腰椎间盘疲劳损伤的生物力学特性

　　摘要：背景：腰椎间盘突出症在临床上十分常见，其病理基础是腰椎间盘退变。长期力学负荷被认为是导致腰椎间盘突出的重要原因，由于腰椎间盘突出的发生与其力学状态有着密切关系，因此有必要深入研究腰椎间盘内的应力、应变行为，从而为预防腰椎间盘突出提出启示。目的：探讨疲劳损伤对于腰椎间盘整体及其内部不同区域力学性能变化规律的影响。方法：使用刚宰杀的羊腰椎间盘，将其处理后取L1-L2,L3-L4,L5-L6运动节段制作实验样本。通过上下椎骨将实验样本固定在实验平台上，进行准静态压缩-循环加载压缩-准静态压缩实验。取L3-L4运动节段平行于矢状面切开，使用非接触式数字图像相关技术记录准静态压缩过程中腰椎间盘的内部形变。结果与结论：①研究结果表明，所有腰椎间盘均呈现非线性的载荷-位移、应力-应变特性曲线;②疲劳载荷的影响：疲劳加载之后，腰椎间盘的杨氏模量明显增加;③节段变化的影响：腰椎间盘杨氏模量随着节段变化而变化，且呈现如下变化规律：L5-L6

　　本文源自中国组织工程研究,2021,25(03):339-343.《中国组织工程研究》杂志，于1997年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:21-1581/R，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：硬组织工程及植入物研究 、组织工程实验造模、方法及技术研究等。

　　腰椎间盘突出症在临床上十分常见，其病理基础是腰椎间盘退变[1,2]。腰椎间盘是脊柱中一种结构复杂的承重组织，具有保持整个脊柱高度、分散载荷、连接上下椎体、传递和缓冲载荷等作用，完成上述功能时腰椎间盘也易受损伤或较早产生退行性病变[3]。腰椎间盘突出是髓核从有缺陷的纤维环中突出出来，突出组织不停地挤压脊神经导致下腰痛[4]。长期力学负荷被认为是导致腰椎间盘突出的重要原因，由于腰椎间盘突出症的发生与其力学状态有着密切关系，因此有必要深入研究腰椎间盘内的应力/应变行为，从而为预防腰椎间盘突出提出启示[5]。

　　疲劳是材料受到一定强度循环加载后的典型行为，以显微裂纹的出现为标志，作为重要承载器官的腰椎间盘也不例外[6,7]。腰椎间盘疲劳损伤是基于脊柱活动时腰椎间盘载荷的微小损伤，但每次损伤均不构成患者自觉症状，长期微小损伤的累积最终会因为一个小的诱因而导致严重的腰椎疾病[8]。腰椎间盘的疲劳损伤在运动员长跑、部队新兵训练以及老年人活动中较为常见，临床很多看似突然过大负荷造成的腰椎间盘突出患者，实际上的病机是疲劳损伤[9,10]。一些学者使用动物模型进行了体外实验，研究疲劳损伤对于腰椎间盘力学性能的影响。例如，SCHOLLUM等[11]使用绵羊腰椎间盘进行实验，在0.5Hz下进行周期性加载，探讨低频循环载荷下前屈的腰椎间盘运动节段中的微观结构损伤。BERGER-ROSCHER等[12]使用新开发的动态六自由度腰椎间盘加载模拟器进行循环测试。目前研究大多观察到了疲劳损伤的宏观证据，而对于这种破坏性载荷条件下纤维环组织水平的应力和应变知之甚少。

　　数字图像相关技术(digitalimagecorrelation,DIC)基于变形前后图像之间的相关性实现试件表面位移的测量，经计算可得到位移场、应变场，适用于生物软、硬组织材料的力学性能测试。GAO等[7]将纳米氧化铁颗粒作为示踪剂并均匀涂抹于软骨试样表面，在此基础上使用DIC技术测试滚压载荷下有无缺损关节软骨的内部力学性能。LIU等[13]将氧化铁纳米粒子均匀涂于腰椎间盘试样表面，并使用DIC技术测试腰椎间盘的内部位移场。

　　此文将对腰椎间盘施加疲劳压缩载荷来模拟一天的繁重劳动，深入研究疲劳损伤对于垂直压缩下腰椎间盘率相关力学性能的影响。使用非接触式DIC技术，分析疲劳加载前后腰椎间盘内部不同区域的力学性能变化规律。

