老龄骨性关节炎大鼠内侧副韧带蠕变特性

孟庆阳 朴成东 马洪顺 (吉林大学第二医院,吉林 长春 3004)

骨性关节炎是多发于老年人的慢性、退行性关节疾病,是危害老年人健康、严重影响老年人生活质量的疾病之一〔1〕。骨性关节炎可累及骨、软骨、滑膜及关节周围支持结构。膝关节内侧副韧带作为膝关节的支持结构,骨性关节炎后其蠕变特性是否改变,有一个什么程度的改变是需要搞清楚的关键问题。鉴于此,本文通过建立骨性关节炎动物模型,比较正常和老龄骨性关节炎动物模型内侧副韧带的蠕变特性,研究骨性关节炎对膝关节内侧副韧带蠕变特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料 实验动物为普通级雄性6月龄SD大鼠12只,体重210～218 g,设为正常对照组;12月龄 SD大鼠12只,体重225～230 g;设为老龄骨性关节炎动物模型组。均由长春高新医学动物实验中心提供,许可证号:SCXY(吉)2003-0004。

1.2 造模 采用闭合关节刻痕法模型建立骨性关节炎,按参考文献〔2〕的方法对 12月龄 SD大鼠进行建模。将大鼠用3%戊巴比妥钠(30 mg/kg)耳缘静脉麻醉后,仰卧于手术台上固定,双膝关节局部脱毛,备皮,消毒。一手使膝关节屈曲90°,另一手触摸找出股骨髁、髌骨及髌韧带。紧靠髌韧带两侧髌骨下方对准股骨髁方向进针,用小针刀在股骨髁软骨面上刻痕,每侧刻痕4～5道。然后调整方向分别在髌软骨及胫骨平台上刻痕,在胫骨平台上刻痕时应注意尽量不要伤及半月板,也就是要尽量刻在每侧平台中间,同时每道刻痕深度最好不要超过软骨全层。由于是闭合刻痕,针眼小,每侧仅有1 mm左右,出针后不全缝合,创伤小,对其他因素影响小。术后每天肌注青霉素10万U,连续3 d以预防感染。由于双侧膝关节都进行了造模,故术后不用将对侧肢骨固定于躯体上。根据临床上疲劳容易出现关节炎的发病特点,手术后第2天即开始每日强迫驱赶动物活动30 min,驱赶动物活动至5 w时,即得到明显的 OA模型。两组动物饲养5 w后,以腹主动脉放血法处死动物,解剖取出大鼠双侧内侧副韧带,以生理盐水浸湿的纱布包裹标本,装入塑料袋中,密封后置于-20℃冰箱内保存备用。

1.3 蠕变实验方法 实验前取出标本,在常温下解冻,以手术刀切取试样,试样长10～12 mm,宽 1.0～1.4 mm,厚0.2～0.4 mm。将试样的长度和直径输入到控制机器的计算机内,内侧副韧带和其他软组织一样,其弹性主要来自熵的改变,因而不存在唯一的状态。组织会随加载、卸载循环次数而变化,要多次重复才能达到稳定状态。本实验在同一应力水平下分别对每个标本反复加-卸载20次,预调处理后进行实验〔3〕。

将标本置于pH7.4的生理盐水有机玻璃缸内,将有机玻璃缸置于试验机工作台上,标本上端与试验机上夹头连接,下端与试验机下夹头连接,试验机带有-35℃～250℃环境温箱,可自动调节温度和保持温度恒定,本实验在(36.5±0.5)℃的温度下进行 。以0.01 GPa/s的应力增加速度对标本施加应力。当正常对照组标本应变达到7.02%,模型组应变达到6.75%,各组应力达到7.12 mPa时使应力保持恒定,应变随时间改变不断上升。计算机程序设定从时间t(o)开始采集数据,每0.6 s采集1个数据,采集10次;之后每 10 s采集 1个数据,采集40次;之后每136 s采集1个数据,采集50次,共采集100个数据,历时7 200 s。达到设定时间后打印机自动打印出实验数据和曲线。

