关节软骨三相力学特性与骨关节炎等级关系研究.PDF

中国科学: 生命科学 2012 年 第42 卷 第7 期: 572 ~ 578 SCIENTIA SINICA Vitae SCIENCE CHINA PRESS 论 文 关节软骨三相力学特性与骨关节炎等级关系研究 ① ① ① ① ② ③ ① ①* 牛海军 , 刘诚睿 , 李昂 , 鄢嫣 , 王青 , 王月香 , 李德玉 , 樊瑜波 ① 北京航空航天大学生物与医学工程学院, 生物力学与力生物学教育部重点实验室, 北京 100191; ② 南方医科大学生物医学工程学院, 广州 510515; ③ 中国人民解放军总医院超声科, 北京 100853 * 联系人, E-mail: yubofan@buaa. edu. cn 收稿日期: 2011-11-01; 接受日期: 2012-04-23 国家自然科学基金(批准号:和山东省自然科学基金(批准号: ZR2009CMO32)资助项目 摘要 本研究旨在探索不同等级关节炎软骨的三相力学特性. 首先, 对手术建立的不同 关键词 阶段兔关节炎软骨模型进行病理学分级, 并基于高频瞬态超声技术获取软骨因自由膨胀引 骨关节炎等级 三相理论 起的组织应变量, 结合测量得到的软骨组织内固定电荷密度和水体积分数, 运用分层三相 超声 模型估计软骨组织的轴向弹性模量. 实验结果显示, 相同等级软骨组织的表层轴向弹性模 轴向弹性模量 量低于中层和深层组织; 随着关节炎等级的升高, 软骨表层、中层和深层组织的轴向弹性模 量都呈现逐渐下降的趋势; 不同等级关节炎软骨表层组织的弹性模量之间存在明显差异 (P0.01); 1 和2 级关节炎软骨的中层和深层组织的弹性模量无明显变化(P0.01), 3 级关节炎 软骨的中层和深层组织弹性模量较1 和2 级关节炎软骨明显减小(P0.05). 本研究为基于软 骨组织的力学特性来定量评判关节炎的严重程度提供了新的思路. 骨关节炎是一种慢性关节疾病, 主要表现为软 保持平衡, 该平衡对于维持软骨的力学特性至关重 骨组织的退化和继发性骨质增生, 临床症状包括关 要[4]. 但是在病变条件下(如关节炎), 软骨组织结构 节疼痛、活动受限、功能丧失和关节畸形, 严重时可 与成分变化, 该平衡被打破, 软骨的力学特性随之变 致残. 关节炎的早期诊断对于其及时治疗和相关并 化[5,6]. 因此关节软骨力学特性的变化是早期关节炎 发症的预防有重要意义[1,2]. 的一个重要标志. 关节软骨主要由软骨细胞( 占 5%)和细胞外基质 多种非侵入性的影像学技术, 如关节镜检查、计 ( 占95%)构成, 其中基质由水、蛋白多糖(proteoglycan, 算机断层扫描(computed tomography, CT)、磁共振成 PG) 、胶原、少量脂肪和无机盐组成[2]. 关节软骨的 像(magnatic resonance imaging, MRI)等都已被应用到 成分含量随着软骨的深度变化而变化, 并与组织结 关节炎的早期研究, 但有效性不高[7~10]. 许多研究探 构一同决定着软骨的生物力学特性[2,3]. 正常生理状 索了退化软骨的力学特性, 试图应用软骨力学特性 态下, 蛋白多糖和水