关节软骨的生物力学特性精选(九篇)
第1篇：关节软骨的生物力学特性范文
【关键词】 骨关节炎 软骨退变 软骨下骨 骨重塑 骨硬化
【摘要】 ：很多实验证明软骨下骨在骨关节炎的发生发展过程中发挥着重要作用，软骨下骨硬化可能是关节炎发病的始发因素，但是关节软骨退变与软骨下骨硬化之间的因果关系至今仍不完全清楚。骨重塑异常导致的软骨下骨硬化，极大的减弱了软骨下骨吸收应力震荡的作用，使其丧失保护关节软骨的功能，进而引起关节软骨退变，加速骨关节炎进程。研究软骨下骨在骨关节炎发病机制中的作用、开发调控软骨下骨重塑的药物必将给骨关节炎的防治开辟一条崭新的途径。
【关键词】 骨关节炎 软骨退变 软骨下骨 骨重塑 骨硬化
role of subchondral bone in the pathogenesis of osteoarthritis
shan peng-cheng,cao yong-ping
department of orthopaedic surgery，peking university first hospital,beijing 100034, china
abstract: many studies have proved that the subchondral bone plays an important role in the development of osteoarthritis ,and may be the initial factor of the disease, but the exact relationship between articular cartilage degeneration and subchondral bone sclerosis is still unclear. subchondral bone sclerosis caused by bone remodeling abnormality severely decreases the ability of subchondral bone stress absorption and protective function of articular cartilage ,which finally leads to cartilage degeneration and osteoarthritis deterioration . studying the role of subchondral bone in the pathogenesis of osteoarthritis and developing potential drugs to regulate subchondral bone remodeling will provide a new way of prevention and treatment for osteoarthritis.
key words：osteoarthritis; cartilage degeneration; subchondral bone; bone remodeling; bone sclerosis
骨关节炎(osteoarthritis，oa)是一种主要累及负重关节的慢性、退行性疾病，其典型的病理特征为关节软骨进行性退变、软骨下骨骨质硬化。临床上以关节疼痛、肿胀、活动受限、关节畸形等为主要表现。oa病因复杂，至今仍不完全清楚，导致oa发病的可能因素包括年龄、肥胖、过度负重及创伤等。长期以来，骨关节炎被认为始发于关节软骨代谢紊乱、局部软骨降解［1、2］，但是近些年的研究发现，oa早期已经出现软骨下骨骨转化增强、骨小梁结构改变，而且很多实验证明，软骨下骨硬化在骨关节炎的发生和发展中发挥着重要作用，可能是oa发病的始发因素［3、4］。因此研究软骨下骨在oa进程中的作用以及调控软骨下骨硬化来防治oa，已经成为目前oa研究的热点。
1 软骨下骨的解剖构成
软骨下矿化组织可以分为三层：钙化软骨、软骨下皮质骨和软骨下松质骨(图1)，它们在形态学、生理学及机械作用方面是各不相同的［5］。作者通常所说的软骨下骨包括软骨下皮质骨及其下方的骨小梁、血管和小梁间腔隙等。软骨下骨区含有数量众多的动脉、静脉和神经，它们的细小分支不规则地排列成口径不一的窦状小管，这些窦状小管的末端与构成横向静脉窦的细小静脉丛相连。软骨下骨区的小动脉、小静脉和窦状小管穿行在皮质终板的血管通道中，将髓腔和钙化软骨层连接起来，向得不到关节液滋养的深层软骨提供营养。
2 软骨下骨的生物学功能
软骨下骨的主要生物学功能为吸收应力、缓冲震荡和维持关节形态。
软骨下骨的弹性模量比关节软骨低，但数量相对较多，所以在缓冲震荡中起主要的衬垫作用，保护关节软骨免受过度应力的损伤［6］。在正常负重情况下，富含水分的关节软骨可将所受应力分散传导，但却仅能缓冲所受应力的1%～3%。当所受应力从关节软骨向骺端传导时会形成较大的剪切力，此时钙化软骨、软骨下骨和锯齿状潮线的波动可将这种剪切力转化为压力和张力，所以当关节所受的应力传到软骨下骨时几乎完全是压力和张力［7］。软骨下骨可将传来的力缓冲掉30%，其余的部分被皮质骨和周围的关节囊所吸收。正常关节中软骨下骨的密度和厚度是不均一的，所以不同部位软骨下骨的生物力学特性也有所不同，其缓冲震荡的衬垫作用也随所受应力的改变而改变，使不同部位的软骨下骨力学特性与其衬垫作用达到最佳平衡，从而维持关节的正常生理环境。
软骨下骨的另一作用是维持了不一致的关节表面形态，使周围的关节面保持密切接触，而中央的关节面不接触。这样关节在负重时其中央部分可发生轴向移动，将所受的应力传到周围的皮质骨，这有助于维持关节软骨浅层的营养。
3 骨关节炎中软骨下骨的病理生理
在骨关节炎中软骨下骨硬化非常常见， 目前就软骨下骨硬化与关节软骨退变之间的关系存在两种假说：一种观点认为作用在关节上反复的超负荷压力导致骨与关节软骨的轻微损伤、水肿和出血。随着关节软骨的缓慢侵蚀，软骨下骨逐渐硬化，最终导致软骨下骨硬度升高，这可能反过来引起关节软骨进一步损伤［1］；另一种观点认为，软骨下骨的硬化发生在关节软骨改变之前，关节软骨的完整性依赖于其下方骨床的生物力学特性，因此软骨下骨硬化可能是骨关节炎发病的始发因素［3、4］。
oa软骨下骨硬化可能与成骨细胞的功能缺陷有关。研究表明来自oa软骨下骨的成骨细胞在甲状旁腺激素和前列腺素的刺激下合成环磷酸腺苷的能力较来自正常人群的成骨细胞低［8］。软骨下骨的硬化还可能与局部和系统的力学因子有关，这主要是指胰岛素样生长因子(igf)和血浆酶原，并且血浆酶和血浆酶原系统调节着igf系统的活性。igf以及igf连接蛋白系统的激活促进软骨下骨成骨细胞过度增殖，从而导致软骨下骨的增厚和硬化［8、9］。
软骨下骨具有粘弹性特性，急性过度负重比逐渐过度负重更容易导致微损伤。软骨下骨和钙化软骨的反复微损伤将启动骨重塑过程［10］。mori和sokoloff等研究发现oa患者钙化软骨和软骨下骨的微损伤增加，这些微损伤启动了骨重塑过程，由于骨重塑区的血流增加和破骨细胞的局部溶骨，软骨下区可表现为短暂的骨质疏松。重塑过程中纤维血管长入钙化软骨中，产生了新的软骨下骨和新的软骨矿化区，导致了潮线的扩展和软骨下骨的硬化，软骨下骨的这种慢性改变最终导致了关节软骨的变薄和丢失［11、12］。关节软骨和软骨下骨的过度负重还可以导致未钙化软骨的结构改变，包括纤维损伤和产生异常基质蛋白，导致软骨水肿和深层软骨区的肿胀。如果持续过度负重，软骨下骨的硬化、纤维化、囊性变等将导致其血液循环减少，进一步加重深层关节软骨和软骨下骨的损伤以及未钙化软骨浅层发生剥脱并导致关节表面不规则，甚至关节软骨的全层缺失。
4 软骨下骨硬化与关节软骨退变的关系
关节软骨退变是进展期骨关节炎的显著病理改变，因此很多学者认为骨关节炎始自关节软骨细胞合成蛋白多糖的减少，并逐渐发展为胶原纤维框架结构改变，最终导致关节软骨退变［1］。然而，burr db认为在骨关节炎发病中软骨下骨起着重要作用，软骨下骨硬化不仅可以加速疾病进程，而且可能是骨关节炎发病的始发因素［5］。day等通过实验证明在骨关节炎早期关节软骨退变之前，软骨下骨已经出现弹性模量减低、骨量减少的改变［13］。他们认为软骨下骨在oa发病中发挥着至关重要的作用。
1986年，radin和rose首先提出软骨下骨硬化可能是导致软骨损伤的重要因素。他们认为软骨下骨就像一把坚硬的椅子，而关节软骨就像放在上面的软垫，如果椅子表面的硬度不均匀，垫子承重后就会产生剪切力，造成关节软骨损伤［6］。在众多相互争论的关于骨关节炎病因的理论中，这是第一个主要强调软骨下骨作用的一种假说。1993年，dieppe等首次用实验数据证明了软骨下骨与关节软骨之间存在密切关系。他们对94位膝骨关节炎患者进行5年的前瞻性研究，结果显示入组时48%的患者胫股关节面存在软骨下骨硬化，34%的患者存在关节间隙狭窄>2 mm或者需要手术治疗，54%的人最终发展到关节间隙狭窄>2 mm或是行膝关节置换术。64%的膝关节有同位素异常浓聚，其中88%为进展期骨关节炎。这组数据强有力的支持了关节软骨进行性损伤与软骨下骨硬化之间存在密切关系。遗憾的是，此实验未能从根本上说明关节软骨降解与软骨下骨硬化之间的因果关系［14］。
为了进一步研究二者之间的关系，libicher等利用狗前交叉韧带横断骨关节炎模型，通过mri检查，发现在软骨退变发生之前软骨下骨已经出现骨髓水肿［3］。tomoya muraoka等利用hartley豚鼠自发性骨关节炎模型进行研究，结果发现2个月龄时其软骨下骨已经发生结构的改变，直到3个月龄时才发现关节软骨细胞减少，而且随时间延长数目不断减少。通过此实验，tomoya muraoka认为，软骨下骨改变是发生在关节软骨降解之前的［4］。
然而，yamada等通过对72名志愿者140膝的研究发现，软骨下骨增厚及骨密度增加不是导致关节软骨退变的原因，软骨下骨硬化更像是继发于关节软骨损伤的结果［2］。raudenbush等认为软骨下骨硬化与关节软骨降解之间不存在必然联系［15］，这就意味着软骨下骨硬化可能并不是关节软骨降解的病因。
目前，虽然关节软骨退变与软骨下骨硬化之间的因果关系仍不完全清楚，但是人们对骨关节炎的发病机制已经有了新的认识，不再认为是由于单纯的关节软骨磨损及撕裂而导致的不可避免的结果。软骨下骨在骨关节炎发病中的作用越来越受到重视，而且越来越多的研究支持软骨下骨硬化继发关节软骨损伤这一理论。