　　1、材料和方法

　　1.1 设计

　　生物力学实验。

　　1.2 时间及地点

　　于2019年9至12月在天津理工大学机械工程学院生物力学实验室完成。

　　1.3 材料

　　1.3.1 实验标本

　　10只新鲜宰杀4-6h内的18月龄小尾寒羊的完整脊柱由天津当地屠宰场提供。获取腰椎间盘L1-2,L3-4,L5-6运动节段，剥离多余软组织、肌肉组织，保留腰椎间盘与少量椎体，制作30个带有上下椎骨的试样样本(图1)。30个实验样本分为2组，其中15个样本用于整体力学性能测试，15个样本用于内部力学性能测试。制作用于内部力学性能测试的试样时，需要平行于矢状面切开用于观察其内部形变，为了维持腰椎间盘内的髓核内压，切割时未损伤髓核。切开后可以很清楚地看到腰椎间盘的内部结构，能观察到断层，而且最低程度破坏其内部成分。实验样本制作完成之后，使用浸泡生理盐水的纱布包裹所有试样，防止实验过程中腰椎间盘水分在空气中丢失。

　　腰椎间盘实验样本基本信息统计见表1，腰椎间盘面积：L1-L2为(251±10)mm2、L3-L4为(310±10)mm2、L5-L6为(358±10)mm2，腰椎间盘高度为(3.98±0.12)mm。

　　表1|腰椎间盘实验样本基本信息统计表

　　1.3.2 实验设备

　　准静态加载使用长春科新实验仪器有限公司制造的WDW-10微机控制电子万能试验机，最大试验载荷可达到10kN。疲劳加载使用中国上海大学力学实验中心研发的EUT-1020电子万能疲劳试验机，最大试验载荷为1kN，行程为±100mm(图2)。使用逐行扫描的CCD相机，图像采集系统的精度为1376×1035，放大倍数最大为300倍。图像处理软件可以对连续拍摄的图片进行处理，得到位移场和应变场。

　　1.4 实验方法

　　此次实验是为了测试疲劳加载前后腰椎间盘整体及内部准静态压缩性能的变化。实验时取L1-2,L3-4,L5-6运动节段，通过上下椎骨将完整的腰椎间盘试样固定在WDW-10万能试验机的实验平台上，保证椎骨平面与中心轴线垂直。分别调整准静态压缩速率为0.01mm/s(应变率0.0025/s)、0.1mm/s(应变率0.025/s)，在室温下进行垂直缩，停止位移1.2mm(应变30%)。使用电子通用疲劳试验机(EUT-1020)，在室温下对L1-2,L3-4,L5-6节段进行循环加载，加载频率为1Hz，循环次数为4000次。循环加载完成后，重复疲劳前的准静态压缩加载，并对比疲劳加载前后试样的准静态压缩性能。

　　实验方法采用DIC技术，将氧化铁纳米粒子均匀涂抹在L3-4运动节段平行于矢状面切开的表面作为标记点，运用DIC技术跟踪切开表面的标记点，经过计算得到腰椎间盘内部不同区域的变形情况。图3显示了准静态加载前后腰椎间盘切开面内背侧的采集图像，左侧中部的椭圆形区域为髓核，右侧区域为纤维环，均匀分布的黑色斑点为纳米粒子。选择具有相似x值的一组标记点a1(x1、y1),a2(x2、y2)，通过比较准静态加载前后y值的变化，反映轴向位移分布的变化情况;选择具有相似y值的一组标记点a3(x3、y3),a4(x4、y4)，通过比较准静态加载前后x值的变化，反映径向位移分布的变化情况。

　　1.5 主要观察指标

　　疲劳加载前后腰椎间盘整体及内部准静态压缩性能的变化。

　　2、结果

　　2.1 疲劳载荷对于腰椎间盘准静态力学性能的影响

　　应力-应变曲线特性能够间接反映不同变形阶段腰椎间盘的力学特性，因而采用基于应力-应变曲线作图的方法来确定杨氏模量，见图4。由图中可以看出，疲劳加载前后，腰椎间盘的应力-应变曲线均呈现出两段特性，即趾部段、线性段。

　　基于图4所示应力-应变特性曲线，计算出线性段的杨氏模量，并列于表2。结果表明，疲劳加载之后，L1-2,L3-4,L5-6节段的杨氏模量均明显增加。此外，腰椎间盘力学性能随着节段变化而变化，且杨氏模量存在如下变化规律：L5-L6

　　表2|疲劳前后腰椎间盘的力学性能参数

　　2.2 不同加载速率对于腰椎间盘准静态力学性能的影响

　　图5显示了垂直压缩速率分别为0.01,0.1mm/s时腰椎间盘L3-L4节段的应力-应变曲线。结果表明，腰椎间盘的应力-应变曲线大体呈现出两段特性，即趾部段、线性段。

