老齡骨性關(guān)節(jié)炎大鼠內(nèi)側(cè)副韌帶蠕變特性

孟慶陽 樸成東 馬洪順 (吉林大學(xué)第二醫(yī)院,吉林 長春 3004)

骨性關(guān)節(jié)炎是多發(fā)于老年人的慢性、退行性關(guān)節(jié)疾病,是危害老年人健康、嚴重影響老年人生活質(zhì)量的疾病之一〔1〕。骨性關(guān)節(jié)炎可累及骨、軟骨、滑膜及關(guān)節(jié)周圍支持結(jié)構(gòu)。膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶作為膝關(guān)節(jié)的支持結(jié)構(gòu),骨性關(guān)節(jié)炎后其蠕變特性是否改變,有一個什么程度的改變是需要搞清楚的關(guān)鍵問題。鑒于此,本文通過建立骨性關(guān)節(jié)炎動物模型,比較正常和老齡骨性關(guān)節(jié)炎動物模型內(nèi)側(cè)副韌帶的蠕變特性,研究骨性關(guān)節(jié)炎對膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶蠕變特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料 實驗動物為普通級雄性6月齡SD大鼠12只,體重210～218 g,設(shè)為正常對照組;12月齡 SD大鼠12只,體重225～230 g;設(shè)為老齡骨性關(guān)節(jié)炎動物模型組。均由長春高新醫(yī)學(xué)動物實驗中心提供,許可證號:SCXY(吉)2003-0004。

1.2 造模 采用閉合關(guān)節(jié)刻痕法模型建立骨性關(guān)節(jié)炎,按參考文獻〔2〕的方法對 12月齡 SD大鼠進行建模。將大鼠用3%戊巴比妥鈉(30 mg/kg)耳緣靜脈麻醉后,仰臥于手術(shù)臺上固定,雙膝關(guān)節(jié)局部脫毛,備皮,消毒。一手使膝關(guān)節(jié)屈曲90°,另一手觸摸找出股骨髁、髕骨及髕韌帶。緊靠髕韌帶兩側(cè)髕骨下方對準股骨髁方向進針,用小針刀在股骨髁軟骨面上刻痕,每側(cè)刻痕4～5道。然后調(diào)整方向分別在髕軟骨及脛骨平臺上刻痕,在脛骨平臺上刻痕時應(yīng)注意盡量不要傷及半月板,也就是要盡量刻在每側(cè)平臺中間,同時每道刻痕深度最好不要超過軟骨全層。由于是閉合刻痕,針眼小,每側(cè)僅有1 mm左右,出針后不全縫合,創(chuàng)傷小,對其他因素影響小。術(shù)后每天肌注青霉素10萬U,連續(xù)3 d以預(yù)防感染。由于雙側(cè)膝關(guān)節(jié)都進行了造模,故術(shù)后不用將對側(cè)肢骨固定于軀體上。根據(jù)臨床上疲勞容易出現(xiàn)關(guān)節(jié)炎的發(fā)病特點,手術(shù)后第2天即開始每日強迫驅(qū)趕動物活動30 min,驅(qū)趕動物活動至5 w時,即得到明顯的 OA模型。兩組動物飼養(yǎng)5 w后,以腹主動脈放血法處死動物,解剖取出大鼠雙側(cè)內(nèi)側(cè)副韌帶,以生理鹽水浸濕的紗布包裹標本,裝入塑料袋中,密封后置于-20℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 蠕變實驗方法 實驗前取出標本,在常溫下解凍,以手術(shù)刀切取試樣,試樣長10～12 mm,寬 1.0～1.4 mm,厚0.2～0.4 mm。將試樣的長度和直徑輸入到控制機器的計算機內(nèi),內(nèi)側(cè)副韌帶和其他軟組織一樣,其彈性主要來自熵的改變,因而不存在唯一的狀態(tài)。組織會隨加載、卸載循環(huán)次數(shù)而變化,要多次重復(fù)才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。本實驗在同一應(yīng)力水平下分別對每個標本反復(fù)加-卸載20次,預(yù)調(diào)處理后進行實驗〔3〕。

將標本置于pH7.4的生理鹽水有機玻璃缸內(nèi),將有機玻璃缸置于試驗機工作臺上,標本上端與試驗機上夾頭連接,下端與試驗機下夾頭連接,試驗機帶有-35℃～250℃環(huán)境溫箱,可自動調(diào)節(jié)溫度和保持溫度恒定,本實驗在(36.5±0.5)℃的溫度下進行 。以0.01 GPa/s的應(yīng)力增加速度對標本施加應(yīng)力。當正常對照組標本應(yīng)變達到7.02%,模型組應(yīng)變達到6.75%,各組應(yīng)力達到7.12 mPa時使應(yīng)力保持恒定,應(yīng)變隨時間改變不斷上升。計算機程序設(shè)定從時間t(o)開始采集數(shù)據(jù),每0.6 s采集1個數(shù)據(jù),采集10次;之后每 10 s采集 1個數(shù)據(jù),采集40次;之后每136 s采集1個數(shù)據(jù),采集50次,共采集100個數(shù)據(jù),歷時7 200 s。達到設(shè)定時間后打印機自動打印出實驗數(shù)據(jù)和曲線。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 以SPSS11.0進行統(tǒng)計學(xué)分析,計量資料以±s表示,采用隨機分組設(shè)計的單因素法進行分析,采用Dunnett-t方法進行兩兩比較。

