軟骨終板的生物力學(xué)研究概況

田　聰，陸仕恒，周紅海

（1廣西中醫(yī)藥大學(xué)2014級(jí)碩士研究生，廣西 南寧　530001；2廣西中醫(yī)藥大學(xué)骨傷學(xué)院，廣西南寧　530001）

軟骨終板的生物力學(xué)研究概況

田聰1，陸仕恒1，周紅海2

（1廣西中醫(yī)藥大學(xué)2014級(jí)碩士研究生，廣西 南寧530001；2廣西中醫(yī)藥大學(xué)骨傷學(xué)院，廣西南寧530001）

生物力學(xué)；軟骨終板；綜述

脊柱退行性疾病已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)困擾著人們生活最常見(jiàn)的疾病之一，不僅影響著人們的生活質(zhì)量，更加重了社會(huì)負(fù)擔(dān)，因此臨床醫(yī)生一直探索更佳的治療手段。由于軟骨終板位于椎體骨性終板與椎間盤纖維環(huán)之間，在臨近椎體正常骨化至成熟過(guò)程中持續(xù)存在著，而且在椎間盤系統(tǒng)穩(wěn)定性中軟骨終板又發(fā)揮著獨(dú)特的生物力學(xué)作用，近年來(lái)對(duì)軟骨終板的生物力學(xué)研究不僅從實(shí)驗(yàn)室觀察還是在臨床診療中都有新的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)筆者就目前國(guó)內(nèi)外對(duì)軟骨終板生物力學(xué)的研究狀況作綜述如下。

1　軟骨終板生化成分變化與應(yīng)力的關(guān)系

蛋白多糖在軟骨終板生物力學(xué)中發(fā)揮著重要的作用，奠定其生物力學(xué)基礎(chǔ)。其中占90%以上蛋白多糖分子量的糖胺多糖（GAG）是軟骨終板中蛋白多糖的重要的組成部分。GAG主要有硫酸軟骨素、硫酸角質(zhì)素和透明質(zhì)酸等，而硫酸軟骨素、硫酸角質(zhì)素和透明質(zhì)酸及其他官能團(tuán)共同構(gòu)成蛋白多糖及椎間盤系統(tǒng)生物力學(xué)的生化基礎(chǔ)。因此蛋白多糖含量及成分的變化基本可由硫酸軟骨素/硫酸角質(zhì)素比值和透明質(zhì)酸含量變化所反映，軟骨終板正常的生理功能可由任何能夠引起GAG含量和成分變化的因素所影響［1］。

作用于軟骨終板的各種不利因素都會(huì)加速軟骨終板退行性變，如基因突變、細(xì)胞凋亡、穩(wěn)態(tài)破壞、異常應(yīng)力等。其中異常應(yīng)力是最重要的因素之一，國(guó)內(nèi)有很多文獻(xiàn)都有相關(guān)的論述。有觀點(diǎn)認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間異常應(yīng)力下可使軟骨終板內(nèi)細(xì)胞肥大，使得蛋白多糖和軟骨素的合成、分泌均受到抑制，這些都勢(shì)必會(huì)影響到軟骨終板的生物力學(xué)性能的發(fā)揮［2］。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及氧分壓是軟骨終板內(nèi)物質(zhì)代謝的最主要的外環(huán)境因素，有研究發(fā)現(xiàn)不適的力學(xué)環(huán)境下終板血管密度顯著減少，所以營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量和氧分壓的下降是其必然結(jié)果，軟骨終板內(nèi)的低氧狀態(tài)又可使酸類物質(zhì)聚集于組織間，這都會(huì)為蛋白多糖合成反應(yīng)營(yíng)造不利環(huán)境［3］。異常應(yīng)力導(dǎo)致以上條件的改變可能是整個(gè)軟骨終板內(nèi)部蛋白多糖乃至成分變化的又一重要原因。總之，任何異常應(yīng)力對(duì)軟骨終板基質(zhì)成分的影響，既可能是軟骨終板細(xì)胞代謝改變的因素，也可能是細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境改變的結(jié)果。

