人体内、外侧半月板生物材料力学特征及比较的实验研究

2013-11-12沙川华

体育科学 2013年7期

沙川华，李龙，张涛

1.Chengdu Sport University，Chengdu 610041，China；2.Sichuan Industrial Management Career Academy，Mianzhu 618500，China.

膝关节结构复杂，运动幅度大，在下肢的支撑、蹬地等活动中承受挤压、拉伸、旋转、剪切等多种负荷，易产生急性损伤与慢性劳损，其中，尤以半月板损伤更为多发与复杂［9］。半月板是膝关节重要的辅助结构，分内、外侧两块，属于纤维软骨。半月板既有加大加深膝关节窝，起稳定的作用，也可以缓冲胫骨内外侧髁与股骨内外侧髁之间的直接碰撞。由于半月板与膝关节周围软组织在结构上有着多处连接，加之它们在膝关节运动时会产生位移，故如果膝关节运动幅度过大，半月板位移后复位不全，很容易因为牵拉、挤压过度出现损伤。

从查阅的文献资料可知，国内、外学者虽然对人体半月板的研究很多，但对其生物材料力学特征的认识仍不够深入。本研究通过“应力松弛”、“一维拉伸”两项生物力学实验，了解内、外侧半月板多部位、多切面的生物材料力学特征，这将有助于分析损伤机理，为损伤后的防治、修复、人工材料置换等提供实验依据。

1 实验材料

1.1 半月板提取

从6具成年男性（年龄20～45岁）新鲜尸体上截取6个正常无病变①本实验用内、外侧半月板均取自四川大学华西医学院骨科手术移植用正常无病变新鲜膝关节标本。右侧膝关节，解剖得到内、外侧半月板各6块，共计12块（图1）。用格林氏液洗去表面滑液，修洁与之相连的软组织，根据半月板分为前角、后角、体部的观点［1］，分别在内、外侧半月板上定点、划线，沿划线进行切分（图2）。

图1 本研究膝关节内、外侧半月板实物图Figure 1.Medial and Lateral Human Meniscus

1.2 试件制备

使用四川大学华西口腔医学院病理实验室德国莱卡恒冷切片机，型号CM3050S（图3），制备形状近似于长方形［6］的标准试件，切片厚50μm，长15～20 mm，宽8～10 mm。分别挑选结构完整的内、外侧半月板前角水平面与额状面、后角水平面与额状面、体部水平面与矢状面切片各10张，共计120张，两项实验各用60张（图4）。将制备好的试件分组装入浓度3%中性福尔马林溶液的丝口瓶，密封置于4℃冰箱内待用，试验在3天内完成。

图2 本研究内、外侧半月板分部与切面示意图Figure 2.The Segment and Section of Menisci

图3 本研究莱卡冰冻切片机实物图（型号CM3050S）Figure 3.Leica Freezing Microtome（Model CM3050S）

图4 本研究标准试件实物图Figure 4.Frozen Section Specimens

2 实验仪器、实验指标和数据处理

2.1 实验仪器

两项试验与数据采集均在上海大学力学实验中心“生物材料力学性能测试系统”完成（图5、图6），该系统计算机采样速度为10次／s，并同步记录载荷－位移曲线。整个实验操作在25℃左右室温下进行，随时用3%中性福尔马林溶液保持试件湿润。

图5 本研究材料力学性能显微测试系统实物图Figure 5.Micromechanics Tester

图6 本研究测试系统夹具局部实物图Figure 6.The Fixture of the Micromechanics Tester

2.2 实验指标

本研究中，反映内、外侧半月板生物材料力学特征的指标有的是通过实验原始数据经过公式计算得到，有的是通过转换原始数据关系曲线得到，还有的是通过先确定关系曲线上某个点的数据，然后计算得到［3］。

1.应力与破坏应力：生物材料的应力σ＝P／Ao，P为加载于试件上的载荷，Ao为试件原始截面积；破坏应力为使生物材料发生破坏瞬间时的应力。

2.应变与破坏应变：应变ε＝ΔL／L，ΔL为试件伸长值，L为原长；破坏应变为破坏应力所对应的应变。

3.瞬时弹性响应：是生物材料在某一瞬时应变状态下所对应的瞬时应力，反映生物材料在某时刻抵抗外力的能力。

4.应力－应变曲线：先根据拉伸实验数据，计算各组试件在0%、4%、8%、12%、16%、20%、24%应变处对应的各自平均应力，再利用Excel软件，绘制出一维拉伸实验中内侧半月板与外侧半月板各部位、各切面的“应力－应变”关系曲线。

5.拉伸刚度：是引起试件变形时所需要的力，反映其抵抗变形的能力。在实验数据绘制的“应力－应变曲线”上选择线性状态较好的某个变形量时的载荷为其拉伸刚度。

6.弹性模量：是指试件在外力作用下产生单位弹性应变所需应力，用以衡量试件产生弹性变形难易程度，值越大，使其发生弹性变形的应力也越大。在确定了拉伸刚度后，求出各试件在此时刻的应力均数，再除以应变得到的数值即为弹性模量。

7.归一化应力松弛函数：此函数的表达公式为“G（t）＝Clnt＋D”。先根据实验数据计算得到函数中常数“C”、“D”，再代入公式，就能得到生物材料的归一化应力松弛函数。

8.1s与100s应力松弛率：先确定原始力、1s力与100s力，即电脑同步记录的最大载荷为原始力、最大载荷相对应时间后1s时的载荷为1s力、最大载荷相对应时间后100s时的载荷为100s力，然后再计算得到。1s应力松弛率＝（原始力－1s力）／原始力；100s应力松弛率＝（原始力－100s力）／原始力。

