青年與老年人脊柱黃韌帶的力學特性

彭傳剛 楊 琦 李 鵬 (吉林大學第二醫院骨科醫院，吉林 長春 3004)

黃韌帶位于相鄰的椎板之間，主要作用是限制脊柱過度前屈和維持人體直立姿勢，是脊柱后部的重要力學結構。隨著年齡的增長，黃韌帶逐漸出現退變，并導致肥厚、鈣化甚至骨化，造成相應節段的椎管狹窄而壓迫脊椎和神經根〔1〕。目前黃韌帶的退變機制仍然不清楚。以往的研究多從生物學、免疫組化、組織學等方面研究居多〔2～4〕。本文對青年和老年人黃韌帶進行拉伸實驗探討其力學特征。

1 材料與方法

1.1 實驗標本 20個腰椎退變標本取收集中國醫科大學附屬第四醫院骨科因L4/5椎管狹窄行全椎板減壓內固定手術切下遺棄的黃韌帶，均為男性，年齡68～75〔平均(70.4±2.0)〕歲，術前CT和MRI顯示L4/5節段黃韌帶肥厚。20個青年對照組標本收集于中國醫科大學附屬第四醫院骨科，因L4/5外傷行減壓內固定手術切下遺棄的黃韌帶。年齡20～28〔平均(24.3±3.4)〕歲，術前、術后檢查均無腰椎黃韌帶退變。所有患者知情同意。黃韌帶取出后以生理鹽水浸濕的紗布包裹。

1.2 儀器設備 (1)島津自動控制電子萬能試驗機，具有自動控制應力、應變增加速度和使應力或應變保持恒定的功能。載荷通過載荷傳感器提供，載荷傳感器最大量程500 N，使用量程200 N。(2)長春市第三光學儀器廠生產的讀數顯微鏡。

1.3 一維拉伸實驗方法 實驗前取出標本，以手術刀割黃韌帶，每個標本切成一個式樣，每組20個。首先測量試樣的原始尺寸。將試樣裝夾在軟組織實驗夾具上，給予滿量程1%的初載做為準長度的基礎。利用讀數顯微鏡測量其長度、寬度和厚度，青年正常對照組試樣長度為16.2～17.1 mm，試樣厚為2.42～2.48 mm、試樣寬度為1.50～1.52 mm;老年組試樣長為17.2～17.6 mm，試樣厚度為 4.02～4.4 mm，試樣寬度為1.52～1.54 mm。按參考文獻〔5，6〕的方法分別對每個試樣進行預調處理。將經過預調的每組各20個試樣分別裝夾到軟組織專用夾具上，夾具與有機玻璃缸連接，玻璃缸內裝有pH值為7.4的生理鹽水，試樣置于生理鹽水中，裝有試樣的夾具與試驗機上、下夾頭連接。試驗機帶有－35℃ ～250℃環境溫箱，可自動調節溫度并保持恒溫。本實驗模擬正常人體溫，在(36.5±0.5)℃的溫度場下進行。預先將程序設定好，記錄方式為X-y，其中X軸為應力，y軸為應變，以5 mm/min的速度對試樣施加拉伸載荷，直到試樣破壞，計算機自動輸出拉伸最大載荷、最大位移、最大應力、最大應變和應力-應變曲線。

1.4 統計學方法 應用SPSS14.0軟件進行分析，數據資料以s表示，采用方差分析和獨立樣本t檢驗。

2 結果

2.1 兩組黃韌帶拉伸最大載荷、最大位移、最大應力、最大應變結果 老年組黃韌帶最大載荷、最大應力、最大位移、最大應變與青年組比較差異顯著(P＜0.05)。見表1。

2.2 青年組和老年組黃韌帶應力-應變函數關系表達式 以多項式構建出青年組和老年組黃韌帶一維拉伸應力-應變函數關系表達式:青年組黃韌帶:σ(ε)=0.019 2e5+0.243 8e4－0.002 7e3+0.000 3e2;老年組黃韌帶:σ(ε)=0.463 0e5+0.656 6e4－0.006 4e3+0.000 2e2。

表1 兩組黃韌帶拉伸實驗結果( s，n=20)

表1 兩組黃韌帶拉伸實驗結果( s，n=20)