5 调控软骨下骨重塑对关节软骨退变的作用
早在上世纪80年代，radin和rose便已提出骨关节炎的发病中机械因素起至关重要的作用［6］。而且很多研究证实骨关节炎中软骨下骨改变早于关节软骨退变［3、4］。骨重塑异常导致的软骨下骨密度增高和硬化，极大的减弱了软骨下骨吸收应力震荡的作用，使其丧失保护关节软骨的功能，引起继发性关节软骨退变［5］。因此，通过调控软骨下骨重塑来防治骨关节炎越来越受到研究者的关注。
tadashi hayami等人［16］建立大鼠前交叉韧带横断骨关节炎模型，发现在骨关节炎早期骨转换增强，继发软骨下骨硬化，应用阿仑磷酸钠后，不仅抑制了软骨下骨硬化，而且还降低了关节软骨降解产物血清软骨低聚物基质蛋白和尿ⅱ型胶原c端肽的水平，有效地减缓了骨关节炎进程。lajeunesse等［17］利用狗膝关节前交叉韧带横断oa模型，通过体外培养膝关节软骨下骨成骨细胞，测量其代谢表型标志物、碱性磷酸酶、骨钙素及upa、igf-1等物质的水平，发现oa成骨细胞与正常细胞相比代谢活性明显增强，应用环氧化酶抑制剂licofelone后，其分泌的upa、igf-1、peg2等因子的水平明显降低。因此，lajeunesse认为licofelone可以改变软骨下骨代谢活性，间接稳定关节软骨的生物力学环境，减少关节软骨的损伤。此外，hayami等［18］应用大鼠膝关节创伤性骨关节炎模型，发现在软骨退变及软骨下骨硬化之前已经出现软骨下骨骨吸收增强，而且与oa早期发病关系密切，认为骨吸收抑制剂可以作为潜在药物用于oa的防治。
tat等［19］利用oa患者膝关节置换术后股骨髁标本进行软骨下骨成骨细胞体外培养，加用硫酸软骨素及氨基葡萄糖进行干扰，结果发现：两种药物对骨吸收活性均有抑制作用，硫酸软骨素能够增加骨转换过程中骨保护素／rankl的比率，在oa疾病进程中发挥积极作用。boileau等［20］应用相同的方法，证明双醋瑞因可以抑制骨吸收因子mmp-13及组织蛋白酶k的活性，抑制破骨细胞的生成，调节软骨下骨异常代谢，对关节软骨产生保护作用。
软骨下骨硬化在oa的发生和发展中发挥着至关重要的作用。软骨下骨代谢增强、骨重塑加快所导致的软骨下骨硬化可能是引起软骨退变的始发因素，而且会进一步加速oa的进程。研究软骨下骨在oa发病机制中的作用，通过调控软骨下骨硬化以减少关节软骨损伤必将给oa的防治带来新的理念。
6 展望
虽然软骨下骨在骨关节炎发病机制中的作用还不完全清楚，但是软骨下骨与关节软骨紧密的解剖关系决定了它的特殊作用。很多实验已经证实，通过药物调控软骨下骨代谢活性、抑制骨重塑速度可以延缓骨关节炎的进程。因此，开发调控软骨下骨代谢和重塑的药物，调节软骨下骨的代谢活性和骨重塑强度，改善软骨下骨硬化，必将为骨关节炎的防治开辟一条崭新的途径。
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第2篇：关节软骨的生物力学特性范文
【关键词】 骨关节炎；筋骨失养；补肾柔肝；肝肾亏虚；软骨退变
骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种中老年人常见的慢性、进展性骨关节疾病，以软骨退变、继发性骨质增生与软骨下骨病变为病理特点。随着人口老龄化，OA发病率逐年升高，严重影响患者生活质量[1]。本病临床治疗方法虽多，但以对症治疗为主，缺乏特效疗法，其治疗目的是缓解临床症状，提高生活质量[2]。本文基于OA以关节软骨退变为核心、骨赘形成为特征的病理特点，以肝主筋、肾主骨为切入点，结合中医筋骨理论，提出“本痿标痹”为OA的核心病机，以“补肾柔肝”为治疗策略，并形成了“治痿、治痹、痿痹同治”的治疗新理念。
1 筋骨失养的病理基础
OA是在生物学和力学因素共同作用下所致的骨关节病变，软骨退变是其根本病理改变，主要由炎症介导软骨基质稳态失衡引起[3-4]，属中医学“痹证”“痿证”范畴。增龄衰老是诱发OA的重要危险因素之一。《素问》“女子六七、男子六八”，虚衰之象渐显，肝气衰，筋不能动；肾脏衰，形体皆极，提示筋骨变化是调控OA病理变化的关键因素。
肾为先天之本，主骨生髓，髓在骨内，肾气足以养髓，则骨强健有力；肾精亏虚，髓生乏源，则骨失所养，而为“骨痿”[5]。肝藏血主疏泄，为“将军之官”，在体合筋，其华在爪。《素问》“肝者，其充在筋”“诸筋者，皆属于节”“宗筋主束骨而利机关也”，提示筋连于肉，附于骨，聚于关节，不仅能增强关节的稳定性，还能维持关节的正常运动。肝血充足，筋得所养，则筋能束骨；肝血亏虚，筋失所养，则筋无力[6]。
基于肾主骨、肝主筋、膝为筋之府的中医理论，OA病在筋骨，病位为肝肾，肝肾亏虚则筋骨失养而为痿，腠理空虚易感风寒湿邪而为痹[7-8]。软骨、韧带、滑膜、关节囊属“筋”的范畴，软骨下骨则属“骨”的范畴。软骨退变、软骨下骨囊变属于痿证，滑膜炎症、骨赘属于痹证。肝肾亏虚，气血虚弱，则筋骨失养，即不荣则痛，属虚证；风寒湿邪的侵袭与结聚，则经络气血痹阻不通，即不通则痛，属实证。OA的筋骨病机演变是一个由表及里、由浅入深、由局部至全身的渐进过程，早期表现以肿胀、疼痛、僵硬为主，是筋病的表现，随着病情发展，则筋骨同病，以关节周围筋骨系统的稳态失衡为主要表现，甚至可见关节畸形、肢体失用，提示筋痹是OA病理变化的必经阶段，骨痿是筋痹的发展[9-10]。
2 关节周围组织稳态失衡的病理基础
OA属于非炎性关节炎，其病理改变包括软骨的变性、糜烂、溃疡与脱失，软骨下骨的硬化与囊变，关节边缘骨赘的形成[11]。组织学主要病理特点是软骨表面破坏、垂直裂隙、钙磷晶体异常沉积、血管新生、骨赘形成、软骨脱失、软骨下骨硬化；生物化学的主要病理特点是蛋白聚糖（软骨基质主要成分之一）的浓度降低、分子大小变化与聚集性改变，胶原纤维的大小与排列异常，软骨基质中大分子物质的合成与降解失衡[12]。
2.1 关节软骨退变 关节生物力学异常引起的软骨基质稳态失衡，是OA软骨退变的主要原因之一。早期软骨变为淡黄色，失去光泽，表面可见麻点样小窝、不规则压迹、线形沟、天鹅绒样病理变化，之后可见软骨局部出现软化、失去弹性、胶原纤维变性。随着关节的活动，软骨磨损不断加重，从而导致软骨碎裂、剥脱、软骨下骨质外露。组织形态学观察可见，软骨基质失去均质性，胶原纤维外露，软骨细胞排列紊乱，可见软骨细胞凋亡，软骨潮线紊乱、前移、消失[13] 。
2.2 骨 赘 骨赘又称骨刺、骨质增生，在力学与生物学因素的共同影响下，发生于关节边缘的骨和（或）软骨性的新生组织，是OA的重要病理特征之一。骨赘的形成是一种保护性代偿反应与防御性反应，关节稳定性的失衡是主要的诱因，目的是增加关节稳定性、分散载荷、降低单位面积压力；但结果却加重了关节退变的进程，从而加重OA的临床症状[14]。骨赘的X线表现为基底宽、尖端细的粗刺形状；骨赘由表及里的组织结构为间充质纤维组织、纤维软骨组织、透明软骨组织、肥大软骨组织与骨组织[15]。
2.3 软骨下骨 钙化软骨、软骨下皮质骨与软骨下松质骨，在形态、生理学与力学性能方面各不相同，三者共同构成了软骨的矿化组织。软骨下骨包括软骨下皮质骨、松质骨与血管，其生物学功能是吸收应力、缓冲震荡与维持关节形态[16]。OA时，软骨下皮质骨硬化，软骨下松质骨丢失，引起软骨下骨的力学性能异常，从而导致不同程度的骨小梁微骨折，未能及时修复，则形成软骨下骨囊变；软骨破损后，滑液则沿皮质终板微小通道渗入软骨下方的骨小梁，为阻止滑液的渗入，可出现纤维组织包裹封闭通道，从而形成软骨下骨囊变[17]。软骨下骨囊变与关节的非负重状态，均可增强破骨细胞的活性[18-19]，从而引起软骨下松质骨的骨量丢失。
2.4 滑 膜 滑膜是关节滑动体系中的重要组成部分，有丰富的血液与神经供应。OA时，关节内微环境的稳态失衡，可引发局部的滑膜炎，初期滑膜与关节囊虽无变化，但后期可见不同程度的滑膜增生与关节囊肥厚[20]。滑膜的病理改变主要有增生性滑膜炎与纤维型滑膜炎两种类型：增生性滑膜炎可见大量的滑膜充血、水肿、增生，滑液增多，滑膜呈葡萄串珠样改变；纤维型滑膜炎可见少量滑液，葡萄串珠样改变大部分消失，并由纤维组织所形成的条索状物所代替[21]。滑膜的改变不是原发病变，主要是继发因素引起，如剥脱的软骨小碎片、骨赘刺激。
2.5 关节囊与周围肌肉 关节囊的纤维变性和肥厚，是限制关节活动的重要因素；同时，周围肌肉因疼痛产生保护性痉挛，导致关节活动进一步受限制，甚至出现屈曲畸形。周围肌肉是维持关节正常运动的关键动力系统，也是关节的重要保护体系。因此，任何引起周围肌肉病变的因素，均可降低关节的主动保护机制，从而加速OA的病理进展，提示周围肌肉力量减弱及肌肉的病理改变可以是病变中的一个独立因素[22]。
OA虽从软骨起病，但也可影响整个关节结构与功能，包括软骨下骨、韧带、滑膜、关节囊与周围肌肉，引起关节生物应力的失衡，出现过度负荷或负荷不均，加速关节磨损，促进软骨细胞释放基质金属蛋白酶、丝氨酸蛋白酶、巯基蛋白酶和羧基蛋白酶，加速软骨基质稳态失衡，继发关节周围软组织的功能失衡，从而形成OA筋骨失养的病理表现。
3 筋骨失养与补肾柔肝的关系
OA病在筋骨，肝肾亏虚为本，外邪侵袭为标，其核心病机为本痿标痹。OA筋骨失养的病理基础为软骨代谢紊乱，引发软骨基质降解酶增加、Ⅱ型胶原及蛋白多糖合成下降的病理变化，从而导致软骨基质稳态失衡[8]。“百病所起，皆始于荣卫，然后淫于皮肉筋脉骨”，提示OA筋骨失养发病机制是一个由浅入深传变至筋骨的过程[23]。筋附于骨，“骨为干，筋为纲”“诸筋者皆属于节”，提示了筋骨之间相互关联、相互依存、密不可分的关系。筋骨内合肝肾，肝主筋、肾主骨，阐明了筋骨的五脏归属，因肝肾同源，故提出筋骨同源。骨失所养，日久则伤筋，则出现软骨退变。因此，“筋骨并重”一直是中医骨伤科治疗的基本原则之一。皮-肉-筋-脉-骨是OA的传变次序，由筋至骨是必然发展过程，提示OA先病于筋，后至骨，最终在筋骨之间。在中医学“治未病”的思想指导下，当OA“病在筋”，则“治筋”[24]。筋是关节运动系统的关键组成部分，“宗筋主束骨而利机关”是指筋主司一身之运动；而膝为“筋之府”，提示膝的功能状态可反映筋的功能状态，提示膝关节是OA的常见发病部位之一。