　　基于图5所示应力-应变特性曲线，计算出线性段的杨氏模量，并列于表3。结果表明，随着准静态压缩速率的增加，腰椎间盘的杨氏模量显著增加，可知腰椎间盘具有明显的率相关性。

　　表3|不同加载速率下腰椎间盘的力学性能参数

　　2.3 恒定加载速率下腰椎间盘内部不同区域的压缩性能

　　图6显示了疲劳加载前，加载速率为0.1mm/s时背侧纤维环内部的位移分布情况。腰椎间盘不同区域的位移变化曲线不重合，说明腰椎间盘各区域的力学性能存在差异。恒定加载速率下，轴向位移方向向下，中层位移<下层位移<上层位移;径向位移方向向外，中层位移较小，内层及外层位移较大。

　　图7显示了疲劳加载后，加载速率为0.1mm/s时背侧纤维环内部的位移分布情况。腰椎间盘不同区域的位移变化曲线不重合，说明腰椎间盘各区域的力学性能存在差异。恒定加载速率下，轴向位移方向向下，上层位移较小，中层及下层位移较大;径向位移方向向外，内层及中层位移较小，外层径向位移较大。

　　3、讨论

　　此文探讨疲劳损伤对于垂直压缩下腰椎间盘力学性能的影响，以及疲劳加载前后腰椎间盘内部不同区域的力学性能变化规律。

　　图1|羊腰椎实验样本的制作及保存

　　图5|不同加载速率下腰椎间盘的应力-应变特性曲线

　　第一个发现是，疲劳前后应力-应变曲线不重合，这一结果与VERGROESEN等[14]的研究结果是一致的。他们近期对山羊腰椎间盘试件进行循环压缩加载，研究长期动态负载对椎间盘内压、椎间盘高度和压缩刚度的影响，并检查了它们之间的相互关系。当腰椎间盘承受长期高水平的轴向载荷时，比如长时间的站立，组织实体会将间质水分挤出腰椎间盘，因此腰椎间盘的高度下降并出现腰椎间盘突出[15,16]。此外，垂直压缩下腰椎间盘不同节段的杨氏模量不同，L5-L6

　　图3|数字图像相关技术采集图像

　　图2|数字图像相关系统整套实验设备

　　图6|疲劳前腰椎间盘内部的载荷-位移曲线

　　图7|疲劳后腰椎间盘内部的载荷-位移曲线

　　第二个发现是，不同加载速率下应力-应变曲线不重合，说明垂直压缩下腰椎间盘具有率相关性能。在相同应力下，加载速率越大，腰椎间盘的压缩应变越小。在时间足够的情况下，较小的加载速率同样可以产生较大的变形，而这种变形可能会对腰椎间盘的内部结构造成破坏[20,21]，使腰椎间盘出现病变而不能正常发挥功能。因此，为了避免腰椎间盘突出，应多进行有关腰背肌的功能锻炼，控制体质量，避免提过重的重物，避免长时间保持一个不良姿势。在持续工作一段时间后，要作适当的休息，这样可以避免腰椎间盘受到持续较强压力而发生疼痛[22,23]。

　　第三个发现是，疲劳加载对于垂直压缩下腰椎间盘内部位移分布有显著影响。疲劳加载之前，背侧纤维环上层轴向位移最大，内层径向位移略小于外层;疲劳加载之后，背侧纤维环上层轴向位移最小，内层径向位移明显小于外层。疲劳加载之前的测试结果与O’CONNELL等[24]的研究结果是一致的，他们使用MRI定量分析压缩载荷下完整的人体腰椎间盘内部形变和应变，研究结果表明，背侧区域上层及下层轴向位移较大，而最大径向应变位于背侧区域的外层。由腰椎间盘的结构和组成可知，外层纤维环由高度紧密、有序排列的Ⅰ型胶原纤维板层结构组成，能够抵抗拉伸载荷并包绕内层纤维环;内层纤维环由较低密度的Ⅱ型胶原基质组成，是较厚的纤维软骨性组织[24]。在疲劳加载过程中，轴向载荷通过髓核传递到周围纤维环，这可能导致腰椎间盘内部位移分布发生变化。

　　4、结论

　　此文采用DIC系统进行准静态压缩实验，探讨疲劳损伤对于腰椎间盘整体及其内部不同区域力学性能变化规律的影响。有几下几点发现：(1)疲劳加载之后，腰椎间盘的杨氏模量明显增加;(2)腰椎间盘杨氏模量随着节段变化而变化，且呈现如下变化规律：L5-L6节段

　　参考文献：

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