2　軟骨終板的應(yīng)力傳導(dǎo)及抗壓強(qiáng)度規(guī)律

整體觀念認(rèn)為，在生物力學(xué)作用機(jī)制中骨性終板和軟骨終板是密不可分的，目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者專門針對(duì)軟骨終板在各種應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律分析相對(duì)較少，大多是以骨性終板與軟骨終板整體為單位的生物力學(xué)研究。當(dāng)應(yīng)力載荷作用于椎間盤系統(tǒng)時(shí)，傳導(dǎo)力由椎體終板（骨性終板和軟骨終板）至髓核，軟骨終板的中央及髓核的后側(cè)都是應(yīng)力集中區(qū)域，軟骨終板受力強(qiáng)度與髓核基本相同且受壓的同時(shí)將壓力傳至纖維環(huán)的各個(gè)部分，使椎間盤均勻受力［4］。而軟骨終板的后外側(cè)生物力學(xué)強(qiáng)度大于中央?yún)^(qū)域，故中央?yún)^(qū)域是力學(xué)薄弱區(qū)。

閆家智等［5］認(rèn)為在軸向壓縮下，正常椎體及椎間盤承受應(yīng)力而發(fā)生變形，應(yīng)力主要集中在后側(cè)并向后外側(cè)傳導(dǎo)，軟骨終板的應(yīng)力主要集中在中央，由外向內(nèi)應(yīng)力逐漸變大。當(dāng)椎間盤發(fā)生退變時(shí)，軟骨終板的后外側(cè)應(yīng)力分布更大，變成應(yīng)力集中區(qū)域。趙亮［6］認(rèn)為當(dāng)軟骨終板退變時(shí)，除ModicⅢ型外，軟骨終板力學(xué)分布趨勢(shì)同正常狀態(tài)下力學(xué)分布，但是ModicⅢ型力學(xué)分布呈現(xiàn)由外周向中間逐漸減小，至中點(diǎn)區(qū)域最小的趨勢(shì)。

大體上看，胸椎終板的抗壓強(qiáng)度較弱，頸腰椎的抗壓強(qiáng)度較強(qiáng)，而腰骶部終板的抗壓強(qiáng)度均大于頸胸部，壓力作用于同一椎體的不同部位或者不同椎體的相同部位其抗壓強(qiáng)度均不相同，除頸5和胸1外，上位終板的抗壓強(qiáng)度弱于下位終板［7］。壓力、牽張力等生物力學(xué)刺激都會(huì)導(dǎo)致軟骨終板結(jié)構(gòu)變化。軟骨終板解剖結(jié)構(gòu)的改變反過(guò)來(lái)也能影響其受力情況，這在有限元研究中也得到驗(yàn)證［8］。

3　軟骨終板力學(xué)變化與椎間盤退變的關(guān)系

保持椎間盤正常的生理形態(tài)與功能，軟骨終板的健康至關(guān)重要。軟骨終板是髓核重要的溶質(zhì)運(yùn)輸途徑之一（軟骨終板途徑）。通常異常應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致軟骨終板及周圍組織的損傷，當(dāng)物質(zhì)通路作用破壞時(shí)會(huì)使椎間盤內(nèi)聚集某些代謝廢物，尤其是酸類物質(zhì)的增加可以使椎間盤基質(zhì)降解酶如基質(zhì)金屬蛋白酶活化，從而改變椎間盤正常的結(jié)構(gòu)和生理功能。同樣，屏障作用破壞時(shí)，其水分和較小的蛋白多糖類物質(zhì)從椎間盤內(nèi)流失，另外那些對(duì)椎間盤基質(zhì)不利的酶即可繞過(guò)或通過(guò)椎體終板進(jìn)入椎間盤系統(tǒng)而引起椎間盤的退變。此外，異常應(yīng)力導(dǎo)致軟骨終板的斷裂，可降低椎間盤內(nèi)壓，不僅影響著相鄰椎體間高度，更導(dǎo)致維持椎間盤系統(tǒng)穩(wěn)定性的周圍韌帶松弛，加速椎間盤退變［9］。根據(jù)Hueter-Volkmann定律，當(dāng)椎間盤退變時(shí)傳導(dǎo)應(yīng)力由軟骨終板中央?yún)^(qū)域向周圍分布，壓應(yīng)力刺激軟骨下成骨異常，凸側(cè)的外周軟骨終板及下方軟骨下骨發(fā)生重建，直接導(dǎo)致外圍椎體終板高度逐漸降低，椎體終板凹陷角增大，軟骨終板趨向于平坦，生理功能也相應(yīng)改變［10-11］。另外有文獻(xiàn)報(bào)道，負(fù)重條件下終板重塑變薄、椎體終板滋養(yǎng)細(xì)胞功能降低和營(yíng)養(yǎng)血管的數(shù)量減少等變化可促使椎間盤退化加速，而不同于之前的觀點(diǎn)認(rèn)為，各種條件下軟骨終板鈣化、增生影響椎間盤代謝，最終導(dǎo)致椎間盤的退變［12-14］。