中药治疗OA应调理肝肾、内合筋骨，重视脏腑辨证、内外用药相结合[25]。筋病归于肝，肝藏血，主筋。肝血充足，筋得所养，则筋柔；肝血不足，筋失所养，则筋痿；“食气入胃，散精于肝，淫气于筋”，故口服汤剂可以起到“治筋”的作用[26]。骨病归于肾，肾藏精，主骨生髓。肾气充足，精充髓满，骨得所养，则骨正；肾气亏虚，精亏髓减，骨失所养，则骨痿[27]。OA主要发生于中老年人，“女子七七、丈夫八八，五脏皆衰，筋骨懈惰，身体重，步态不正”，根据筋骨内合肝肾，提出补肾柔肝为治疗OA的一种策略。补肾柔肝则筋骨得养，能够改善关节周围组织稳态失衡的病理变化，从而抑制OA筋骨失养的病理状态。临床上治疗OA，在治本的同时，还要重视其标。课题组针对OA的病理特点，形成治痿（补肾柔肝）、治痹（活血祛邪）与痿痹同治（补肾柔肝、活血祛邪）的治疗新理念[28]，长期应用于临床，疗效可靠。
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第3篇：关节软骨的生物力学特性范文
受访专家：乔晋琳 海军总医院康复医学科主任、主任医师
针刀和针刀医学
针刀
针刀是指在非直视下进行切割、铲剥、剥离变性软组织，以改变组织微细结构为目的一种微创手术器械。
针刀兼具针灸的“针”和手术的“刀”两者的某些性能和作用。针刀是以毫针的进针方法刺入皮肤，其尖端为刀刃，宽度为0.8～1.2毫米；刺入人体后依据病灶局部的微观解剖特点，病因病理，对局部组织进行切、割、剥、分离等术式，达到松解的目的。
针刀医学
针刀医学是研究针刀手术操作和作用机理及其所治疾病发生发展规律的一门新学科。
具体来说，针刀医学是以关节和软组织解剖学、生理病理学、生物力学、生物信息学、经络学说和动态平衡学说等为基础，以慢性软组织损伤疾病、慢性神经卡压性疾病、骨病、关节微小移位和脊柱相关疾病为研究对象，以恢复局部病理改变，调节整体的动态平衡为目的的学科。
针刀医学是中西医结合的产物，是对传统针灸学的继承和发展，是中医现代化的重要组成部分。
针刀医学的理论优势
在现代医学日新月异发展的今天，不断提倡微创，现在外科手术大都还停留在从大切口到小切口，而真正的微创，小针刀做到了，就是说比普通的手术切口要小得多。当然，这就对医生的要求特别高，要具备立体和微细解剖知识。
针刀医学对慢性劳损有新认识，人体组织在动力和静力的协调下，才能达到一种平衡。但是当机体在受到长期静力或者动力过高过大的情况影响下，就会发生人体动态平衡失调、力平衡失调。人体软组织就会出现粘连、疤痕、挛缩、堵塞，最终形成慢性软组织劳损。
以往人们提起骨质增生，就会望而生畏，其实，骨质增生本身不是病，它只是一种骨的“退行性病变”。当机体在受到外力和自身重力的影响而产生不平衡时，累及相关肌肉软组织就会发生持续痉挛收缩，当达到一定的程度时，骨质在长期力的作用下应力（反作用力）也增强，反应性形成骨质增生（骨刺）。因为只有这样，才能维持一种新的力学平衡，而这种平衡是一种病理性平衡，是应力“拉”出来的。事实上“骨刺”是机体的保护性反应，但往往患者反映“骨刺”会引起疼痛、肿胀，这是因为增生的骨质与肌肉肌腱应力过高产生无菌性炎症所致。因此，针刀能切割变性的肌腱，减张减压，而不是将“骨刺”磨平。
脊柱，是维持人体直立的支柱。而中医针灸的督脉就居其中，督脉为一身之主，为阳脉之海。现代社会脊柱相关疾病日益增多，主要与脊柱周围的力平衡失调有关。在相应疾病发生时，在脊柱周围的软组织区域，往往会找到相应的反应点，或者是结节，这些都是软组织高应力部位。在这些相应位置进行针刀或推拿手法治疗，降低了高张力高应力状态，往往会起到立竿见影的效果。
总之，针刀治疗并不“拿走”原有组织，而是改变机体局部失调的组织结构和功能态，依靠机体自我修复功能治愈康复！因此，它具有显著的中医学特色。
针刀疗法：软组织疾病的克星
针刀治疗的基本原理是：恢复物理化学平衡，重建信息通道。即解除压迫或较大的肌张力，改善局灶的无菌性炎症，恢复力学动态平衡；增加血液循环，恢复局部组织的物质和能量代谢，重建生命信息通道。
肌腱韧带损伤
通过针刀的切割、剥离使粘连或瘢痕的肌腱、韧带松解。如肱骨外上髁炎。
骨性纤维管卡压症
由于骨性纤维管中神经、血管、肌腱受挤压、狭窄，用针刀切开管径，消除狭窄。如腕管综合征、狭窄性腱鞘炎。
滑囊炎
用针刀切开滑囊，囊内减压、减张。
应力性骨膜肌腱炎
在肌腱或韧带与骨膜附着的高应力点切割，缓解了局部过高的应力，改善了局部血液循环，解除疼痛刺激。如跟骨骨刺（跖腱膜炎、跟骨骨膜炎）。
骨刺
针刀可切割松解拉应力过高的骨刺处肌腱或韧带，使骨刺停止生长。
关节微小移位
由于关节周围软组织变性（尤其是关节囊），妨碍了对关节微小移位的手法复位。用针刀可有效松解变性软组织，保证了手法复位成功，还防止复位后再移位。因此，针刀治疗的参与使关节微小移位的疗效显著提高。
矫形外科方面
对软组织的针刀矫形：如小儿先天性斜颈，关节囊挛缩畸形，臀肌挛缩畸形，先天性马蹄足，内、外翻畸形等疾病及早松解部分软组织即可达到治疗康复目的。
骨关节病：如股骨头缺血性坏死，膝关节骨性关节炎等，用针刀可调节骨内、外应力，同时松解关节周围软组织，恢复关节活动功能。
风湿、类风湿病所致的关节强直，强直性脊柱炎等，在早期可通过松解周围软组织，恢复关节活动功能。
脊柱相关疾病
由椎周软组织损伤或椎体小关节移位牵涉到脊神经前支而引起继发头、面、五官、心脑血管、呼吸、消化、泌尿和生殖系统等许多器官的功能紊乱，称脊柱相关疾病。颈源性心律不齐，脊柱源性慢性肠炎等。针刀通过松解椎周软组织，间接调节窦椎神经及交感支神经，使脊神经前支兴奋或抑制。
针刀的适应症和禁忌症
针刀的适应症
1、各种因软组织粘连而引起四肢躯干各处的顽固性痛点，软组织粘连。
2、骨刺：通过松解附着在骨刺周围的肌肉、韧带来实现。
3、滑囊炎。
4、四肢躯干因损伤而引起的后遗症：腱鞘狭窄，筋膜、肌肉、韧带、关节囊挛缩，结疤导致功能障碍的。
5、骨化性肌炎初期（包括肌肉韧带钙化）：肌纤维化初期。
6、各种腱鞘炎：狭窄性腱鞘炎、跖管综合征、腕管综合征等
7、肌肉和韧带积累性劳损。
8、外伤性肌痉挛和肌紧张（非脑神经性的）。
9、骨干骨折畸形愈合后再复位。
10、脊柱相关疾病。
针刀的禁忌症
1、凡一切有发热症状的患者。
2、一切严重内脏病的发作期。
3、施术部位有皮肤感染、肌肉坏死者。
4、施术部位有红肿、灼热或有深部脓肿者。
5、施术部位有重要神经血管或重要脏器而无法避开者。
6、血友病患者，血小板减少症者。
7、体质极度虚弱，高血压病、冠心病发作期患者也应慎用。
海军总医院康复医学科
海军总医院康复医学科成立于1954年建院之初，目前是集康复医学、理疗学、针刀与疼痛治疗、针灸推拿于一体的临床科室。也是海军总医院疼痛诊疗中心牵头单位。科室下设康复医学医生工作站、康复治疗室、物理综合治疗室、王燮荣针刀医学名家工作室、针刀医学专家门诊、疼痛诊疗门诊、针灸门诊、中医推拿室、疼痛诊疗专家会诊中心9个诊疗单元，设置病床22张，康复及疼痛医疗区1200余平米，医疗设备总价值600余万元。每年诊治军地患者10万余人次。
第4篇：关节软骨的生物力学特性范文
1关节软骨ECM的主要成分及其功能
关节软骨ECM主要成分为水、胶原、蛋白多糖及非胶原蛋白等。
1.1胶原(collagen)：胶原占AC干重的50%～80%，主要是II、IX、XI型胶原，尤其以II型胶原为主，占软骨胶原总量的90%～95%，是关节软骨的特异性胶原[2]。关节软骨不同位置的胶原类型是有差异的，因此各型胶原所起作用也有区别。关节软骨组织学分层由内向外分为：钙化带、深层带、中间带、表层带[3]。II型胶原主要分布于深层带和中间带，交织成三维网状，其中镶嵌蛋白多糖聚合体，结合水和带点离子，固定蛋白多糖，为软骨提供抗张强度。IX、XI型胶原主要位于II型胶原表面，可能与II型胶原的网状结构稳定性有关[4]。III型和X型胶原分别在表层和深层、钙化带出现，可能与软骨的钙化有关[5]；VI型胶原在软骨细胞附近较多，能与多种细胞外基质成分作用，具有细胞锚定和信号传递的作用[6]。
另外，各层胶原纤维走向也不同。钙化层的胶原纤维呈网状分布，深层胶原呈辐射状排列，间层胶原具有过渡性，从细长且紧密平行状逐渐变无序，表层带胶原则按切线方向走向[7]。胶原纤维走向变异这一特性，可能影响关节软骨的形状、稳定性、拉伸强度和抗剪切力的能力 [8]。
1.2蛋白多糖(proteoglycan，PG)：关节软骨中的蛋白多糖，主要以聚集体形式存在，该聚集体由透明质酸（Hyaluronan，HA）、蛋白多糖单体以及连接蛋白共同组成，其中HA为骨架链，PG单体通过连接蛋白与HA相连[9]。而PG单体由氨基多糖（透明质酸除外）与核心蛋白共价结合而成，其中的氨基多糖主要是硫酸软骨素、硫酸角质素等[2]。HA是关节软骨中最主要的氨基多糖，在生理性溶解状态下它的无规则卷曲的特殊结构，提供了软骨组织的粘弹性能[10]。蛋白聚糖属于透明质酸结合蛋白家族[9]，HA将游离的聚集蛋白聚糖固定于胶原纤维网之间，保持软骨组织完整性。另一方面，蛋白多糖中常有带负电荷的糖胺聚糖长链，这些负电荷相互间的排斥力形成渗透膨胀压，可将大量水分子限制于蛋白多糖中形成凝胶，从而使软骨具有良好的粘弹性和膨胀能力[11]。
1.3非胶原蛋白：除了最主要的成分外，关节软骨细胞外基质还有一些非胶原性蛋白，如软骨连接蛋白、软骨寡聚基质蛋白（cartilage oligomeric matrix protein，COMP）等。软骨连接蛋白可通过其亚单位上的结构域与细胞外基质其他成分相结合，起连接软骨细胞与细胞外基质的作用[12]。COMP作为细胞外基质的结构蛋白之一，属于血小板反应蛋白家族，被称为血小板反应蛋白-5[13]，有证据显示COMP在细胞外基质装配过程中起重要作用[14]，因此，有学者认为COMP在关节软骨中具有相对特异性,可以作为衡量关节软骨损伤或治疗效果的标记物之一[15]。
2生物力学因素对关节软骨ECM主要成分的影响
力学刺激可调节软骨细胞增殖及细胞外基质成分的代谢平衡，这点已被广为认可。关节软骨在各种功能状态下所负荷的力学刺激主要分为压应力、张应力、剪切力。
