腰椎間盤疲勞損傷的生物力學特性

　　摘要：背景：腰椎間盤突出癥在臨床上十分常見，其病理基礎(chǔ)是腰椎間盤退變。長期力學負荷被認為是導(dǎo)致腰椎間盤突出的重要原因，由于腰椎間盤突出的發(fā)生與其力學狀態(tài)有著密切關(guān)系，因此有必要深入研究腰椎間盤內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變行為，從而為預(yù)防腰椎間盤突出提出啟示。目的：探討疲勞損傷對于腰椎間盤整體及其內(nèi)部不同區(qū)域力學性能變化規(guī)律的影響。方法：使用剛宰殺的羊腰椎間盤，將其處理后取L1-L2,L3-L4,L5-L6運動節(jié)段制作實驗樣本。通過上下椎骨將實驗樣本固定在實驗平臺上，進行準靜態(tài)壓縮-循環(huán)加載壓縮-準靜態(tài)壓縮實驗。取L3-L4運動節(jié)段平行于矢狀面切開，使用非接觸式數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)記錄準靜態(tài)壓縮過程中腰椎間盤的內(nèi)部形變。結(jié)果與結(jié)論：①研究結(jié)果表明，所有腰椎間盤均呈現(xiàn)非線性的載荷-位移、應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線;②疲勞載荷的影響：疲勞加載之后，腰椎間盤的楊氏模量明顯增加;③節(jié)段變化的影響：腰椎間盤楊氏模量隨著節(jié)段變化而變化，且呈現(xiàn)如下變化規(guī)律：L5-L6

　　本文源自中國組織工程研究,2021,25(03):339-343.《中國組織工程研究》雜志，于1997年經(jīng)國家新聞出版總署批準正式創(chuàng)刊，CN:21-1581/R，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：硬組織工程及植入物研究 、組織工程實驗造模、方法及技術(shù)研究等。

　　腰椎間盤突出癥在臨床上十分常見，其病理基礎(chǔ)是腰椎間盤退變[1,2]。腰椎間盤是脊柱中一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的承重組織，具有保持整個脊柱高度、分散載荷、連接上下椎體、傳遞和緩沖載荷等作用，完成上述功能時腰椎間盤也易受損傷或較早產(chǎn)生退行性病變[3]。腰椎間盤突出是髓核從有缺陷的纖維環(huán)中突出出來，突出組織不停地擠壓脊神經(jīng)導(dǎo)致下腰痛[4]。長期力學負荷被認為是導(dǎo)致腰椎間盤突出的重要原因，由于腰椎間盤突出癥的發(fā)生與其力學狀態(tài)有著密切關(guān)系，因此有必要深入研究腰椎間盤內(nèi)的應(yīng)力/應(yīng)變行為，從而為預(yù)防腰椎間盤突出提出啟示[5]。

　　疲勞是材料受到一定強度循環(huán)加載后的典型行為，以顯微裂紋的出現(xiàn)為標志，作為重要承載器官的腰椎間盤也不例外[6,7]。腰椎間盤疲勞損傷是基于脊柱活動時腰椎間盤載荷的微小損傷，但每次損傷均不構(gòu)成患者自覺癥狀，長期微小損傷的累積最終會因為一個小的誘因而導(dǎo)致嚴重的腰椎疾病[8]。腰椎間盤的疲勞損傷在運動員長跑、部隊新兵訓練以及老年人活動中較為常見，臨床很多看似突然過大負荷造成的腰椎間盤突出患者，實際上的病機是疲勞損傷[9,10]。一些學者使用動物模型進行了體外實驗，研究疲勞損傷對于腰椎間盤力學性能的影響。例如，SCHOLLUM等[11]使用綿羊腰椎間盤進行實驗，在0.5Hz下進行周期性加載，探討低頻循環(huán)載荷下前屈的腰椎間盤運動節(jié)段中的微觀結(jié)構(gòu)損傷。BERGER-ROSCHER等[12]使用新開發(fā)的動態(tài)六自由度腰椎間盤加載模擬器進行循環(huán)測試。目前研究大多觀察到了疲勞損傷的宏觀證據(jù)，而對于這種破壞性載荷條件下纖維環(huán)組織水平的應(yīng)力和應(yīng)變知之甚少。