4　軟骨終板與椎體軟骨結(jié)節(jié)的力學(xué)關(guān)系

任何對(duì)軟骨終板的討論不提及椎體軟骨結(jié)節(jié)都是不完整的，根據(jù)椎體內(nèi)結(jié)節(jié)部位不同又可分為椎體前緣軟骨結(jié)節(jié)、椎體后緣軟骨結(jié)節(jié)、schmorl結(jié)節(jié)。Wolff定律指出，骨長(zhǎng)期在適應(yīng)力作用下塑形，這不僅是一種適合生物力學(xué)需要的完美結(jié)構(gòu)，還具有保持迎合這種需要的外形與功能［8］。在70%以上的脊柱解剖標(biāo)本可以見(jiàn)到schmorl結(jié)節(jié)，schmorl結(jié)節(jié)被認(rèn)為是力學(xué)作用于軟骨終板不可避免的結(jié)果，schmorl結(jié)節(jié)的上下緣是松質(zhì)骨，軸向加壓可以引起軟骨終板和軟骨下骨小梁的變形［15］，因此schmorl結(jié)節(jié)疝入處為軟骨終板的力學(xué)薄弱點(diǎn)。前后緣軟骨結(jié)節(jié)即邊緣性軟骨結(jié)節(jié)，其產(chǎn)生是由于先天性軟骨板缺陷引起受力薄弱，通常情況，前后緣軟骨結(jié)節(jié)在載荷作用下，可引起椎體前壁或后壁向外突出［16］。其中腰椎后緣軟骨結(jié)節(jié)可疝入椎體內(nèi)，引起向椎管內(nèi)的骨性弧突，又稱腰椎軟骨結(jié)節(jié)破裂癥。因此軟骨終板作為一種椎間盤與椎體之間的物理屏障，可防止髓核疝入椎體的松質(zhì)骨內(nèi)［17］，保證了椎體上下面在載荷下均勻受力。