2.1压应力：生理条件下，AC在机体内主要承受间歇性生理液态压力。关节功能运动可使关节的静态和动态受力[16]。体外实验中，静态压力主要可通过将体外培养的软骨细胞或软骨组织置于密闭容器中，以气体和/或液体压强的改变，作用在介质表面上，传递压力至软骨细胞的方法获得；而在培养容器加上蠕动泵或其他具有周期性的施力装置，可以得到稳定的压力。Smith[17]对体外培养的成人关节软骨细胞施加液体静压力，分别给予4h10Mpa大小的持续静压力和频率为1Hz的间歇静压力，结果两者都会影响II型胶原和蛋白聚糖的合成，并且间歇力对胶原和蛋白多糖的刺激作用似乎更大。之前Michael等[18]在对琼脂凝胶培养中的软骨细胞施加静态及动态压力的研究中得到了类似的结论。Davisson等[19]也证实组织工程化培养的关节软骨，在受到过大的静态压缩力时可能抑制胶原和蛋白多糖的总合成，而这时同样的动态压缩力会促进胶原和蛋白多糖合成增加。copray等[18,20]的研究结果显示0.5g持续压力可以使硫酸粘多糖和胶原蛋白减少；力值接近0.5g大小频率为0.7hz的间歇压力则可能刺激基质成分的合成。
动物实验的研究结果与体外实验结果相一致。Trudel等[21]将大鼠膝关节持续制动，发现膝关节软骨被软化，软骨组织减少，正说明静态负荷过度后，导致了软骨的分解代谢增多。许可等[22]研究异常压应力作用于兔膝关节软骨时，II型胶原随时间越长先增加，后减少，说明软骨退化程度逐渐加深。
2.2张应力：在人的各项机体活动中，相对于压应力和剪切力来说，关节软骨受到张力作用的时候很少，但它仍可能存在于人类日常生理活动中，甚至是在没有外在施加负荷时，一定程度的张力也可能存在[23]。有人研究了在符合生理功能的动态张力刺激下，关节软骨发生适应性改变 [24]。Fan等[25]对体外培养的关节软骨组织放置在一个二轴向拉伸应力装置下，施加持续或间歇的正常生理范围内张力，结果显示在适当条件下间歇静张力可以刺激组织工程化的软骨生长。另一方面持续静张力则对软骨细胞新陈代谢不起作用或者是相反作用。安丙辰[26]就不同强度张应力对关节软骨细胞II型胶原和聚集蛋白聚糖m RNA表达进行研究，分别对体外培养的人股骨头关节软骨细胞施加3%、6%、15%延伸率的张应力刺激，结果15%延伸率的张应力可明显抑制关节软骨细胞II型胶原的表达，但聚集蛋白聚糖表达改变不明显，作者认为可能和功能适应性有关。顾延等[27-28]的研究也一同说明了异常应力刺激可以影响关节软骨正常生理活动及ECM成分的合成。
2.3剪切力：体外剪切力的获得主要通过以下几种方法：①机械搅拌式：通过叶轮或浆形搅拌器等持续转动，使细胞离心，在持续搅动的培养液中生长；②直接灌注式：也称循环流体系统，是将培养液挤压进支架内部，使细胞感受流体剪切力；③旋转壁式：由改良的直接灌注式而来，是利用液体流动力和重力形成的低水平剪切力。目前更多地应用于关节软骨细胞体外三维立体培养的研究中，为软骨组织工程化方向的研究提供线索及依据。Smith等[29]对单层软骨细胞施加1.6N/m2剪切力，发现GAG增加2倍，但同时伴有炎性因子表达增加。朱立新[30]的研究说明体外软骨组织立体培养在低转速（初始10r/min，3天后为15r/min）离心力刺激作用下，可出现胶原及蛋白多糖的合成增多。
通常在各种力学刺激作用于关节软骨时，ECM成分变化的同时会出现一系列相关细胞因子的变化。Sakurai等[31]阻止大鼠的咀嚼运动后，发现髁突软骨关节盘厚度减少，胰岛素类样生长因子-I受体表达也降低，说明力学作用不止可以调节ECM代谢，还可以影响与ECM代谢密切相关的胰岛素类样生长因子-I。Tanaka等[32]发现虽然血管内皮细胞生长因子(Vascular Endothelial Growth Factor，VEGF)在成人正常软骨中不表达，但当软骨细胞暴露在炎性环境或过度的机械力作用下，VEGF的表达会重新上调，从而导致OA的发生。而基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）作为降解基质的最重要酶之一，被学者发现其亚型MMP-1、MMP-3和MMP-9在病理状态下的软骨和滑膜关节下大量出现[33]，也是很容易理解的，只是具体调节机制尚未完全清楚。还有一些前炎性细胞因子可以在颞下颌关节炎患者的滑膜液里发现，如：转化生长因子-β, 肿瘤坏死因子-α, 白介素-1β, 白介素-6等，提示这些细胞因子的出现可能是对颞下颌关节的病理降解过程的反应[34-35]。
3力与关节软骨细胞外基质间可能的传导途径
力学刺激可影响关节软骨ECM成分的新陈代谢，而此代谢受软骨细胞调控，这说明力学信号与细胞外基质和/或细胞之间存在某种关联。目前，普遍认可在力学信号传导过程里起重要作用的是细胞膜表面受体分子，尤以整合素（integrin）研究最多，另外一些可能的传导途径有：由Raf激酶抑制蛋白（Raf kinase inhibitor p rotein，RKIP）调控的分裂原活化蛋白激酶通路（Mitogen activated protein kinase，MAPK），细胞骨架（cytoskeleton，CSK）改建途径等。
整合素可以通过细胞骨架连接细胞、细胞外基质和各复杂的细胞内信号传递分子，是力学信号的介导，调节多种细胞的生存、繁殖、分化以及基质代谢[36]。整合素包括α和β两个亚单位，软骨细胞内表达的与软骨基质配体相应的几种整合素受体主要有 α1β1, α2β1,和 α10β1（主要是II型胶原）；α5β1, αvβ3, αvβ5和 α6β1 （主要针对连接蛋白）[36-37]。Holmvall等[38]在软骨细胞及软骨肉瘤细胞中分离到α1β1和α2β1整合素，且发现两种整合素表现出对Ⅱ型胶原的高亲和性，力刺激作用下，II型胶原和蛋白多糖成分mRNA明显增加，整合素无明显改变，说明α2β1整合素很可能介导了力学刺激。Spiteri等[39]发现在可促进组织工程化体外培养的小牛关节软骨ECM合成的周期性压力下，如果阻止了α5β1整合素的表达，则有可能抑制细胞扩散以及基质累积，这样的结果说明体外周期性压力刺激在细胞内的传导和反馈能调节基质的合成，同时也说明整合素在此过程中起重要作用。
RKIP属于磷脂酰乙醇胺结合蛋白家族，最初于1999年由Yeung等[40]报道，它是一种和Raf-1激酶区域相互作用的蛋白，是MAPK通路的内源性信号调控者，同时也与G蛋白偶联受体信号转导通路、NF-κB信号通路相关[41-42]。狭义的细胞骨架是指真核细胞的蛋白纤维网架体系，既具有产生主动变形的能力，又具有抵抗被动变形和受力的能力。细胞骨架蛋白中与力学刺激相关的蛋白主要是肌动蛋白、波形蛋白等[43]。目前，主导观点认为MAPK信号通路与细胞骨架之间存在“交叉对话/双向调节”作用，即MAPK级联通路的活化涉及细胞骨架，而细胞骨架结构重排又是通过MAPK介导的细胞骨架相关蛋白磷酸化来完成[44]。有研究指出MAPK通路对力学刺激下的关节软骨细胞的增殖分化也有影响，同时细胞骨架相关蛋白也发生改变，说明MAPK通路和细胞骨架蛋白与力学传导相关，只是相应压力刺激下的各项指标之间的联系及其机制，仍然不明[45]。
4展望
力是一把双刃剑，不管是张力、压力、剪切力，还是持续力、间歇力，力学刺激对于关节软骨ECM的影响均是双向的。普遍认为，接近正常生理状态的力学刺激可促进ECM的合成，而过度的力学刺激则会导致ECM的分解增多或合成减少[17，19]。综上所述，AC的功能与其生物力学特息相关，软骨的生物力学特性利于分散压力和吸收负荷，相应生物力学刺激不仅影响软骨ECM的合成，还对软骨下骨的短期或长期损伤及改建也起关键性作用。因此，有必要对软骨细胞以及细胞外基质的力学传导调控机制进行细致生物力学特性分析，这对关节仿真模型的开发与关节软骨组织工程重建研究极为重要。生物力学因素在不同情况下对关节软骨细胞外基质的影响其内在的调节途径及机制尚待进一步研究。
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第5篇：关节软骨的生物力学特性范文
自从1965年chestman和smith首先开始软骨细胞体外培养用于软骨缺损修复的研究以来 ［1］，人们开始对关节软骨损伤不能通过自身的软骨增殖修复的概念有了新的认识。 实验证明不仅年幼且年老的关节软骨标本仍可在体外培养出新生透明软骨［2］。虽 然软骨细胞增殖能力有限，其质与量直接影响体外培养扩增效果，软骨细胞生长环境不同所 表现出的生物学特性也有差别。软骨细胞在悬浮培养或半固体琼脂培养基中生长良好并保持 表型稳定，在培养瓶底水凝胶覆盖的四维培养环境中长期培养时软骨细胞可形成结节结构其 细胞形态胞外基质分泌和软骨特异性基因表达皆与关节软骨相似。软骨细胞的生长密度对其 生长也至关重要。在同样的条件下体外单层培养时，由于细胞密度不同，软骨细胞的生长分 裂经过和形态功能完全不同。组织学检查表明，细胞形态不同，其碱性磷酸酶活性、细胞分 泌特异性基质的功能及对细胞作用因子的反应也不同，进一步研究表明，软骨细胞靠自分泌 或旁分泌信号的方式而存活。
1细胞因子对体外培养软骨细胞的影响
软骨细胞的有限增殖性及存活密度的要求是限制软骨细胞单层培养修复关节软骨缺损及体外 大量扩增的因素之一，随着细胞生物学的发展，软骨细胞体外培养特异基因表达的研究日益 深入，细胞因子参与调节软骨细胞的增殖、分化过程渐被人们所揭示，这对软骨细胞体外培 养研究又提出了一个新方向。近年来，关于细胞因子等多肽蛋白质对软骨细胞体外增殖分化 等的影响研究也较多。也有些学者发现软骨细胞内含许多细胞因子及其受体，且表明许多细 胞因子通过自分泌或旁分泌两种基本方式来调节软骨细胞。目前认为促进软骨细胞增殖和基 质合成代谢的细胞因子有：igfs.tgf-βs.pdgf,fgf.egf，对软骨细胞有抑制作用的有il- 1、il-2、il-7、tnf-α、ifn-γ等，现就对软骨细胞有显著调节的细胞因子分述如下 ：
1.1转化生长因子beta(tgf-β)
tgf-β最初是由robert等学者在1978年作为一种可诱导大鼠成纤维细胞增殖因子而描述。t gf-β可以诱导间充质细胞转化为软骨细胞。现已实验证明tgf-βs具有促进软骨细胞增 殖、调节其分化和胞外基质合成的能力［3］。f.redni等实验证明培养兔关 节软骨细胞表达了不同的tgfβ受体且与软骨细胞生长周期功能有关，软骨细胞在s期表现了 低亲和力受体表型(kd=appiox 1100pm)然而go/g期的软骨细胞表现了高亲和力受体。因此 ， tgf-β对软骨细胞的作用有多种受体参与。同时也有实验证明tgf-β更多的结合在go/g1 期比s期的同步化软骨细胞，从而说明tgf-βs对软骨细胞的作用是通过 不同的途径［ 4］。也有学者证明tgf-βs在不同的条件下对成软骨细胞有促进分化或降低分化的双重 作用，1-10ng/ml浓度的tgf-β可诱导大鼠胚胎肌细胞分化成软骨细胞，合成特异性的ⅱ型 胶原和蛋白多糖，而在0.4mol/l浓度下，tgf-β可诱导大鼠颅骨成骨细胞的碱性磷酸酶 活 性，减少软骨细胞ⅱ型胶原、蛋白多糖的合成［5］。同时也有实验证明tgf-β可 抑制培养兔关节软骨细胞的终末分化及钙化。tgf-β可能与多种因素如胞外基质和其它分 化调控生长因子参与对细胞的调节作用［6］。tgf-β在细胞对其它各种分化信号 的应答过程中同样也有调节作用。wen-ning qi等实验证明ⅱ型胶原能特异的调节tgf- β刺激软骨细胞合成ⅱ型前胶原dna和蛋白多糖，同时说明ⅱ型胶原在tgf-β存在的条件下 调节软骨细胞特异性基因表达具有剂量依赖性(量效关系)。因此ⅱ型胶原基因表达的变化在 tgf存在条件下受ⅱ型胶原的调控［7，8］。
