(jié)樣囊性損害，軟骨樣細(xì)胞，黏液樣變性，血管形成骨化，肉芽組織鈣化及軟骨形成等。據(jù)此分析認(rèn)為，老年黃韌帶退變組由于退變?cè)斐蓮椥岳w維遭到破壞，降低了在載荷作用下的延伸能力，所以其拉伸應(yīng)變顯著低于青年組。老年黃韌帶由于膠原纖維增生，膠原纖維，特別是Ⅱ型膠原的含量明顯增加，所以其拉伸強(qiáng)度提高。黃韌帶退變后由于膠原纖維含量，彈性纖維含量等發(fā)生改變，其力學(xué)特性隨之發(fā)生了改變。

Nakatani等〔4〕的研究表明，隨著年齡增加脊柱發(fā)生退變而導(dǎo)致的椎體不穩(wěn)，會(huì)引起黃韌帶牽張力的增加。Sairyo等〔8〕研究發(fā)現(xiàn)黃韌帶背側(cè)部分纖維化程度明顯較腹側(cè)嚴(yán)重，腹側(cè)部分彈性纖維比例均為75%左右，但背側(cè)部分隨著年齡增長(zhǎng)逐漸減少，且約半數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浌墙M織，產(chǎn)生Ⅱ型膠原纖維和蛋白多糖。黃韌帶肥厚程度與纖維化程度、彈性纖維減少程度均呈正相關(guān);同時(shí)對(duì)腰椎活動(dòng)時(shí)的生物力學(xué)變化進(jìn)行三維有限元分析，發(fā)現(xiàn)黃韌帶背側(cè)所受張力明顯比腹側(cè)高〔9〕。因此認(rèn)為隨著年齡的增長(zhǎng)，反復(fù)的機(jī)械張力引起黃韌帶損傷后的纖維化修復(fù)是其肥厚的主要原因。

隨著年齡的增加，脊柱發(fā)生退變，喪失了一定的穩(wěn)定性，打亂了脊柱受力的平衡，為了保持脊柱的平衡和穩(wěn)定，黃韌帶承受的載荷增加，而在載荷作用下黃韌帶的變形減小，長(zhǎng)此以往，惡性循環(huán)，使黃韌帶退變的越來(lái)越嚴(yán)重。黃韌帶的退變過(guò)程也是黃韌帶力學(xué)行為改變的過(guò)程。黃韌帶力學(xué)環(huán)境和力學(xué)行為的改變是黃韌帶退變的重要原因之一。本實(shí)驗(yàn)對(duì)揭示黃韌帶退變機(jī)制更具有理論意義和臨床價(jià)值。

1 上官磊，樊 星，仲霄鵬，等.腰椎退變黃韌帶的生物力學(xué)測(cè)定〔J〕。中國(guó)脊柱脊髓雜志，2009;19(10):749-52.

2 Wang Z，Li XD，Li MQ，et al.Changes in basic metabolic elements associated with the degeneration and ossification of ligamenta flava〔J〕.J Spinal Cord Med，2008;31(3):279-84.

3 Park JB，Chang H，Lee JK.Quantitative analysis of transforming grouth factorbetal in ligamentum flavum of lumbar spinal stenosis and disc hemiation〔J〕.Spine，2001;26(1):492-5.

4 Nakatani T，Marui T，Hitora T，et al.Mechanical stretching force promotes collagen synthesis by cultured cells from human ligamentum flavum via transforming growth factor-betal〔J〕.J Orthop Res，2002;20(6):1380-6.

5 臧 虎，樸成東，高 峰，等.實(shí)驗(yàn)動(dòng)物骨性關(guān)節(jié)炎內(nèi)側(cè)副韌帶力學(xué)特性〔J〕.醫(yī)學(xué)研究，2010;39(2):73-5.

6 Victor H，Margaretanordin F.戴克戎，王以進(jìn)，周健男，等譯.骨骼系統(tǒng)的生物力學(xué)基礎(chǔ)〔M〕.上海:學(xué)林出版社，1985:89-94.

7 Okuda T，Baba I，F(xiàn)ujimoto Y，et al.The pathology of ligamentum flavum in degenerative lumbar disease〔J〕.Spine，2004;29(15):1689-97.

8 Sairyo K，Biyani A，Goel VK，et al Pathomechanism of ligamentum hypertrophy:a multidisciplinary investigation based on clinical，biomechanical，histologic and biologic assessments〔J〕.Spine，2005;30(23):2649-56.

9 Sairyo K，Biyani A，Goel VK，et al Lumbar ligamentum flavum hypertiophy is due to accumulation of inflammation-related scar tissue〔J〕.Spine，2007;32(11):E340-7.