　　數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(digitalimagecorrelation,DIC)基于變形前后圖像之間的相關(guān)性實現(xiàn)試件表面位移的測量，經(jīng)計算可得到位移場、應(yīng)變場，適用于生物軟、硬組織材料的力學性能測試。GAO等[7]將納米氧化鐵顆粒作為示蹤劑并均勻涂抹于軟骨試樣表面，在此基礎(chǔ)上使用DIC技術(shù)測試滾壓載荷下有無缺損關(guān)節(jié)軟骨的內(nèi)部力學性能。LIU等[13]將氧化鐵納米粒子均勻涂于腰椎間盤試樣表面，并使用DIC技術(shù)測試腰椎間盤的內(nèi)部位移場。

　　此文將對腰椎間盤施加疲勞壓縮載荷來模擬一天的繁重勞動，深入研究疲勞損傷對于垂直壓縮下腰椎間盤率相關(guān)力學性能的影響。使用非接觸式DIC技術(shù)，分析疲勞加載前后腰椎間盤內(nèi)部不同區(qū)域的力學性能變化規(guī)律。

　　1、材料和方法

　　1.1 設(shè)計

　　生物力學實驗。

　　1.2 時間及地點

　　于2019年9至12月在天津理工大學機械工程學院生物力學實驗室完成。

　　1.3 材料

　　1.3.1 實驗標本

　　10只新鮮宰殺4-6h內(nèi)的18月齡小尾寒羊的完整脊柱由天津當?shù)赝涝讏鎏峁＋@取腰椎間盤L1-2,L3-4,L5-6運動節(jié)段，剝離多余軟組織、肌肉組織，保留腰椎間盤與少量椎體，制作30個帶有上下椎骨的試樣樣本(圖1)。30個實驗樣本分為2組，其中15個樣本用于整體力學性能測試，15個樣本用于內(nèi)部力學性能測試。制作用于內(nèi)部力學性能測試的試樣時，需要平行于矢狀面切開用于觀察其內(nèi)部形變，為了維持腰椎間盤內(nèi)的髓核內(nèi)壓，切割時未損傷髓核。切開后可以很清楚地看到腰椎間盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能觀察到斷層，而且最低程度破壞其內(nèi)部成分。實驗樣本制作完成之后，使用浸泡生理鹽水的紗布包裹所有試樣，防止實驗過程中腰椎間盤水分在空氣中丟失。

　　腰椎間盤實驗樣本基本信息統(tǒng)計見表1，腰椎間盤面積：L1-L2為(251±10)mm2、L3-L4為(310±10)mm2、L5-L6為(358±10)mm2，腰椎間盤高度為(3.98±0.12)mm。

　　表1|腰椎間盤實驗樣本基本信息統(tǒng)計表

　　1.3.2 實驗設(shè)備

　　準靜態(tài)加載使用長春科新實驗儀器有限公司制造的WDW-10微機控制電子萬能試驗機，最大試驗載荷可達到10kN。疲勞加載使用中國上海大學力學實驗中心研發(fā)的EUT-1020電子萬能疲勞試驗機，最大試驗載荷為1kN，行程為±100mm(圖2)。使用逐行掃描的CCD相機，圖像采集系統(tǒng)的精度為1376×1035，放大倍數(shù)最大為300倍。圖像處理軟件可以對連續(xù)拍攝的圖片進行處理，得到位移場和應(yīng)變場。

　　1.4 實驗方法

　　此次實驗是為了測試疲勞加載前后腰椎間盤整體及內(nèi)部準靜態(tài)壓縮性能的變化。實驗時取L1-2,L3-4,L5-6運動節(jié)段，通過上下椎骨將完整的腰椎間盤試樣固定在WDW-10萬能試驗機的實驗平臺上，保證椎骨平面與中心軸線垂直。分別調(diào)整準靜態(tài)壓縮速率為0.01mm/s(應(yīng)變率0.0025/s)、0.1mm/s(應(yīng)變率0.025/s)，在室溫下進行垂直縮，停止位移1.2mm(應(yīng)變30%)。使用電子通用疲勞試驗機(EUT-1020)，在室溫下對L1-2,L3-4,L5-6節(jié)段進行循環(huán)加載，加載頻率為1Hz，循環(huán)次數(shù)為4000次。循環(huán)加載完成后，重復(fù)疲勞前的準靜態(tài)壓縮加載，并對比疲勞加載前后試樣的準靜態(tài)壓縮性能。