5　手術(shù)方式與軟骨終板的力學(xué)關(guān)系

目前仍有10%～20%的椎間盤退變患者需要借助手術(shù)減輕病痛，而早期單純的摘除髓核術(shù)，術(shù)后由于椎間盤生物力學(xué)環(huán)境的改變，異常應(yīng)力導(dǎo)致軟骨終板的退變和鈣化加速、通透性逐漸下降，此時(shí)軟骨終板的屏障作用起到了消極作用而營(yíng)養(yǎng)中介作用也不能充分地發(fā)揮，造成椎間盤系統(tǒng)破壞的惡性循環(huán)。后來(lái)相關(guān)研究者在此基礎(chǔ)上增加了對(duì)軟骨終板的部分摘除，效果較前者顯著改善。石新等［18］報(bào)道在行髓核摘除術(shù)的同時(shí)刮除部分軟骨終板，術(shù)后總體的優(yōu)良率達(dá)100%，而行單純髓核摘除，術(shù)后優(yōu)良率只達(dá)87.5%，證實(shí)了在術(shù)中刮除部分軟骨終板更有利于術(shù)后脊柱的穩(wěn)定。另有觀點(diǎn)認(rèn)為保留強(qiáng)度高的外圍終板，刮除終板薄弱的中央?yún)^(qū)域以便營(yíng)養(yǎng)輸入，其力學(xué)支撐的效果要比在終板上造多個(gè)缺損區(qū)的力學(xué)支撐更好［19］。近年來(lái)人工髓核假體置換術(shù)被廣泛使用，雖然此方法對(duì)患者創(chuàng)傷小、手術(shù)操作簡(jiǎn)單、近期療效顯著，但是仍然有一些問(wèn)題需要解決，如人工髓核植入后在軸向加壓時(shí)軟骨終板纖維環(huán)部位應(yīng)力較正常時(shí)仍然增高約15.5%，中央?yún)^(qū)域應(yīng)力較正常時(shí)增高約1.6%，根據(jù)有關(guān)隨訪結(jié)果，39例軟骨終板損傷患者中有32例假體不同程度下沉［6］，這可能是因?yàn)槿斯に韬说闹鶢罱Y(jié)構(gòu)、植入物與周圍終板、纖維環(huán)傳遞應(yīng)力不相連續(xù)，術(shù)后相關(guān)椎體連接結(jié)構(gòu)較正常椎間盤傳導(dǎo)應(yīng)力靈活性弱和過(guò)度不平穩(wěn)，主要著力點(diǎn)為柱狀結(jié)構(gòu)接觸部分、不能平穩(wěn)分布應(yīng)力，因此軟骨終板局部在長(zhǎng)期的異常應(yīng)力下出現(xiàn)鈣化、彈性減弱的慢性損傷，最終可導(dǎo)致植入物疝入上下椎體中［20］。

隨著人們對(duì)椎間盤系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不斷深入，未來(lái)在椎間盤病變時(shí)保護(hù)和重建軟骨終板的力學(xué)環(huán)境會(huì)被越來(lái)越多的醫(yī)生所認(rèn)可，而結(jié)果會(huì)隨著假體材料和手術(shù)方式的改進(jìn)趨于完善。

6　手法治療對(duì)軟骨終板的影響

國(guó)內(nèi)陳立等［21］觀察推拿手法對(duì)兔頸椎軟骨終板蛋白多糖變化的影響，認(rèn)為完全改變或逆轉(zhuǎn)應(yīng)力異常時(shí)軟骨終板蛋白多糖含量減少和成分改變的趨勢(shì)僅靠一指禪手法是不能實(shí)現(xiàn)的。而井夫杰［22］對(duì)模型相繼施加一指禪推法、三指拿法、揉按法（風(fēng)池、天柱、肩井、頸部夾脊穴）等推拿手法后發(fā)現(xiàn)手法干預(yù)雖不能逆轉(zhuǎn)椎間盤退變，但可有效防止軟骨下骨內(nèi)血竇密度及髓核內(nèi)軟骨細(xì)胞數(shù)量的下降，改善椎間盤軟骨終板營(yíng)養(yǎng)途徑，可不同程度減緩椎間盤退變速度，早期治療效果要好于晚期［23］。然而手法治療對(duì)軟骨終板的力學(xué)作用如何，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者單純觀察手法對(duì)軟骨終板力學(xué)作用影響的研究并不多，因此研究有待進(jìn)一步深入。

7　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)研究者們對(duì)軟骨終板的生物力學(xué)研究無(wú)論是基礎(chǔ)層面還是臨床觀察上都進(jìn)行了有益的嘗試，尤其是把基礎(chǔ)研究得出的結(jié)果運(yùn)用到臨床，對(duì)椎間盤退變的治療發(fā)揮了積極的作用。此外有些研究者們采用整脊療法與三維有限元分析相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行研究，而在微觀力學(xué)作用下的椎體軟骨終板具體的結(jié)構(gòu)變化機(jī)理的研究相對(duì)薄弱，隨著未來(lái)醫(yī)療工作者們對(duì)軟骨終板損傷等疾病的基礎(chǔ)研究和臨床診治的進(jìn)一步深入，可能對(duì)上述研究的薄弱環(huán)節(jié)有較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

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（編輯劉強(qiáng)）

R681.5

A

2095-4441（2015）03-0063-03

2015-04-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：81360552）；廣西自然科學(xué)基金（編號(hào)：2013GXNSFAA019142）

周紅海，E-mail：zhouhonghaijs2007@163.com