体外实验证明，许多细胞因子对软骨细胞有协同或拮抗作用如tgf-βs、igfs、fgf、bmp、 il-1等，兔关节软骨细胞体外培养时，tgf-β对igf的分泌作用有三种，(1)减少41kd的ig fbp；(2)增加igf受体的结合位点；(3)下调了诱导型igf-1受体的自身磷酸化［9］ ，从而促进软骨细胞的增殖和特异性基质的合成。也有学者认为tgf-β和igf可以使反分化 的软骨细胞再分化诱导和持久表达ⅱ型胶原和蛋白多糖［10］。软骨细胞在传代培 养中表型的变化可能与软骨细胞自分泌il-1有关，而tgfβ可作为一种il-1的拮抗剂，减 少了il-1对胞外基质的分解代谢同时也下调了il-1受体及其金属蛋白酶的表达［1 1］。tgfβ可能通过以下两种途径拮抗il-1的作用，(1)刺激成软骨细胞中蛋白糖抑制 剂的产生。(2)抑制软骨细胞蛋白酶的产生，因而对细胞外基质的合成有促进作用［1 2］。
1.2骨形态发生蛋白(bmp)
bmp是tgfβ的超家族成员之一，bmp-7(op-1)是bmp家族中的一员，其对无血清培养的高密 度单层细胞和悬浮在琼脂糖中的细胞有促进生长和成熟作用，可增加其碱性磷酸酶活性和提 高mrna和ⅱ型胶原的合成能力。实验rhbmp(op-1)能有效促进胚胎和成人关节软骨细胞合成 蛋白多糖和ⅱ型胶原而ⅰ、ⅲ型胶原没有增加。也有实验证明op-1对人软骨细胞特异性胶 原、蛋白多糖的促合成作用比igf-ⅰ、tgf-β和激活素更显著［13］。在培养软 骨细胞生长周期的不同时期，bmp的作用也不同，rhbmp调节软骨细胞增殖、分化作用依赖于 细胞的成熟状态，且静止区软骨细胞更敏感，同时对软骨细胞的自分泌也有作用［14 ］。关节软骨细胞原代培养时表达了bmp-4功能性受体。1998年rach1,venena等实 验证明bmp2和维生素c共同作用下培养的软骨细胞没有诱导其肥大，同时bmp-2独自干预下 细胞凋亡明显少于维生素c的干预，从而说明软骨细胞向肥大软骨细胞的过度与细胞增殖数 量减少而相对高的凋亡水平有关。软骨细胞体外传代培养渐反分化为成纤维样细胞或过度为 肥大软骨细胞与细胞生存的微环境有关［15］。
1.3胰岛素样生长因子(igfs)
igf于1953年由salmon和danghaday研究表明，igfs家族由两种相关多肽组成即igf-ⅰ和igf -ⅱ。在软骨细胞表面有igf的受体且软骨细胞能合成和分泌这种多肽。igf-ⅰ能与软骨细 胞膜上的受体结合也以旁分泌和自分泌的方式起作用。igf-ⅰ能强烈刺激软骨细胞合成ⅱ 型胶原和蛋白多糖，igf-ⅰ还能刺激软骨细胞集落形成和细胞增殖，体内igf-ⅰ能促进骨 骺软骨生长。而igf-ⅱ能刺激软骨细胞dna和rna的合成且比igf-ⅰ更有效的刺激胚胎细 胞的生长。但igf-ⅰ对成年软骨细胞的作用强于igf-ⅱ，也能促进蛋白多糖的合成。软骨 细胞表面的igf-ⅱ的受体与igf-ⅰ相比，两者的结构与体外活性相似，但体内生物效应不 同。而igf结合蛋白(igf1bps)它通过特异性结合igfs而起作用，尽管目前对igfbps的生理功 能还不十分清楚，但它们对igfs的调节作用是肯定的，它们通过结合igfs减少了igfs与其受 体的相互作用，从而降低了igfs的活性。onley等人实验表明细胞因子可以调节igfbps的产 生，igfbps反过来调节igf的作用，同时表明il-1α、tnf-α降低细胞对igf-ⅰ的反应 性可能是通过增加igfbps而起作用。
1.4成纤维细胞生长因子(fgfs)
fgfs最初是从牛脑垂体分离出来的一种蛋白质，后来发现它在人体组织包括骨、软骨基质中 广泛存在，且对胚胎发育及软骨修复起重要作用。体外实验发现它能促进软骨细胞的增殖、 成熟和胞外基质的合成，而bfgf是一种强大的软骨细胞有丝分裂原，它能刺激生长板中软骨 细胞蛋白多糖的合成。在成人关节软骨中它与igf有协同作用，两者协同刺激软骨细胞有丝 分裂和蛋白多糖的合成，抑制软骨细胞分化为肥大表型。
1.5白介素和肿瘤坏死因子(il、tnf)
近来报道il-1对关节软骨细胞代谢的干预作用主要表现为抑制透明软骨特征性ⅱ、ⅳ型胶 原的合成，而促进ⅰ、ⅲ型胶原的合成使软骨细胞变性，抑制软骨细胞增殖和蛋白多糖的合 成同时il-1对关节软骨的降解作用主要表现在促进软骨细胞合成和分泌金属蛋白酶，并提 高软骨基质中溶解蛋白分子酶类的活性。tnf是通过il-1而抑制ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成 ，但其作用远弱于il-1。
2力学刺激对培养软骨细胞的影响
关节软骨主要由软骨细胞和胞外基质组成，而胞外基质主要包括胶原和蛋白多糖，其中ⅱ型 胶原占胶原的95%，聚合素是蛋白多糖的主要成分，关节运动时软骨经历循环应力载荷而发 生周期性变形和恢复，循环载荷是软骨细胞执行正常功能和维持胞外基质正常表型的基本因 素。而体外培养软骨细胞其随传代次数增加而发生代谢、表型的变化伴有ⅱ、ⅳ型胶原合成 减少，ⅰ、ⅲ型胶原合成增加和蛋白多糖分子量的改变，为维持体外培养软骨细胞的正常形 态和功能则许多学者进行了软骨细胞培养的力学刺激实验研究。这种压力可分为两种：一种 是持续静压力，一种是循环动压力，力学刺激对调控软骨代谢和维持其胞外基质正常表型起 重要作用，其中静压力刺激减少了ⅱ胶原和蛋白多糖的合成，而正常动压力刺激则促进ⅱ型 胶 原和蛋白多糖的合成［16，17］，k.koarninnta［18］实验表明持 续高流体静压力抑制蛋白多糖的合成和分泌，减少了聚合素mrna的表达，改变了高尔基氏器 的形态和抑制微丝的组成。在循环压力作用下软骨组织内4种物理特性发生变化；①静水压 ；②毛细液流；③流能；④组织与细胞变形。低频循环压力促进基质降解而高频循环压力则 促进软骨细胞合成代谢。所以力学刺激是软骨细胞的一个重要调节者，但软骨细胞又如何接 受力学刺激信号呢自从认识软骨细胞可以分泌整合素以来，整合素就在软骨细胞与胞外基 质信号转导方面起着重要作用。整合素是一种异二聚体(α、β)转膜糖蛋白特异性受体，力 学刺激使胞外基质与整合素结合同时与细胞骨架相连，从而影响着基因表达和调控细胞生长 和分化［19，20］。力学刺激促进胶原合成增加同时整合素合成也上调，力学刺激 增加了α2整事素亚单位mrna表达。实验表明在软骨细胞培养一周后，给予循环压力刺激 15次/min，结果3h后，循环压力促进了ⅱ型胶原和聚合素mrna的表达，从而说明胞外基 质 调节整合素来应答力学刺激。α2 β1整合素是ⅱ型胶原受体。软骨基质受体作为一 种 应力感受器在软骨基质网络中通过力学刺激信号来调控软骨细胞。周期性力学刺激促进基质 合成，而静压力则促进基质合成减少［21，22］，所以力学刺激信号可能通过力学 刺激、细胞外基质、整合素、细胞骨架(肌动蛋白)而调控软骨细胞的增殖和分化功能。taka haki-k［23］等实验证鞒?咚?降木菜?褂盏?l－6和tnf-α mrna表达增加 而缩减了蛋白多糖核心蛋白的表达，生理水平的静水压则增加了蛋白多糖核心蛋白的表达， 组织与细胞变形可兴奋ecm受体［24］细胞膜张力受体、细胞网架结构［25 ］而促进合成功能，总之，机构压力对培养软骨细胞的作用在有效范围内与压力值无关， 而与压缩程度(静压力)和频率(循环压力)有关，持续的静压力抑制软骨细胞的合成代谢，一 定频率的循环压力则促进软骨细胞的合成功能［26］。
3其它因素对培养软骨细胞的影响
体外培养软骨细胞随其传代而表型整个发生改变，正常的ⅱ、ⅳ型胶原合成减少，ⅰ、ⅲ 型胶原合成增加，在不同的培养条件下(如培养基、ph细胞的接种密度、血清浓度、氧分压 及其培养基的离子浓度、培养方式)其表型不同，有时可以反分化或向肥大软骨细胞转化。 体外培养只有保持其正常形态才能保持其正常功能。freed［27］等将软骨细胞移 植于dga、pla进行三维体外培养，证明三维培养6周后其细胞数扩增了近8.3倍，且传代后细 胞产生蛋白多糖和ⅱ型胶原的能力较佳，所以软骨细胞三维培养有利于维持其形状，常利用 胶原纤维蛋白、琼脂、海澡酸盐、pga、pla等为附属物进行三维培养。也有学者认为无血清 培养可以阻止软骨细胞反分化。培养基ph值轻度偏碱不利于蛋白多糖的合成，偏酸则相反。 低钙环境有利于软骨细胞的稳定［28］。1995年baragi［29］等将il - rα和标记基因lacz分别构建在腺病毒上转染软骨细胞并将它们分别与骨关节炎软骨组织块 一起培养，结果表明与il-1rα转染软骨细胞培养的组织块能抵制il-1β的作用而与lacz 细胞培养的软骨细胞块抵制作用明显减弱，从而说明基因转染可以用来调控软骨细胞从而维 持其表型。
4结束语
体外培养软骨细胞的优点是可以大量扩增及研究其生命活动的状况，但要维持其正常表型则 受到众多复杂因素的调控。就其细胞因子而言，细胞因子对体外培养软骨细胞的作用非单一 的，而是一个复杂的网络调节作用，如生长因子的生物学活性是由受体介导的，生长因子在 软骨细胞合成分泌后，多为无活性的前体分子需要经过特异性的激活才能发挥作用。生长因 子之间存在基因表达及其活性的相互调控tgf-β能促进pdgf的a链和b链的mrna表达和分泌 ［30］。bfgf能促进tgf-β mrna的表达，诱导间充质细胞分化成软骨细胞，增强 tgf对软骨细胞的增殖及其基质合成作用。生长因子之间还存在受体水平的调控，胰岛素不 影响tgf-ⅱ型受体的亲和力但增加了ⅱ型受体的数目引起受体上调效应，从而ⅱ型受体与 ⅰ型受体竞争，使胰岛素与ⅰ型受体结合减少。il-1可使tnf受体下调，而ifn-γ却使tnf 受体上调等。但是网络生长因子如何调控体外培养软骨细胞的增殖、分化阻滞反分化或向肥 大型转化、维持其正常软骨细胞表型及合成特异性胞外基质还需进一步的研究。总之软骨细 胞体外培养维持其正常表型则受到众多因素的影响如培养条件及其方式，细胞的微环境，ph 值、细胞密度、力学变化、生长因子等等。随着细胞生物学和分子生物学的发展，软骨细胞 体外培养大量扩增、分化维持其正常的表型及代谢的调控因素会渐为人们所明晰，为组织工 程化软骨修复软骨缺损、体外培养软骨细胞建立软骨细胞库(永生化软骨细胞)及揭示退变性 骨关节病又开拓了一条新的途径。
