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，其病理基礎是腰椎間盤退變。長期力學負荷被認為是導致腰椎間盤突出的重要原因，由于腰椎間盤突出的發生與其力學狀態有著密切關系，因此有必要深入研究腰椎間盤內的應力、應變行為，從而為預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部不同區域力學性能變化規律的影響。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，進行準靜態壓縮-循環加載壓縮-準靜態壓縮實驗。取L3-L4運動節段平行于矢狀面切開，使用非接觸式數字圖像相關技術記錄準靜態壓縮過程中腰椎間盤的內部形變。結果與結論：①研究結果表明，所有腰椎間盤均呈現非線性的載荷-位移、應力-應變特性曲線;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節段變化的影響：腰椎間盤楊氏模量隨著節段變化而變化，且呈現如下變化規律：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年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:21-1581/R，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，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、方法及技術研究等。

　　腰椎間盤突出癥在臨床上十分常見，其病理基礎是腰椎間盤退變[1,2]。腰椎間盤是脊柱中一種結構復雜的承重組織，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生退行性病變[3]。腰椎間盤突出是髓核從有缺陷的纖維環中突出出來，突出組織不停地擠壓脊神經導致下腰痛[4]。長期力學負荷被認為是導致腰椎間盤突出的重要原因，由于腰椎間盤突出癥的發生與其力學狀態有著密切關系，因此有必要深入研究腰椎間盤內的應力/應變行為，從而為預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加載后的典型行為，以顯微裂紋的出現為標志，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，探討低頻循環載荷下前屈的腰椎間盤運動節段中的微觀結構損傷。BERGER-ROSCHER等[12]使用新開發的動態六自由度腰椎間盤加載模擬器進行循環測試。目前研究大多觀察到了疲勞損傷的宏觀證據，而對于這種破壞性載荷條件下纖維環組織水平的應力和應變知之甚少。

　　數字圖像相關技術(digitalimagecorrelation,DIC)基于變形前后圖像之間的相關性實現試件表面位移的測量，經計算可得到位移場、應變場，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，在此基礎上使用DIC技術測試滾壓載荷下有無缺損關節軟骨的內部力學性能。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技術測試腰椎間盤的內部位移場。

　　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力學性能的影響。使用非接觸式DIC技術，分析疲勞加載前后腰椎間盤內部不同區域的力學性能變化規律。

　　1、材料和方法

　　1.1 設計

　　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內的18月齡小尾寒羊的完整脊柱由天津當地屠宰場提供。獲取腰椎間盤L1-2,L3-4,L5-6運動節段，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個樣本用于內部力學性能測試。制作用于內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部形變，為了維持腰椎間盤內的髓核內壓，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部結構，能觀察到斷層，而且最低程度破壞其內部成分。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計表

　　1.3.2 實驗設備

　　準靜態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，圖像采集系統的精度為1376×1035，放大倍數最大為300倍。圖像處理軟件可以對連續拍攝的圖片進行處理，得到位移場和應變場。

　　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部準靜態壓縮性能的變化。實驗時取L1-2,L3-4,L5-6運動節段，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。分別調整準靜態壓縮速率為0.01mm/s(應變率0.0025/s)、0.1mm/s(應變率0.025/s)，在室溫下進行垂直縮，停止位移1.2mm(應變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節段進行循環加載，加載頻率為1Hz，循環次數為4000次。循環加載完成后，重復疲勞前的準靜態壓縮加載，并對比疲勞加載前后試樣的準靜態壓縮性能。

　　實驗方法采用DIC技術，將氧化鐵納米粒子均勻涂抹在L3-4運動節段平行于矢狀面切開的表面作為標記點，運用DIC技術跟蹤切開表面的標記點，經過計算得到腰椎間盤內部不同區域的變形情況。圖3顯示了準靜態加載前后腰椎間盤切開面內背側的采集圖像，左側中部的橢圓形區域為髓核，右側區域為纖維環，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部準靜態壓縮性能的變化。

