中國男性腰椎松質骨微結構和生物力學隨年齡變化的特征

白皓天 劉國民 楊宗輝 白云深

(吉林大學白求恩醫學部,吉林 長春 130041)

隨著年齡的增長，人的脊柱長度逐漸變短，骨折的危險性逐漸增高。已往的研究把這些現象歸因于椎間盤高度降低〔1〕，但有研究指出，椎體高度的改變是脊柱長度逐漸變短的直接原因，而骨質疏松與椎體高度縮短密切相關〔2，3〕。已往骨質疏松的定義是骨量絕對減少，骨密度降低，致骨折風險性增高。而后研究者們發現，隨著增齡，松質骨骨微結構發生改變、繼而引起骨小梁生物力學性質變化，是骨質疏松的主要原因。骨小梁生物力學性質隨著年齡的改變也是骨折危險性逐漸增加的直接原因〔4〕。近些年，國外許多研究機構對此做了大量的工作，但研究對象均是白種人，沒有黃種人的研究數據。本研究組通過對中國男性各年齡組腰椎松質骨微結構、生物力學的研究，闡述它們之間的關系以及與年齡和骨折危險性的關系。

1 材料與方法

1.1材料 取捐獻的新鮮男性L3椎體32個，年齡20～59歲，分為A～D四個年齡組(A組：20～29歲、B組：30～39、C組：40～49和D組：50～59歲)，每組8個椎體。常規操作去除L3周圍軟組織及附屬結構。所選椎骨均經CT掃描排除腰椎存在肉眼可見的病理性改變。

1.2骨小梁形態學觀測 取出各年齡組腰椎，室溫下解凍。沿椎體正中矢狀面將椎體切成左右兩半。切成長×寬為12 mm×12 mm的規則試件，對切下的試件周圍松質骨脫水，進行噴金，掃描電鏡下從上終板到下終板連續成像，應用eflim軟件對骨小梁進行形態學分析、測量。

1.3生物力學實驗 各年齡組隨機選取8個試件，用骨水泥填補使各組試件的上下面水平。在試件表面貼上電阻應變片[德國都利公司，標距1 mm×1 mm(膠基泊式)，阻值120 Ω，靈敏度(K)2.12]，保證各試件的縱向電阻應變片位于同一水平，將應變片導線連于電阻應變儀(上海華東電子儀器廠，YJ-26型靜態電阻應變儀)，采用萬能材料實驗機(日本島津AG-107A自動控制電子萬能試驗機)以0、50、100 Nu級別生理載荷分級加載，在電阻應變儀上直接讀取各試件相應載荷下的應變位移，算出彈性模量。然后去除應變片，進行極限載荷試驗。

2 結 果

A年齡組縱向骨小梁寬大于橫向骨小梁寬(P<0.05)，橫向骨髓腔高與縱向骨髓腔高相接近(P>0.05)。A組到B組，橫向、縱向骨小梁均明顯減小(P<0.01)，橫向、縱向骨髓腔高明顯增大(P<0.01)。B到C年齡組，骨小梁寬未見明顯變化(P>0.05)，縱向骨小梁寬大于橫向骨小梁寬(P>0.05)，骨髓腔高未見明顯變化，橫向骨髓腔高大于縱向骨髓腔高(P>0.05)。C組到D組，橫向、縱向骨小梁均減小(P>0.05)，橫向、縱向骨髓腔高均增大(P>0.05)，其中橫向骨髓腔高大于縱向骨髓腔高(P>0.05)。D組橫向、縱向骨小梁寬未見明顯差異(P>0.05)。見表1。

板狀骨小梁主要分布在上、下終板區域，隨著年齡的增長數目逐漸減少。A到B年齡組，板狀骨小梁厚明顯減小(P<0.01)，B到C年齡組，板狀骨小梁厚未見明顯變化(P>0.05)。C到D年齡組，板狀骨小梁厚略減小(P>0.05)。見表1，圖1。

A到B年齡組，彈性模量和極限應力均減小(P<0.01)，B到C年齡組，彈性模量和極限應力未見明顯變化(P>0.05)。C到D年齡組，極限應力顯著減小(P<0.05)，彈性模量減小(P>0.05)。見表1。

表1 各年齡組骨小梁的形態學數據及L3椎體松質骨生物力學數據±s,n=8)

3 討 論

骨的生理和解剖形態的變化源于受到的外部負荷的改變。Cvijanovic等〔5〕研究認為由于椎骨主要受到軸向負荷，因而椎骨內縱向骨小梁的寬大于橫向骨小梁的寬。隨著年齡的增長，橫向骨小梁寬逐漸減小，而縱向骨小梁代償性增寬。Mosekide 等〔6〕的實驗指出：水平小梁自20～80歲厚度逐漸降低，與年齡呈顯著相關性；垂直骨小梁厚度未見明顯變化，與年齡無相關性；橫向和縱向骨髓腔高均顯著增加，與年齡顯著相關。有些文獻報道由于橫向骨小梁的減少，縱向骨小梁承擔更多的應力，因此隨著年齡的增大，垂直骨小梁逐漸增厚〔7〕。椎間盤主要功能之一是把軀干的重量及其他負荷傳遞給椎體，在20～29歲左右，椎間盤把60%的應力傳遞給椎體內骨小梁。隨著年齡的增長，雖然椎間盤厚未見明顯變化，甚至有所增加，但是椎間盤的內部結構發生明顯的變化，水分逐漸丟失，纖維環變性，椎間盤內的裂隙逐漸增多，這導致椎間盤把更多的應力傳遞給椎體的皮質骨〔8〕。隨著年齡增長，皮質骨的厚度逐漸增加證明了這點〔9〕。因此，椎體內的骨小梁無論是橫向，還是縱向所受應力均逐漸減小，失去了應力的刺激，骨小梁寬逐漸減小，橫向骨小梁厚與縱向骨小梁厚逐漸接近。板狀骨小梁的厚隨著年齡增長，逐漸變薄，可能由于隨著年齡的增長，破骨細胞的活性相對增強，而成骨細胞活性逐漸減弱，導致骨沉積減少。所受應力的減小和微骨折也是原因之一〔10〕。

我們研究組實驗結果顯示橫向、縱向骨髓腔高隨著年齡的增長而增大，與文獻報道一致〔7〕。但有文獻報道，隨著年齡的增長，椎體的高度是減小的，這與縱向骨髓腔的增大有些不一致。隨著年齡的增長，骨小梁數目的減少，骨小梁寬度的降低，板狀骨小梁變薄均可導致縱向、橫向骨髓腔增大。而椎體整體的高度可能因為骨小梁微結構的變化而減小。

骨小梁的彈性模量是反映骨韌性的力學參數，當骨彈性模量降低，骨的柔韌性減小，脆性增高，骨發生為骨折的概率相應增大〔11〕。骨小梁的彈性模量與骨膠原的交聯程度直接相關。隨著年齡的增長，骨膠原的交聯程度降低，骨小梁的柔韌性較小，彈性模量也隨之降低。另一個決定骨小彈性模量的因素是礦物質的骨沉積〔12〕。

本實驗研究結果示骨小梁的極限載荷隨著年齡的增長而降低。這與文獻的報道相符合〔13〕。A到B年齡組極限應力顯著性減小，可能由于骨小梁寬度的減小和骨密度的減低；C到D年齡組極限載荷減小，可能由于骨膠原纖維排列紊亂和骨韌性降低。隨著年齡的變化，骨微結構和生物力學的改變是引起骨質疏松和骨折危險性增加的重要原因。

4 參考文獻

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