　　實驗方法采用DIC技術(shù)，將氧化鐵納米粒子均勻涂抹在L3-4運動節(jié)段平行于矢狀面切開的表面作為標記點，運用DIC技術(shù)跟蹤切開表面的標記點，經(jīng)過計算得到腰椎間盤內(nèi)部不同區(qū)域的變形情況。圖3顯示了準靜態(tài)加載前后腰椎間盤切開面內(nèi)背側(cè)的采集圖像，左側(cè)中部的橢圓形區(qū)域為髓核，右側(cè)區(qū)域為纖維環(huán)，均勻分布的黑色斑點為納米粒子。選擇具有相似x值的一組標記點a1(x1、y1),a2(x2、y2)，通過比較準靜態(tài)加載前后y值的變化，反映軸向位移分布的變化情況;選擇具有相似y值的一組標記點a3(x3、y3),a4(x4、y4)，通過比較準靜態(tài)加載前后x值的變化，反映徑向位移分布的變化情況。

　　1.5 主要觀察指標

　　疲勞加載前后腰椎間盤整體及內(nèi)部準靜態(tài)壓縮性能的變化。

　　2、結(jié)果

　　2.1 疲勞載荷對于腰椎間盤準靜態(tài)力學性能的影響

　　應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性能夠間接反映不同變形階段腰椎間盤的力學特性，因而采用基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線作圖的方法來確定楊氏模量，見圖4。由圖中可以看出，疲勞加載前后，腰椎間盤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出兩段特性，即趾部段、線性段。

　　基于圖4所示應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線，計算出線性段的楊氏模量，并列于表2。結(jié)果表明，疲勞加載之后，L1-2,L3-4,L5-6節(jié)段的楊氏模量均明顯增加。此外，腰椎間盤力學性能隨著節(jié)段變化而變化，且楊氏模量存在如下變化規(guī)律：L5-L6

　　表2|疲勞前后腰椎間盤的力學性能參數(shù)

　　2.2 不同加載速率對于腰椎間盤準靜態(tài)力學性能的影響

　　圖5顯示了垂直壓縮速率分別為0.01,0.1mm/s時腰椎間盤L3-L4節(jié)段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，腰椎間盤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大體呈現(xiàn)出兩段特性，即趾部段、線性段。

　　基于圖5所示應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線，計算出線性段的楊氏模量，并列于表3。結(jié)果表明，隨著準靜態(tài)壓縮速率的增加，腰椎間盤的楊氏模量顯著增加，可知腰椎間盤具有明顯的率相關(guān)性。

　　表3|不同加載速率下腰椎間盤的力學性能參數(shù)

　　2.3 恒定加載速率下腰椎間盤內(nèi)部不同區(qū)域的壓縮性能

　　圖6顯示了疲勞加載前，加載速率為0.1mm/s時背側(cè)纖維環(huán)內(nèi)部的位移分布情況。腰椎間盤不同區(qū)域的位移變化曲線不重合，說明腰椎間盤各區(qū)域的力學性能存在差異。恒定加載速率下，軸向位移方向向下，中層位移<下層位移<上層位移;徑向位移方向向外，中層位移較小，內(nèi)層及外層位移較大。

　　圖7顯示了疲勞加載后，加載速率為0.1mm/s時背側(cè)纖維環(huán)內(nèi)部的位移分布情況。腰椎間盤不同區(qū)域的位移變化曲線不重合，說明腰椎間盤各區(qū)域的力學性能存在差異。恒定加載速率下，軸向位移方向向下，上層位移較小，中層及下層位移較大;徑向位移方向向外，內(nèi)層及中層位移較小，外層徑向位移較大。