1.4 统计学方法 以SPSS11.0进行统计学分析,计量资料以±s表示,采用随机分组设计的单因素法进行分析,采用Dunnett-t方法进行两两比较。

2 结 果

两组标本实验曲线经计算机拟合后见图1,两组标本归一化蠕变函数曲线见图2。正常对照组内侧副韧带7 200 s蠕变量为1.622%,模型组内侧副韧带72 00 s蠕变量为1.144%。蠕变最初600 s变化较快,之后应变缓慢上升,7 200 s时蠕变曲线基本平衡,蠕变曲线是以指数关系变化的。正常对照组内侧副韧带7 200 s蠕变量显著大于老龄骨性关节炎模型组(P＜0.05)。

图1 蠕变曲线

图2 归一化蠕变函数曲线

蠕变曲线是以指数关系变化的,因此设:

由最小二乘法确定a、b

正则方程

将实验数据代入(4)式解出各组的a、b值,将各组的 a、b值代入(3)式得出:

3 讨 论

本实验对比分析了正常和老龄骨性关节炎动物模型大鼠内侧副韧带的蠕变特性,具有以下特点:蠕变实验是长时间实验,需要对试样保湿,本实验将试样置于生理盐水槽中,解决了试样的保湿问题;本实验在同一环境温度下和同一实验速度下进行实验,避免了温度和实验速度不同产生的偏倚;以6月和12月老龄大鼠进行分组,均为雄性,避免了年龄和性别不同产生的偏倚。

韧带等生物材料均为黏弹性材料,黏弹性特性是以应力松弛和蠕变为表现形式的,是为适应人体的生理功能需要存在的。内侧副韧带正常范围内的蠕变有利于对膝关节的支持,有利于膝关节的平衡和稳定,超出正常范围的蠕变则不利于膝关节的平衡和稳定。

本实验结果表明内侧副韧带蠕变最初600 s变化速度快说明韧带内的固有膨胀压小于局部压力水分向外溢出的速度,随着韧带内液不断溢出,其固有的膨胀压与局部压力减小,因此600 s后应变变化缓慢。

骨骼系统周围胶原组织为韧带等,韧带发挥引导关节活动和防止过度活动的作用。在运动过程中,韧带主要承受张力,关节活动产生的拉伸载荷作用在韧带上。胶原纤维主要由三种纤维组成:胶原纤维、弹性纤维和网状纤维。胶原纤维使胶原组织具有一定的强度和刚度,弹性纤维使胶原组织在载荷作用下具有延伸的能力〔4〕。骨性关节炎不仅引起关节软骨发生病变,还造成胫股关节的应力增大,由于胫股关节的力学轴向发生了改变,造成负重力线的内移,膝关节内侧应力传递超出许用应力,打乱了膝关节内侧的平衡和稳定,内侧副韧带承受应力和应变增加,随着时间的推移,超常的应力和应变使内侧副韧带胶原组织中的胶原纤维断裂、变细,从而改变了其蠕变特性。

骨性关节炎的治疗以预防为主,应正确对待骨性关节炎,全面了解其发病原因、机制和病理特点。积极主动地参与各种防治活动,提高抗衰退和抗病能力,坚持体育疗法,根据本人的体质和条件进行适当合理的活动和锻炼,防止下肢关节长时间的超负荷活动,控制体质量增长,过度肥胖时应适当减肥,以减轻对关节软骨的压应力〔2〕。

1 杨斌辉,刘继超,李 维,等 .膝关节骨性关节炎关节镜诊断治疗〔J〕.航空航天医药,2006;17(4):193-4.

2 李 钊,节晓光,仲秀艳,等.闭合关节刻痕法骨性关节炎动物模型建立〔J〕.贵阳中医学院学报,2007;29(6):63-4.

3 朴成东,张维蛟,刘月莹.骨性关节炎动物模型外侧副韧带的拉伸力学性质〔J〕.中国组织工程研究与临床康复,2009;13(46):9097-100.

4 Victor H,Nordin Fm,eds.戴克戎,王以进,周健男,等,译.骨骼系统的生物力学基础〔M〕.上海:学林出版社,1985:89.