　　2、結果

　　2.1 疲勞載荷對于腰椎間盤準靜態力學性能的影響

　　應力-應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，因而采用基于應力-應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，腰椎間盤的應力-應變曲線均呈現出兩段特性，即趾部段、線性段。

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

　　表2|疲勞前后腰椎間盤的力學性能參數

　　2.2 不同加載速率對于腰椎間盤準靜態力學性能的影響

　　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節段的應力-應變曲線。結果表明，腰椎間盤的應力-應變曲線大體呈現出兩段特性，即趾部段、線性段。

　　基于圖5所示應力-應變特性曲線，計算出線性段的楊氏模量，并列于表3。結果表明，隨著準靜態壓縮速率的增加，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性。

　　表3|不同加載速率下腰椎間盤的力學性能參數

　　2.3 恒定加載速率下腰椎間盤內部不同區域的壓縮性能

　　圖6顯示了疲勞加載前，加載速率為0.1mm/s時背側纖維環內部的位移分布情況。腰椎間盤不同區域的位移變化曲線不重合，說明腰椎間盤各區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時背側纖維環內部的位移分布情況。腰椎間盤不同區域的位移變化曲線不重合，說明腰椎間盤各區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部不同區域的力學性能變化規律。

　　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力-應變特性曲線

　　第一個發現是，疲勞前后應力-應變曲線不重合，這一結果與VERGROESEN等[14]的研究結果是一致的。他們近期對山羊腰椎間盤試件進行循環壓縮加載，研究長期動態負載對椎間盤內壓、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，組織實體會將間質水分擠出腰椎間盤，因此腰椎間盤的高度下降并出現腰椎間盤突出[15,16]。此外，垂直壓縮下腰椎間盤不同節段的楊氏模量不同，L5-L6

　　圖3|數字圖像相關技術采集圖像

　　圖2|數字圖像相關系統整套實驗設備

　　圖6|疲勞前腰椎間盤內部的載荷-位移曲線

　　圖7|疲勞后腰椎間盤內部的載荷-位移曲線

　　第二個發現是，不同加載速率下應力-應變曲線不重合，說明垂直壓縮下腰椎間盤具有率相關性能。在相同應力下，加載速率越大，腰椎間盤的壓縮應變越小。在時間足夠的情況下，較小的加載速率同樣可以產生較大的變形，而這種變形可能會對腰椎間盤的內部結構造成破壞[20,21]，使腰椎間盤出現病變而不能正常發揮功能。因此，為了避免腰椎間盤突出，應多進行有關腰背肌的功能鍛煉，控制體質量，避免提過重的重物，避免長時間保持一個不良姿勢。在持續工作一段時間后，要作適當的休息，這樣可以避免腰椎間盤受到持續較強壓力而發生疼痛[22,23]。

　　第三個發現是，疲勞加載對于垂直壓縮下腰椎間盤內部位移分布有顯著影響。疲勞加載之前，背側纖維環上層軸向位移最大，內層徑向位移略小于外層;疲勞加載之后，背側纖維環上層軸向位移最小，內層徑向位移明顯小于外層。疲勞加載之前的測試結果與O’CONNELL等[24]的研究結果是一致的，他們使用MRI定量分析壓縮載荷下完整的人體腰椎間盤內部形變和應變，研究結果表明，背側區域上層及下層軸向位移較大，而最大徑向應變位于背側區域的外層。由腰椎間盤的結構和組成可知，外層纖維環由高度緊密、有序排列的Ⅰ型膠原纖維板層結構組成，能夠抵抗拉伸載荷并包繞內層纖維環;內層纖維環由較低密度的Ⅱ型膠原基質組成，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，這可能導致腰椎間盤內部位移分布發生變化。

　　4、結論

　　此文采用DIC系統進行準靜態壓縮實驗，探討疲勞損傷對于腰椎間盤整體及其內部不同區域力學性能變化規律的影響。有幾下幾點發現：(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段變化而變化，且呈現如下變化規律：L5-L6節段

　　參考文獻：

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