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第6篇：关节软骨的生物力学特性范文
59岁的张先生是吉林伊春的一名林业工人，身高不足1.7米的他体重达100公斤， 5年前出现左膝关节疼痛，拍X光片说是骨质增生。近半年来症状加重，走不了几步路就会感到疼痛钻心，甚至连日常生活都不能自理。今年9月他到总医院第一附属医院求治，章亚东博士检查发现，张先生的膝关节软骨严重磨损，关节间隙几乎丧失，需要进行膝关节置换术才能解决病痛。
章博士说，骨性关节炎是一种发展非常缓慢的疾病，从第一次疼痛到病变的晚期需要10余年甚至更长的时间。
据介绍，骨性关节炎的发病机理非常复杂，除自然的生理退化之外，运动性损伤、恶劣的气候环境、不正确的运动方式以及不良的生活习惯等，都可以引起或加剧骨性关节炎的进展。男女都可能发生，但以女性多见，特别是在绝经后。在45～55岁的人群中，男女发病频率大致相当，而到55岁以后则女性患者明显多于男性，总体上说女性患骨性关节炎的几率是男性的两倍。而流行病学研究发现，肥胖对膝关节骨性关节炎的发生有一定的影响。除肥胖而引起的机械性因素外，还与肥胖的全身代谢因素有关。膝关节承受的应力及方向取决于肢体的力线、体形、肌肉力量及其相互作用。肥胖女性膝关节骨性关节炎的发病率是正常体重女性的4倍。此外，肥胖时脂肪的分布与骨性关节炎的发生有相关性，即腰部脂肪多的病人易患髋、膝关节骨性关节炎，而髋部、大腿的脂肪却很少引起骨关节炎。
此外，关节软骨内没有血管，其营养依靠从关节液中吸取。营养不良可导致和加重骨性关节炎的进展。有些年轻白领女性常年穿裙装在有空调的写字楼办公，她们常常成为骨性关节炎的高发人群。这主要是由于温度低，引起局部血运减慢甚至障碍有关。同时，穿高跟鞋行走时髋、膝、踝关节的功能由于扭力作用发生很大改变，由髋、膝关节代偿以保持稳定步态，从而导致关节软骨受损。
而年轻人由于外伤或运动损伤可以造成关节内骨折，造成创伤性骨性关节炎，一般会在年老的时候表现出来。国外有学者研究发现，那些在10多岁或20多岁时膝关节受过损伤的人，比没有膝关节损伤的同龄人在今后的生活中发生膝关节炎的风险增加了3倍。另外，研究人员发现在成年期后损伤了膝关节或髋关节的人发生膝关节炎或髋关节炎的的风险分别增加了5倍和3倍以上。
骨性关节炎
不是老年人的专利
生活中一提到骨性关节炎，有的人就马上和“老气横秋”4个字联系起来，因为一般都认为它是60岁以上的人才得的病。 章亚东说其实关节炎可影响所有年龄的人，包括儿童在内。关节炎的早期变化在二三十岁就开始，比如我国著名的滑冰运动员叶乔波因为从小就进行滑冰动作的训练及反复受伤，导致膝关节提前退化，20岁时就得了骨性关节炎，关节内出现软骨的碎片和游离体。在几乎所有40岁以上的人身上，凡是承受重量的关节都会发生变化，大多数症状随年龄增长而加剧。目前，人们对关节保护的意识比较淡漠，甚至远不及对汽车、房子等身外之物。章亚东曾经接诊一位56岁的女性患者，退休前是单位头头。退休后总感到心里空落落的，丈夫和周围的人劝她多出去活动活动，于是她就去爬山，几乎每周都去。一年后，心情确实好多了，但膝关节开始疼痛，而且逐渐加重，后来痛得走不了路，到医院检查发现，膝关节严重磨损，需要做关节置换手术。章亚东博士说，在他接诊的患者中，不少人像这位女士一样，步入中年后形体发胖臃肿,盲目地开始减肥和突击锻炼，晴天爬山，雨天爬楼，当出现关节疼痛症状时也不在意,时间长了，关节受到严重破坏。有的年轻女性只要美丽不要健康，在空调开得很凉的房间里穿超短裙，造成关节血液循环不畅，为日后关节疾病埋下祸根；有的一年四季穿着高跟鞋，足底总处于前倾状态，膝关节长时间处于强伸状态，加快了膝关节的提前“退休”。有车族的年轻白领，上下楼坐电梯,上下班坐车,走路的时间大大减少，关节活动使用率降低，很容易出现“废用性”萎缩退化，患骨性关节炎的几率大大增加。章亚东说：“冰冻三尺非一日之寒。中年以后出现的关节疾病多是由于年轻时造成的。因此，要加强健康科普知识的宣传，从年轻时起就要增强防护意识，加强对关节的保护。”
保护关节关键在日常生活
章亚东提醒患者，关节的保护关键在日常生活，从自身的营养到外部的运动，都需要时刻防护，多注意细节，让骨性关节炎彻底远离。
章亚东说，学会科学饮食，注意钙质摄入。每日膳食必须多种食物适当搭配，以满足人体对各种营养素的需要。另外，中老年人在膳食中应注意多食含钙食物，如牛奶及豆制品，钙含量丰富，利用率又高，应注意补充。虾皮、芝麻酱、海带、核桃、瓜子、土豆等，可增加钙质摄入。各类食物所提供的营养成分不尽相同，没有一种食物能供给人体需要的全部营养素。另外，少吃辛辣刺激性食物以及生冷、油腻之物，多吃蔬菜水果，也有利于膝关节的保护。同时应多一些户外活动，增加阳光照射及补充维生素D，以促进钙吸收。必要时，适量补充钙剂，如葡萄糖酸钙、碳酸钙是临床常用补钙品。但应注意一定要在医生指导下补钙。
而有骨性关节炎的人，既要避免膝关节过度疲劳，又要进行适当的功能锻炼，以增加膝关节的稳定性，防止腿部的肌肉萎缩，这不仅能缓解关节疼痛，还能防止病情进展，不要认为只有休息不活动，才能保护好患病的膝关节。有的人患关节炎后害怕疼痛，不敢活动，甚至卧床不动，其实这对保护关节并不利，时间长了，反而会引起髌骨老化、骨质疏松、肌肉萎缩等一系列并发症，进一步加剧关节的损伤和不稳定。患了关节炎后，正确地适当地进行锻炼，可以增强肌肉韧带的力量，延缓和减慢关节病的进程，但要听从医嘱。此外，减轻体重；注意走路和劳动的姿势，不要扭着身体走路和干活。在参加体育锻练，尽量避免关节受伤。保持各关节在正常的活动轨迹中运动，是预防关节慢性劳损的一个重要措施。
章亚东认为防护的观念也十分重要，注意防止关节受潮、受凉, 尤其在气候变换季节，及出汗、酒后、睡眠等，风寒湿最容易侵袭为病。膝关节遇到寒冷，血管收缩，血液循环变差，往往使疼痛加重，故在天气寒冷时应注意保暖，必要时戴上护膝，防止膝关节受凉。女孩子不要长时间穿高跟鞋，最好穿松软、鞋底有弹性的鞋，如坡跟的休闲鞋，这样可以减轻重力对关节的冲击，减轻关节的磨损。在上下班途中或者在办公室感到足部很疲劳时可以换一双平底鞋。老年人不宜提重物，不宜爬高、搬重物,以免造成关节损伤。
科学治疗
减轻骨性关节炎的伤害
章亚东介绍：“骨性关节炎患者关节软骨受破坏后，出现软化并失去弹性，丧失强度，引起软骨下骨硬化或骨赘形成等，出现疼痛和运动障碍，严重时可致残。目前，医学还没有能力使骨性关节炎的病程逆转，大部分患者的病情会不断发展、恶化。因此绝大部分患者均需要进行治疗。骨性关节炎的治疗总体上可以分为保守治疗和手术治疗。早期以保守治疗为主，可服用消炎镇痛类的药物，或关节内注射透明质酸钠，同时配合中药外敷和理疗。到了中晚期，就需要根据病情进行手术治疗，包括关节镜清除术、胫骨高位截骨术、软骨修复手术以及关节置换术。”
物理治疗如烤电、热敷等属于保守治疗。烤电可以在一定程度上减轻患肢局部疼痛、不适；热敷可以起到镇静、松弛和止痛的作用，减轻关节慢性炎症期的疼痛和肌肉痉挛，便于肌力锻炼。但在关节的急性炎症期不要热敷，一般宜采用冷敷治疗，可起到消肿、止痛效果。
章亚东指出，药物治疗是目前治疗骨关节炎最常用的手段，可分为非特异性药物和特异性药物两类。非特异性药物的主要功效是消炎止痛。骨关节炎炎症较重者，如能排除关节感染，可于关节腔内注射皮质激素。特异性药物的主要作用是营养和保护关节软骨。关节腔内注射透明质酸，具有良好的作用，可替代关节腔内的滑液，营养保护关节软骨，阻碍和延缓关节软骨退行性病变，防止关节内纤维样组织的形成，改善关节疼痛症状，包括静息痛、活动痛和负重痛。有研究证实硫酸氨基葡萄糖也有明显的保护软骨作用，能延缓骨性关节炎的病理进程。在注射后，关节的疼痛可以得到缓解，某些人会觉得关节僵硬的程度也会改善。大体来说，效果可以维持6个月左右。
除了以上的保守治疗外，一些手术治疗也是必不可少的。骨关节炎患者疼痛症状严重、关节结构损坏明显，经过正规保守治疗效果不明显者，应考虑手术治疗。根据不同患者及病情发展的不同程度，常用的手术治疗方法也不相同。
章亚东介绍，关节镜清理手术已经被广泛应用于骨性关节炎的治疗，总有效率在80％左右，疗效多数可以维持2年以上。需要提醒的是，关节镜清理术不会改变骨性关节炎的病理特征和进程，关节镜清理术对急性期骨性关节炎患者可取得较好的治疗效果,对慢性进展期和已达晚期的骨性关节炎患者，可能只会短期改善症状。而正常情况下，由于下肢受力线通过膝关节中心，身体的负荷均匀地分布在内外侧膝关节面上。膝骨性关节炎患者可以发生膝内翻，内侧关节面负荷增加，使关节软骨功能丧失、软骨下骨硬化。胫骨高位截骨后，可纠正异常的生物力学轴线，改变异常的胫骨平台负重面，减轻关节负荷，降低骨内压，促进新的关节面形成，减轻疼痛，缓解疾病。
第7篇：关节软骨的生物力学特性范文
【关键词】 跟骨; 有限元分析; 建模; 生物力学
跟骨是人体中最大的跗骨 ， 对行走及负重有重要的作用。跟骨形态复杂 ， 呈不规则长方体 ， 上面有三个关节面 ， 分别为跟距前、中、后关节 ， 跟骨后关节面最长 ，长轴呈凸弧形斜向前下方 ， 组成跟距关节的大部分。以后关节面为界分为三部分 ， 后关节面以前为前部 ， 以后为后部 ，前窄后宽。在负重情况下 ， 足的距骨、跟骨必须正确排列 ，有足够的力量和高度来承受负荷跟骨骨折是临床常见骨折。跟骨骨折由于本身复杂的解剖特点复杂，现有方法对跟骨尤其是跟距关节面的生物力学分析有一定的难度[1，2]。本研究旨在通过Mimics建立高度仿真的跟骨模型，并且导入ANSYS中进行静压力分析，对跟距关节面的应力分布做简要分析。并通过此方法的建立，为研究跟骨骨折的生物力学研究建立初步方法。
1 资料与方法
1.1 研究对象
被测试对象:健康男性 1 名，身高170cm，体重60kg ，年龄30 岁。采用襄樊市中心 医院西门子螺旋CT对其进行足部扫描。
