老齡骨性關節炎大鼠內側副韌帶蠕變特性

孟慶陽 樸成東 馬洪順 (吉林大學第二醫院,吉林 長春 3004)

骨性關節炎是多發于老年人的慢性、退行性關節疾病,是危害老年人健康、嚴重影響老年人生活質量的疾病之一〔1〕。骨性關節炎可累及骨、軟骨、滑膜及關節周圍支持結構。膝關節內側副韌帶作為膝關節的支持結構,骨性關節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鍵問題。鑒于此,本文通過建立骨性關節炎動物模型,比較正常和老齡骨性關節炎動物模型內側副韌帶的蠕變特性,研究骨性關節炎對膝關節內側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,設為正常對照組;12月齡 SD大鼠12只,體重225～230 g;設為老齡骨性關節炎動物模型組。均由長春高新醫學動物實驗中心提供,許可證號:SCXY(吉)2003-0004。

1.2 造模 采用閉合關節刻痕法模型建立骨性關節炎,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,仰臥于手術臺上固定,雙膝關節局部脫毛,備皮,消毒。一手使膝關節屈曲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,每側刻痕4～5道。然后調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注意盡量不要傷及半月板,也就是要盡量刻在每側平臺中間,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,每側僅有1 mm左右,出針后不全縫合,創傷小,對其他因素影響小。術后每天肌注青霉素10萬U,連續3 d以預防感染。由于雙側膝關節都進行了造模,故術后不用將對側肢骨固定于軀體上。根據臨床上疲勞容易出現關節炎的發病特點,手術后第2天即開始每日強迫驅趕動物活動30 min,驅趕動物活動至5 w時,即得到明顯的 OA模型。兩組動物飼養5 w后,以腹主動脈放血法處死動物,解剖取出大鼠雙側內側副韌帶,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℃冰箱內保存備用。

1.3 蠕變實驗方法 實驗前取出標本,在常溫下解凍,以手術刀切取試樣,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,內側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。組織會隨加載、卸載循環次數而變化,要多次重復才能達到穩定狀態。本實驗在同一應力水平下分別對每個標本反復加-卸載20次,預調處理后進行實驗〔3〕。

將標本置于pH7.4的生理鹽水有機玻璃缸內,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℃環境溫箱,可自動調節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的應力增加速度對標本施加應力。當正常對照組標本應變達到7.02%,模型組應變達到6.75%,各組應力達到7.12 mPa時使應力保持恒定,應變隨時間改變不斷上升。計算機程序設定從時間t(o)開始采集數據,每0.6 s采集1個數據,采集10次;之后每 10 s采集 1個數據,采集40次;之后每136 s采集1個數據,采集50次,共采集100個數據,歷時7 200 s。達到設定時間后打印機自動打印出實驗數據和曲線。

1.4 統計學方法 以SPSS11.0進行統計學分析,計量資料以±s表示,采用隨機分組設計的單因素法進行分析,采用Dunnett-t方法進行兩兩比較。

2 結 果

兩組標本實驗曲線經計算機擬合后見圖1,兩組標本歸一化蠕變函數曲線見圖2。正常對照組內側副韌帶7 200 s蠕變量為1.622%,模型組內側副韌帶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,蠕變曲線是以指數關系變化的。正常對照組內側副韌帶7 200 s蠕變量顯著大于老齡骨性關節炎模型組(P＜0.05)。

圖1 蠕變曲線

圖2 歸一化蠕變函數曲線

蠕變曲線是以指數關系變化的,因此設:

由最小二乘法確定a、b

正則方程

將實驗數據代入(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節炎動物模型大鼠內側副韌帶的蠕變特性,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,黏彈性特性是以應力松弛和蠕變為表現形式的,是為適應人體的生理功能需要存在的。內側副韌帶正常范圍內的蠕變有利于對膝關節的支持,有利于膝關節的平衡和穩定,超出正常范圍的蠕變則不利于膝關節的平衡和穩定。

本實驗結果表明內側副韌帶蠕變最初600 s變化速度快說明韌帶內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后應變變化緩慢。

骨骼系統周圍膠原組織為韌帶等,韌帶發揮引導關節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,關節活動產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〕。骨性關節炎不僅引起關節軟骨發生病變,還造成脛股關節的應力增大,由于脛股關節的力學軸向發生了改變,造成負重力線的內移,膝關節內側應力傳遞超出許用應力,打亂了膝關節內側的平衡和穩定,內側副韌帶承受應力和應變增加,隨著時間的推移,超常的應力和應變使內側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。

骨性關節炎的治療以預防為主,應正確對待骨性關節炎,全面了解其發病原因、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,根據本人的體質和條件進行適當合理的活動和鍛煉,防止下肢關節長時間的超負荷活動,控制體質量增長,過度肥胖時應適當減肥,以減輕對關節軟骨的壓應力〔2〕。

1 楊斌輝,劉繼超,李 維,等 .膝關節骨性關節炎關節鏡診斷治療〔J〕.航空航天醫藥,2006;17(4):193-4.

2 李 釗,節曉光,仲秀艷,等.閉合關節刻痕法骨性關節炎動物模型建立〔J〕.貴陽中醫學院學報,2007;29(6):63-4.

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

4 Victor H,Nordin Fm,eds.戴克戎,王以進,周健男,等,譯.骨骼系統的生物力學基礎〔M〕.上海:學林出版社,1985:89.