　　3、討論

　　此文探討疲勞損傷對于垂直壓縮下腰椎間盤力學性能的影響，以及疲勞加載前后腰椎間盤內(nèi)部不同區(qū)域的力學性能變化規(guī)律。

　　圖1|羊腰椎實驗樣本的制作及保存

　　圖5|不同加載速率下腰椎間盤的應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線

　　第一個發(fā)現(xiàn)是，疲勞前后應(yīng)力-應(yīng)變曲線不重合，這一結(jié)果與VERGROESEN等[14]的研究結(jié)果是一致的。他們近期對山羊腰椎間盤試件進行循環(huán)壓縮加載，研究長期動態(tài)負載對椎間盤內(nèi)壓、椎間盤高度和壓縮剛度的影響，并檢查了它們之間的相互關(guān)系。當腰椎間盤承受長期高水平的軸向載荷時，比如長時間的站立，組織實體會將間質(zhì)水分擠出腰椎間盤，因此腰椎間盤的高度下降并出現(xiàn)腰椎間盤突出[15,16]。此外，垂直壓縮下腰椎間盤不同節(jié)段的楊氏模量不同，L5-L6

　　圖3|數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)采集圖像

　　圖2|數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)整套實驗設(shè)備

　　圖6|疲勞前腰椎間盤內(nèi)部的載荷-位移曲線

　　圖7|疲勞后腰椎間盤內(nèi)部的載荷-位移曲線

　　第二個發(fā)現(xiàn)是，不同加載速率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線不重合，說明垂直壓縮下腰椎間盤具有率相關(guān)性能。在相同應(yīng)力下，加載速率越大，腰椎間盤的壓縮應(yīng)變越小。在時間足夠的情況下，較小的加載速率同樣可以產(chǎn)生較大的變形，而這種變形可能會對腰椎間盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞[20,21]，使腰椎間盤出現(xiàn)病變而不能正常發(fā)揮功能。因此，為了避免腰椎間盤突出，應(yīng)多進行有關(guān)腰背肌的功能鍛煉，控制體質(zhì)量，避免提過重的重物，避免長時間保持一個不良姿勢。在持續(xù)工作一段時間后，要作適當?shù)男菹ⅲ@樣可以避免腰椎間盤受到持續(xù)較強壓力而發(fā)生疼痛[22,23]。

　　第三個發(fā)現(xiàn)是，疲勞加載對于垂直壓縮下腰椎間盤內(nèi)部位移分布有顯著影響。疲勞加載之前，背側(cè)纖維環(huán)上層軸向位移最大，內(nèi)層徑向位移略小于外層;疲勞加載之后，背側(cè)纖維環(huán)上層軸向位移最小，內(nèi)層徑向位移明顯小于外層。疲勞加載之前的測試結(jié)果與O’CONNELL等[24]的研究結(jié)果是一致的，他們使用MRI定量分析壓縮載荷下完整的人體腰椎間盤內(nèi)部形變和應(yīng)變，研究結(jié)果表明，背側(cè)區(qū)域上層及下層軸向位移較大，而最大徑向應(yīng)變位于背側(cè)區(qū)域的外層。由腰椎間盤的結(jié)構(gòu)和組成可知，外層纖維環(huán)由高度緊密、有序排列的Ⅰ型膠原纖維板層結(jié)構(gòu)組成，能夠抵抗拉伸載荷并包繞內(nèi)層纖維環(huán);內(nèi)層纖維環(huán)由較低密度的Ⅱ型膠原基質(zhì)組成，是較厚的纖維軟骨性組織[24]。在疲勞加載過程中，軸向載荷通過髓核傳遞到周圍纖維環(huán)，這可能導(dǎo)致腰椎間盤內(nèi)部位移分布發(fā)生變化。

　　4、結(jié)論

　　此文采用DIC系統(tǒng)進行準靜態(tài)壓縮實驗，探討疲勞損傷對于腰椎間盤整體及其內(nèi)部不同區(qū)域力學性能變化規(guī)律的影響。有幾下幾點發(fā)現(xiàn)：(1)疲勞加載之后，腰椎間盤的楊氏模量明顯增加;(2)腰椎間盤楊氏模量隨著節(jié)段變化而變化，且呈現(xiàn)如下變化規(guī)律：L5-L6節(jié)段

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