1.2 方法
用Simens多排螺旋CT对受试者的足部进行扫描，受试者呈仰卧位，从胫骨中段至足底进行连续螺旋扫描，将影像输入到 Mimics 10 11 软件(Materialise公司，比利时) 。
CT断层扫描图片以dicm格式导出，以Mimics软件(比利时)导入，形成三维图像，并且通过对感兴趣的部位(本文为跟骨)单独形成三维图像，再导出为lis格式，并且做smooth和mesh处理。然后将此文件导入ANSYS10.0(美国)，并以此面模型建立体模型。在跟距关节面上根据解剖关系划出软骨关节面范围，设定跟骨的四面关键点为不可位移的关键点，再在软骨面上施加正常成人体重的1/2约343N，得出应力云图及各个方向的形变[3]。
2 结果
2.1 Mimics软件可以顺利的将整个足的CT断层扫描数据 转化为3D模型，然后选取研究感兴趣的部分如跟骨单独成像。比传统CT图像胜在更直观，并去除了解剖结构的限制，可以从任意角度观察跟临床感兴趣的部位(图1)。
2.2 将跟骨单独形成三维图像后再导出为lis格式，并且做smooth和mesh处理，然后将此文件导入ANSYS10.0可以建立能够进行有限元分析的网络模型(图2)。
2.3 设定跟骨的力学特性密度泊松值和杨氏模量。选定跟骨底部四个点为约束点，跟距关节面上根据解剖关系划出软骨关节面范围后施加343N静压力，时间为1s(图3)。
2.4 求解可以得出在压力作用下跟骨模型的应力云图和各向形变。
根据设定条件， ANSYS提示跟骨之跟距关节面受压力后 跟骨内部的应力变化， 关节面部分为桔黄色代表应力较大，其中中中央部分为红色代表应力最大为7.17M Pa， 跟骨体部为绿色代表较大代表应力较小(图4)。
形变分析图示在跟距关节中央为红色提示形变最大为0.342mm，向外周延伸形变逐渐减小。这与临床跟骨骨折的常见表现类似。当应力超过跟骨本身的材料屈服标准时，跟骨就会发生不可逆的形变也就是骨折(图5)。
转贴于 3 结论
① Mimics可以方便的个体化建立准确有效的跟骨模型
② ANSYS可以在方便快捷准确的分析跟骨跟距关节的的各种力学特性，比如静力分析。比较复杂的比如接触分析，在建立肌腱软骨的正常模型的基础还可以进行运动分析。
③ 静力分析表明跟距关节在正常静压力下，跟距关节的压力峰值集中在跟距关节中心，形变也与压力相应分布在附近。这和临床实践所见是相符合的。
4 讨论
有限元分析软件已经由过去对生物体材料几何结构的简单模拟和近似计算，发展到能对人体各组成部分复杂的非均质性结构进行真实模拟和精密分析，成为现代人体生物力学研究的一种重要工具，尤其是应用在口腔颌面外科和骨科方面。有限元分析的基础是模型的建立和网格的划分。过去缺乏建模工具，往往采取直接更具结构的几何外形建立节点和单元而得到有限元，模型，一般只适合简单的结构系统，无法完全反映正确的人体骨性结构。应用CT或MRI的计算机三维影像重建虽然可以直观地反映人体结构，为临床提供部分诊断信息，但无法以此直接进行生物力学分析。MIMICS是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据(CT、MRI)，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理。本研究主要使用的是MIMICS FEA模块，MIMICS FEA模块可以将扫描输入的数据进行快速处理，输出相应的文件格式，用于FEA(有限元分析)及CFD(计算机模拟流体动力学)，用户可用扫描数据建立3D模型，然后对表面进行网格划分以应用在FEA分析中。FEA模块中的网格重新划分功能对FEA的输入数据进行最大限度的优化，基于扫描数据的亨氏单位，可以对体网格进行材质分配[4，5]。本研究成功地建立了以正常人体跟骨螺旋 CT扫描影像为几何依据的有限元模型。以往建立的医学有限元模型由于软件功能单一、 网格划分算法少、 人体组织结构形状不规则等原因，需要进行适当的简化和假设，在精度方面有一定的缺陷，而且模型创建过程环节多、 成本高、 周期长，进一步限制了其应用。此方法具有便捷、 高效、 准确、高度自动化的优势。通过初步建立的跟骨模型，分析了简单的静力分析，得出的结论和临床实践相符，证明Mimics和ANSYS结合是骨科生物力学分析的有利工具。另外，如建立肌腱软骨的正常模型，就可以方便的在ANSYS中实现对跟距关节面的动态分析，还可以利用Mimics中的CAD模块插入内固定物，实现内固定物对骨折的固定效果的力学分析，具有广泛的用途。
参考文献
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第8篇：关节软骨的生物力学特性范文
【关键词】 胶原; 软骨修复; 组织工程
Abstract:Recently， tissue-engineered chondrocyte transplantation has been tried to treat full - thickness cartilage defects. Of the many scaffold materials being investigated， collagen， with good biocompatibility， biodegradable and biological activity， has been shown to have many advantageous features for the proliferation， the attachment and the differentiation. The present article reviews the applications and prospects of collagen in cartilage tissue engineering.
Key words：collagen; cartilage repair; tissue engineering
软骨组织自我修复能力差，因各种疾病所导致的软骨缺损如何修复成为临床医生面临的一大难题。微小的关节软骨创伤可能会导致进一步的损伤和恶化。传统上软骨修复主要有关节成形术、自体软骨膜或骨膜移植等。但是这些方法都有一定的局限性，且都不能达到长久的修复效果[1]。
最近，组织工程已经成为组织或器官移植外的另一选择，包括种子细胞以及可降解的生物支架材料，并已被证明是一种最有前途的软骨修复方法[2]。
支架材料作为组织工程种子细胞的生长及营养和代谢的运输载体在组织工程方法中至关重要。目前，软骨组织工程支架分为天然和人工合成支架材料。人工合成支架(如PLA、PLGA)尽管被证明有利于细胞的黏附、增值、分化等优点。但也存在一定的局限性，如缺乏细胞识别信号、亲水性差、对细胞的吸附能力差且降解产物如聚乳酸易引起非炎症性反应。天然材料最突出的优点是抗原性低，生物相容性好，具有细胞识别信号，有利于细胞行为。在软骨组织工程中，由于胶原具有以上优点，且是软骨基质的主要成分，在软骨修复中的应用日益受到重视，成为软骨组织工程中最具潜力的支架材料，但也存在一些缺点，如机械强度不足[3]。本文就胶原在软骨组织工程中的应用作如下综述。
1 单纯胶原支架材料在软骨组织工程的应用
胶原是软骨组织中的主要结构蛋白，使软骨组织具有其独特的力学性质。而且胶原蛋白也有利于细胞的黏附、增殖和分化，并可降解而为新生组织提供足够的空间，且能刺激软骨细胞分泌新的胶原。在软骨组织工程中，主要应用的是I型和Ⅱ型胶原。
Buma等[4]用I型和II型胶原基质修复兔的全层关节软骨缺损时发现， I型胶原基质更利于软骨下区的细胞进入缺损区，而Ⅱ型胶原基质虽然引导进入缺损区的细胞较少，但侵入的细胞能更快表现出软骨细胞样表型。Nehrer等[5]发现， I型胶原诱导成纤维细胞样形态和纤维性基质形成;而II型胶原诱导软骨细胞样形态和GAG基质形成。Stark等[6]将软骨细胞种植在不同的胶原基质上，结果显示软骨细胞在胶原基质上具有很高的活力，呈三维排列方式，软骨细胞特异性产物II型胶原大量表达。
1.1 I型胶原支架材料
I型胶原除了具有胶原的优点，且由于其分布最广，易于提取，因而在组织工程软骨中广泛应用。主要有海绵和凝胶两种形式。
Wanmbach等[7]以I型胶原为支架培养软骨细胞，软骨细胞存活并表达其自身表型，产生细胞外基质。Yates等[8]将牛关节软骨细胞种植在胶原海绵支架上4周，采用定量软骨细胞合成物、基因表达产物的方式评价该支架，得到的数据显示胶原海绵支架能够有利于软骨细胞的粘附、增殖、分化和表型的保持。Willers等[9]应用基质诱导自体软骨细胞移植术(MACl)，在I型胶原膜支架上接种软骨细胞，并植入3 mm软骨缺损的兔膝关节，结果细胞—支架复合物增殖分化形成健康软骨，12周时完全修复软骨缺损。
Wakitani等[10]用I型胶原凝胶与软骨细胞和间充质干细胞混合后修复兔膝关节软骨的全层缺损，取得了比较满意的结果。卢华定等[11]构建I型胶原支架，并复合兔骨髓基质干细胞培养后移植于兔膝关节全层软骨缺损处，结果BMSCs在I型胶原支架材料内贴附良好，分泌胞外基质。组织学检测术后12周为透明软骨样修复。
1.2 Ⅱ型胶原支架材料
II型胶原主要由软骨细胞产生，具有促进软骨细胞分化的作用，并可为软骨细胞的黏附提供基础。在体外，II型胶原可刺激软骨的形成。
李斯明等[12]应用II型胶原海绵植入兔膝关节软骨缺损处，结果表明实验组在2周即出现新生软骨细胞。且向缺损处迁移。12周后新生骨和软骨组织填满缺损区并与周围组织整合。杨小红等[13]对II型胶原海绵修复软骨缺损进行组织学观察，结果表明，II型胶原具有较强的诱导软骨细胞生长的能力，其诱导生长的新生软骨具有正常透明软骨的表型和功能。
Lee等[14]用自体软骨细胞种植于Ⅱ型胶原支架在体外培养4周后，修复犬的关节软骨缺损，发现缺损区形成的组织中纤维性组织明显减少，但修复组织的强度仅为正常关节软骨的1/20。Atsushi F等[15]采用II型胶原凝胶与兔软骨细胞混合后移植到兔右膝缺损处进行软骨修复。结果表明，移植12～24周后，有与周围软骨类似色泽且整合良好的新生软骨。
2 胶原复合材料
胶原可以作为软骨组织工程支架具有很多优越性，但胶原也存在加工性能差、缺乏柔韧性、抗拉强度低等缺点。为了改善胶原的力学性能，并根据仿生原理来模拟软骨组织成分，研究者制备胶原与其他材料(如壳聚糖、蛋白多糖等)的复合材料，以期得到理想的组织工程支架材料[16～26]。