2 結(jié) 果

兩組標本實驗曲線經(jīng)計算機擬合后見圖1,兩組標本歸一化蠕變函數(shù)曲線見圖2。正常對照組內(nèi)側(cè)副韌帶7 200 s蠕變量為1.622%,模型組內(nèi)側(cè)副韌帶72 00 s蠕變量為1.144%。蠕變最初600 s變化較快,之后應(yīng)變緩慢上升,7 200 s時蠕變曲線基本平衡,蠕變曲線是以指數(shù)關(guān)系變化的。正常對照組內(nèi)側(cè)副韌帶7 200 s蠕變量顯著大于老齡骨性關(guān)節(jié)炎模型組(P＜0.05)。

圖1 蠕變曲線

圖2 歸一化蠕變函數(shù)曲線

蠕變曲線是以指數(shù)關(guān)系變化的,因此設(shè):

由最小二乘法確定a、b

正則方程

將實驗數(shù)據(jù)代入(4)式解出各組的a、b值,將各組的 a、b值代入(3)式得出:

3 討 論

本實驗對比分析了正常和老齡骨性關(guān)節(jié)炎動物模型大鼠內(nèi)側(cè)副韌帶的蠕變特性,具有以下特點:蠕變實驗是長時間實驗,需要對試樣保濕,本實驗將試樣置于生理鹽水槽中,解決了試樣的保濕問題;本實驗在同一環(huán)境溫度下和同一實驗速度下進行實驗,避免了溫度和實驗速度不同產(chǎn)生的偏倚;以6月和12月老齡大鼠進行分組,均為雄性,避免了年齡和性別不同產(chǎn)生的偏倚。

韌帶等生物材料均為黏彈性材料,黏彈性特性是以應(yīng)力松弛和蠕變?yōu)楸憩F(xiàn)形式的,是為適應(yīng)人體的生理功能需要存在的。內(nèi)側(cè)副韌帶正常范圍內(nèi)的蠕變有利于對膝關(guān)節(jié)的支持,有利于膝關(guān)節(jié)的平衡和穩(wěn)定,超出正常范圍的蠕變則不利于膝關(guān)節(jié)的平衡和穩(wěn)定。

本實驗結(jié)果表明內(nèi)側(cè)副韌帶蠕變最初600 s變化速度快說明韌帶內(nèi)的固有膨脹壓小于局部壓力水分向外溢出的速度,隨著韌帶內(nèi)液不斷溢出,其固有的膨脹壓與局部壓力減小,因此600 s后應(yīng)變變化緩慢。

骨骼系統(tǒng)周圍膠原組織為韌帶等,韌帶發(fā)揮引導(dǎo)關(guān)節(jié)活動和防止過度活動的作用。在運動過程中,韌帶主要承受張力,關(guān)節(jié)活動產(chǎn)生的拉伸載荷作用在韌帶上。膠原纖維主要由三種纖維組成:膠原纖維、彈性纖維和網(wǎng)狀纖維。膠原纖維使膠原組織具有一定的強度和剛度,彈性纖維使膠原組織在載荷作用下具有延伸的能力〔4〕。骨性關(guān)節(jié)炎不僅引起關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生病變,還造成脛股關(guān)節(jié)的應(yīng)力增大,由于脛股關(guān)節(jié)的力學(xué)軸向發(fā)生了改變,造成負重力線的內(nèi)移,膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)應(yīng)力傳遞超出許用應(yīng)力,打亂了膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的平衡和穩(wěn)定,內(nèi)側(cè)副韌帶承受應(yīng)力和應(yīng)變增加,隨著時間的推移,超常的應(yīng)力和應(yīng)變使內(nèi)側(cè)副韌帶膠原組織中的膠原纖維斷裂、變細,從而改變了其蠕變特性。

骨性關(guān)節(jié)炎的治療以預(yù)防為主,應(yīng)正確對待骨性關(guān)節(jié)炎,全面了解其發(fā)病原因、機制和病理特點。積極主動地參與各種防治活動,提高抗衰退和抗病能力,堅持體育療法,根據(jù)本人的體質(zhì)和條件進行適當合理的活動和鍛煉,防止下肢關(guān)節(jié)長時間的超負荷活動,控制體質(zhì)量增長,過度肥胖時應(yīng)適當減肥,以減輕對關(guān)節(jié)軟骨的壓應(yīng)力〔2〕。

1 楊斌輝,劉繼超,李 維,等 .膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)鏡診斷治療〔J〕.航空航天醫(yī)藥,2006;17(4):193-4.

2 李 釗,節(jié)曉光,仲秀艷,等.閉合關(guān)節(jié)刻痕法骨性關(guān)節(jié)炎動物模型建立〔J〕.貴陽中醫(yī)學(xué)院學(xué)報,2007;29(6):63-4.

3 樸成東,張維蛟,劉月瑩.骨性關(guān)節(jié)炎動物模型外側(cè)副韌帶的拉伸力學(xué)性質(zhì)〔J〕.中國組織工程研究與臨床康復(fù),2009;13(46):9097-100.

4 Victor H,Nordin Fm,eds.戴克戎,王以進,周健男,等,譯.骨骼系統(tǒng)的生物力學(xué)基礎(chǔ)〔M〕.上海:學(xué)林出版社,1985:89.