組別 最大載荷(N)最大位移(mm)最大應力(MPa)最大應變(%)89.8±5.2 5.37±0.86 24.2±4.9 53.7±8.6老年組青年組193.9±27.8 4.62±0.478 30.9±5.1 46.2±7.8

3 討論

韌帶主要由膠原纖維和彈性纖維組成。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具有在載荷作用下的延伸能力，膠原纖維和彈性纖維在載荷作用下具有不同的性質。Okuda等〔7〕研究表明，彈性纖維排列紊亂、撕裂彈性纖維直徑大小不一，彈性纖維含量減少;膠原纖維增生、神經節樣囊性損害，軟骨樣細胞，黏液樣變性，血管形成骨化，肉芽組織鈣化及軟骨形成等。據此分析認為，老年黃韌帶退變組由于退變造成彈性纖維遭到破壞，降低了在載荷作用下的延伸能力，所以其拉伸應變顯著低于青年組。老年黃韌帶由于膠原纖維增生，膠原纖維，特別是Ⅱ型膠原的含量明顯增加，所以其拉伸強度提高。黃韌帶退變后由于膠原纖維含量，彈性纖維含量等發生改變，其力學特性隨之發生了改變。

Nakatani等〔4〕的研究表明，隨著年齡增加脊柱發生退變而導致的椎體不穩，會引起黃韌帶牽張力的增加。Sairyo等〔8〕研究發現黃韌帶背側部分纖維化程度明顯較腹側嚴重，腹側部分彈性纖維比例均為75%左右，但背側部分隨著年齡增長逐漸減少，且約半數轉變為軟骨組織，產生Ⅱ型膠原纖維和蛋白多糖。黃韌帶肥厚程度與纖維化程度、彈性纖維減少程度均呈正相關;同時對腰椎活動時的生物力學變化進行三維有限元分析，發現黃韌帶背側所受張力明顯比腹側高〔9〕。因此認為隨著年齡的增長，反復的機械張力引起黃韌帶損傷后的纖維化修復是其肥厚的主要原因。

隨著年齡的增加，脊柱發生退變，喪失了一定的穩定性，打亂了脊柱受力的平衡，為了保持脊柱的平衡和穩定，黃韌帶承受的載荷增加，而在載荷作用下黃韌帶的變形減小，長此以往，惡性循環，使黃韌帶退變的越來越嚴重。黃韌帶的退變過程也是黃韌帶力學行為改變的過程。黃韌帶力學環境和力學行為的改變是黃韌帶退變的重要原因之一。本實驗對揭示黃韌帶退變機制更具有理論意義和臨床價值。

1 上官磊，樊 星，仲霄鵬，等.腰椎退變黃韌帶的生物力學測定〔J〕。中國脊柱脊髓雜志，2009;19(10):749-52.

2 Wang Z，Li XD，Li MQ，et al.Changes in basic metabolic elements associated with the degeneration and ossification of ligamenta flava〔J〕.J Spinal Cord Med，2008;31(3):279-84.

3 Park JB，Chang H，Lee JK.Quantitative analysis of transforming grouth factorbetal in ligamentum flavum of lumbar spinal stenosis and disc hemiation〔J〕.Spine，2001;26(1):492-5.

4 Nakatani T，Marui T，Hitora T，et al.Mechanical stretching force promotes collagen synthesis by cultured cells from human ligamentum flavum via transforming growth factor-betal〔J〕.J Orthop Res，2002;20(6):1380-6.

5 臧 虎，樸成東，高 峰，等.實驗動物骨性關節炎內側副韌帶力學特性〔J〕.醫學研究，2010;39(2):73-5.

6 Victor H，Margaretanordin F.戴克戎，王以進，周健男，等譯.骨骼系統的生物力學基礎〔M〕.上海:學林出版社，1985:89-94.

7 Okuda T，Baba I，Fujimoto Y，et al.The pathology of ligamentum flavum in degenerative lumbar disease〔J〕.Spine，2004;29(15):1689-97.

8 Sairyo K，Biyani A，Goel VK，et al Pathomechanism of ligamentum hypertrophy:a multidisciplinary investigation based on clinical，biomechanical，histologic and biologic assessments〔J〕.Spine，2005;30(23):2649-56.

9 Sairyo K，Biyani A，Goel VK，et al Lumbar ligamentum flavum hypertiophy is due to accumulation of inflammation-related scar tissue〔J〕.Spine，2007;32(11):E340-7.