2.1 胶原-透明质酸复合材料
软骨的主要成分是胶原蛋白和糖胺多糖。其中透明质酸和硫酸软骨素均是糖胺多糖的主要成分。糖胺多糖可以键合和调节生长因子和细胞因子，抑制蛋白酶降解。并影响细胞黏附、迁移、增殖和分化，并在组织发育和修复过程中发挥重要的作用。
Florin A等[16]制成胶原-透明质酸海绵材料，加入软骨细胞悬液培养后表明，低浓度的透明质酸与胶原蛋白共价结合可以促进软骨细胞合成蛋白多糖和硫酸软骨素、基质的聚集和特定软骨细胞基因表达。体外实验证明，胶原透明质酸复合材料对软骨形成有很好的相容性和再现性。吴炜等[17]制成胶原-透明质酸海绵材料，复合材料具有良好的三维空间结构和生物相容性，软骨细胞在材料上生长状况良好，且有基质分泌。
2.2 胶原-壳聚糖复合材料
壳聚糖能促进透明质酸等糖胺多糖的分泌，使伤口愈合加快，并能抑制成纤维细胞的生长，减轻瘢痕的形成。壳聚糖与胶原的结合除了可促进伤口愈合外，还可增强其力学性能。壳聚糖属多糖类，胶原属蛋白质类，蛋白质和糖类在一起可能存在氢键作用和静电作用，再加上交联作用，在胺基、羟基等之间相互交联，进一步提高其力学强度。
Shi等[18]采用冻干法，将I型胶原和脱乙酰度88%壳聚糖制备成多孔海绵状三维支架，该支架具有良好的孔洞结构，并采用碳化二亚胺交联后力学强度得到提高。皮下种植试验证明其生物相容性和可降解性好。体外培养软骨细胞和支架复合物，发现支架促进了软骨细胞的增殖、分化并维持其表型。倪云峰等[19]研究了以壳聚糖-胶原共混膜为三维支架材料的同种异体软骨细胞构建组织工程化软骨的能力。倒置显微镜下观察兔软骨细胞接种于壳聚糖-胶原共混膜上后分裂增殖并向周围延伸。史德海等[20]也采用壳聚糖与Ⅱ型胶原复合制作了组织工程软骨三维多孔支架，并对其理化性能进行了检测。结果表明细胞生长状况良好，但体外降解较单纯的壳聚糖支架更快。
2.3 胶原-硫酸软骨素复合材料
糖胺多糖主要成分之一是硫酸软骨素，约占软骨干重的20%。因此，II型胶原蛋白-硫酸软骨素复合材料是培养软骨类组织再生的合适环境。
Cao H等[21]用碳化二亚和N-羟基酰亚胺交联II型胶原蛋白和硫酸软骨素，通过冷冻和冷冻干燥法制备成多孔的基质。体外评价发现软骨细胞在复合支架中蛋白多糖和Ⅱ型胶原的表达较高，且组织学分析表明在支架边缘形成一个较厚的软骨层。
2.4 胶原-聚乙烯醇复合材料
聚乙烯醇具有良好的杨氏模量和抗张强度，适用于作为很多软组织的研究[22]，但单纯的PVA对细胞的吸附能力是有限的[23]。因此，在PVA中加入了胶原蛋白来改善其细胞的粘附性，从而使其更适合于软骨组织工程材料的研究。
叶春婷等[24]利用胶原与PVA复合，研制成凝胶状材料，并对材料进行了细胞相容性与组织相容性评价，PVA-胶原材料无毒副作用，细胞能在其上三维生长，体内埋植4周后异物反应消失，材料与组织相互融合，表明材料具有良好的细胞相容性与组织相容性，可作为软组织体内植入材料与组织替代材料。
2.5 胶原-壳聚糖-透明质酸复合材料
由于软骨成分复杂，研究者们也研究了多种材料的复合，希望得到理想的组织工程软骨支架。
Yan等[25]将壳聚糖-胶原-透明质酸通过冻干法制成多孔支架，经检测这种混合支架的水溶性好，降解慢，抗压性好的特点。与单独在胶原支架中培养相比，在该支架内体外培养软骨细胞21 d后，复合支架上布满了软骨样组织，DNA和糖胺聚糖(GAG)含量明显增高。
2.6 胶原-透明质酸-硫酸软骨素复合支架材料
张其清等[26]应用胶原-透明质酸-硫酸软骨素复合支架材料，模拟软骨基质成分，加入软骨细胞悬液在培养21 d后即形成软骨样组织，结构稳定。此种复合支架较之人工合成材料有更好的生物相容性和低免疫原性，且降解产物无毒。
3 面临的挑战和展望
理想的支架材料应具有一定的孔洞结构并可降解，能够使细胞保持其增殖和分化能力。良好的生物相容性及生物力学强度为种子细胞提供适合的生长微环境，以及有利于在缺损处形成具有功能的新的软骨组织。 胶原作为组织工程材料的优点是与组织的相容性良好，植入人体后无毒性，无刺激，并能促进细胞黏附、增殖，加快创面愈合，还可被人体分解吸收，分解产物亦无不良反应，可塑性好，容易加工成型。目前已经应用于组织工程修复的各个方面。多年来的研究亦表明胶原的性能能满足作为多种细胞的培养基质。胶原在组织工程软骨中也进行了大量的研究，并取得了一些进展，但也存在着问题。胶原蛋白支架缺乏一定的机械强度，而人工合成支架材料虽然有良好的机械强度，但是其细胞吸附性差、降解产物有一定毒性。因此胶原在组织工程软骨支架材料目前研究的重点之一是通过改进胶原支架材料及其制备工艺，进一步研究材料的交联方法提高胶原的机械强度，并采用胶原与人工材料或其他天然材料复合制备软骨支架。此外，以骨髓间充质干细胞作为组织工程软骨的种子细胞，以胶原为载体基质仍然需要进一步的研究[27]。 如今也有胶原材料复合生长因子来进行软骨修复，将胶原和细胞或生长因子混合后的得到复合生物活性材料，能够得到良好的组织工程化的软骨。
总之，胶原作为一种天然生物材料应用于软骨组织修复的体外及体内的研究，已经被证实有很好的应用价值和可行性。基于胶原蛋白为原料的复合生物活性材料的开发，将促进关节软骨修复这一难题的解决。
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第9篇：关节软骨的生物力学特性范文
膝关节骨性关节炎是一种因关节软骨退行性变引起的以骨质增生为主的关节病变，骨性关节炎是一组有不同病因但有相似的生物学、形态学和临床表现的疾病，该病不仅发生关节软骨损害，还累及整个关节，包括软骨下骨、韧带、关节囊、滑膜和关节周围肌肉，最终发生关节软骨退变、纤维化、断裂、溃疡及整个关节面的损害，其发病常与年龄、遗传、体质及代谢有关。骨性关节炎治疗方法很多，我科采用用关节镜下膝关节有限清理术配合透明质酸钠辅助治疗取得了明显成功，获得满意疗效，现报道如下。
1 临床资料
1.1 一般资料：本组106例，其中男50例，女56例，年龄36~70岁，平均51岁，左膝关节24例，右膝关节56例，双膝关节26例，共106例116个膝关节，病程9个月~1年。
1.2 临床表现及放射学检查：所有病例均有关节不适、疼痛史，下蹲后疼痛，上、下楼加重，平地行走无明显疼痛症状，20例有关节肿胀史，髌周围可有压痛，研磨试验可为阳性、阴性，放射学检查轻微变化。
1.3 手术方法：硬膜外麻醉，患者取仰卧位，上气压止血带，常规消毒，铺巾，气囊止血带压力600 mmHg，取膝关节内外侧及髌上囊入水及关节镜，器械，按关节镜手术程序，冲洗关节腔内碎屑，清除增生滑膜，骨赘，髌下脂肪垫，破裂半月板，脱落软骨等，生理盐水500 ml+庆大霉素8 U，如此反复冲洗10 000 ml，灌洗结束后尽量吸尽关节腔内残留生理盐水，可用吸引器、20 ml注射器接出水针尾抽尽，以减少术后滑膜水肿，术毕膝关节周围大纱布衬垫，弹力绷带加压包扎6小时，防止滑膜继续肿胀、渗出，全程30分钟。术中用透明质酸钠2.0 ml，术后14天关节腔内注射透明质酸钠2.0 ml，每周1次，共5次1个疗程。
2 结果
治疗后无感染发生，无不良反应，本组病例均获随访，平均随访时间为1年（6~18月），所有病例病痛减轻或缓解，膝关节功能恢复或超过术前。疗效标准参照YANG的膝关节疼痛及功能评分方法改良，本组优100个，良6个，治疗优良率为90%，有效率100%。
3 讨论
目前认为两种情况可导致骨关节炎发病，一种是软骨发生异常，但所受应力正常，软骨不能承受正常应力，发生退变，导致骨关节炎；另一种是软骨本身正常，但承受应力异常，软骨承受过度异常应力发生退变，产生骨关节炎。这两种情况的共同结果是软骨极限强度，软骨中胶原纤维网架连续发生松驰，胶原纤维超微结构遭到破坏，产生原因是软骨界面和界面磨损，当软骨受到长时间载荷，软骨内液体被挤出，软骨形变加大，关节相对合软骨面的滑液被挤出，对合的软骨面发生直接接触，此时关节活动可使软骨表面磨损。当软骨磨损碎屑进入关节，在关节活动时形成三体磨擦，三体磨擦极大地加速表面磨损，软骨磨损使更多软骨碎屑进入关节，形成恶性循环，再有软骨表面磨损和胶原纤维网架的松驰断裂，可使成软骨内蛋白聚糖漏出，蛋白聚糖漏出又反过来影响胶原纤维网架的稳定性，形成另一恶性循环。
膝关节骨性关节炎的早期治疗，一般采取非手术治疗为主，手术治疗为辅，膝关节骨性关节炎，关节镜下关节软骨一般均有不同程度Ⅰ~Ⅲ度改变，明显早于骨的退行性改变，Ⅰ~Ⅱ度可在关节腔内注射透明质酸钠，但对于Ⅲ度仅行关节腔内注射透明质酸钠效果欠佳，Ⅲ度：髌骨和股骨、胫骨髁，特别是内侧胫骨平台软骨下骨，半月板实质性结构严重破裂，滑膜纤维化，有较多的关节粘连，碎片及游离体存在[1]。我科在关节镜清理术后注射透明质酸钠2.0 ml，透明质酸钠是一种独特的线性粘多糖，由葡萄糖醛酸和N－乙酰氨基葡萄糖的二糖反复交替连接而成的直链均聚糖，分子量达数百万级。透明质酸和细胞间纤维蛋白结合构成具有粘弹性、保护性、性和稳定性的基质。因此在关节镜清理术，冲洗软骨碎屑及致痛因子，再采用高分子的透明质酸钠治疗膝关节早期骨性关节炎。
应用透明质酸钠治疗膝关节早期骨性关节炎，（1）能提高膝关节腔滑液的透明质酸含量，重建生理屏障，防止软骨基质的进一步丢失，阻止某些微生物进入软骨内；（2）透明质酸与糖蛋白结合成透明质酸的蛋白质复合物游离于关节液中，黏附于关节软骨或滑膜的表面，形成透明质酸蛋白复合物无定型结构层，具有高度的粘弹性，增强滑液的保护和作用，减少关节运动及软组织滑动产生摩擦引起的疼痛，增大关节的活动范围；（3）与糖蛋白结合，阻止该物质参与炎症过程，减少关节渗出；（4）增加滑膜细胞透明质酸的合成，促进硫酸软骨素和糖蛋白的合成，并与糖蛋白形成蛋白聚糖多聚体，组成软骨基质，有利于软骨的修复。维持胶原网状结构充盈和软骨组织的完整性；（5）通过抗缓激肽和抗蛋白酶活性，及遮蔽痛觉受体以降低痛觉敏感性，缓解关节疼痛；（6）透明质酸钠具有在关节软骨面形成保护膜，促进关节液中透明质酸的合成，对抗缓激肽和蛋白酶从而保护软骨基质作用[2]，因此在关节镜手术后在关节腔内及时补充透明质酸钠有利于术后对关节腔内组织结构的保护和诱导正常滑液成分的内源性分泌。
参考文献：
[1] 孙材江，腾学仁.关节镜学[M].第一版.长沙：湖南科学技术出版社，1992.230.