9.应力变化历程表达公式：根据Fung YC 拟线性粘弹性理论，生物软组织在一维拉伸时的应力变化历程表达为：

式中：G（t）是归一化松弛函数；（ε）是组织的弹性响应。

由于试验中加载速度是常数，若令其为a，则ε＝at＝a

根据实验结果，可选择：

代（2）（3）入（1）并令t－τ＝u，则：

2.3 数据处理

采用SPSS 17.0统计软件处理实验数据［2］，计算数据的平均值与标准差（），比较内、外侧半月板相同部位、同一切面的差异。统计方法采用独立样本t检验，P≤0.05为显著性差异，P≤0.01为非常显著性差异。

3 实验方法

3.1 预调

将试件固定于测试仪器上，用游标卡尺测量其初始长度，以1min应变约为试件初始长度10%的速度将其拉伸至4%应变长度，同速卸载休息1min，重复3次。

3.2 应力松弛试验

将预调后的试件在0～3s内分别产生2%、4%、6%、8%的阶跃应变，然后保持应变150s，同步记录“载荷－时间关系曲线”。计算分析内、外侧半月板各部位的“应力－时间”特征、“弹性响应”特征，用以表达其对载荷的力学反应。

3.3 一维拉伸试验

将预调后的试件以10 mm／min的应变速度将其拉伸至破坏，记录“载荷－位移关系曲线”后，转化为“应力－应变关系曲线”，反映内、外侧半月板各部位抗拉伸的能力。

4 实验结果与分析讨论

4.1 内、外侧半月板相同部位同一切面的比较

4.1.1 瞬时弹性响应特征

分别选取内、外侧半月板相同部位同一切面的试件处于2%，4%，6%，8%阶跃应变时的瞬时弹性响应数据，计算，用其反映在外力作用下产生瞬时变形时的特征（表1）。

表1 本研究内、外侧半月板相同部位同一切面瞬时弹性响应比较一览表Table 1 Comparison of Instantaneous Elastic Response of the Same Parts between Medial and Lateral Human Meniscus（，MPa）

注：●P≤0.01，○0.01＜P≤0.05：内侧半月板前角额状面与外侧半月板前角额状面对比；★P≤0.01：内侧半月板前角水平面与外侧半月板前角水平对比；▲P≤0.01，△0.01＜P≤0.05：内侧半月板体部水平面与外侧半月板体部水平面对比；■P≤0.01：内侧半月板后角额状面与外侧半月板后角额状面对比。

对比结果，1）内、外侧半月板前角额状面瞬时弹性响应对比：前者在2%、4%、6%应变处均明显大于后者；2）内侧半月板前角水平面在2%应变处瞬时弹性响应明显大于外侧半月板前角水平面；3）内、外侧半月板体部水平面瞬时弹性响应对比：后者在2%、4%、6%和8%应变处均明显大于前者；4）内、外侧半月板后角额状面瞬时弹性响应对比：前者在2%、4%、6%、8%应变处均明显大于后者。

结果分析，内、外侧半月板均是具有粘弹性的纤维软骨，具有一定的能屈性和顺应性，以缓冲股骨与胫骨之间的撞击、挤压，起到保护关节面的作用。表1 中有4组对比结果表明：内侧半月板前、后角在被拉伸时，瞬间产生的应力大于外侧半月板的前、后角，具有较强抵抗外力的能力。然而，虽然内侧半月板体部瞬间产生的应力小于外侧半月板体部，但由于其有胫侧副韧带与其相连［7］，从结构上起到了一定的增强效果。由此推断，整体而言内侧半月板比外侧半月板生物材料的能屈性和顺应性更好。

4.1.2 应力－时间特征比较

实验中，分别记录内、外侧半月板各部位不同切面试件在第1s和第100s时刻受力大小，并计算其应力松弛率。根据数据特点，采用独立样本t检验进行对比（表2）。

对比结果，内、外侧半月板不同部位不同切面应力松弛率相互比较均无显著性差异（P＞0.05）。

结果分析，生物材料的应力松弛率与其粘性大小成正相关关系，松弛率越大，粘性越大，在承受较大负荷的持续作用时，将具有较好调整负荷的能力，从而减少对施加其上产生的长期应力，满足保护生物材料自身的需要［8］。从比较结果看，内、外侧半月板相同部位同一切面1s、100s应力松弛率没有明显差异，表明其各部位各切面材料本身粘弹性差异不大，调整负荷的能力基本相同。

结果提示，半月板某些部位易发生损伤，与半月板粘弹性关系不大，可能更多的是与其周围韧带、关节囊等组织的连接、受力状态、关节的运动形式和运动幅度等因素有关。内、外侧半月板各部位各切面均表现出最初几秒内材料的应力松弛发展很快，以后趋缓，100s后基本呈一条直线，即在受力初期应力比较大，随着持续时间增长，较小的应力能够引起较大的应变。此特征与腕纤维软骨复合体［9］、膝关节交叉韧带［6］基本一致，表明只要是以胶原纤维为主构成的结构，均具有这一特征。为了防止内、外侧半月板发生损伤，在下肢完成各种运动，或者承重时，一定要注意运动强度、运动持续时间等要素的把握，尽量避免长时间的持续受力，还应注意加强膝关节周围肌力的训练，以增加保护效果。

表2 本研究内、外侧半月板相同部位同一切面应力松弛率比较一览表Table 2 Comparison of Stress Relation of the Same Parts between Medial and Lateral Human Meniscus（，%）

4.1.3 内、外侧半月板各部位各切面归一化应力松弛函数

归一化应力松弛函数的表达公式为“G（t）＝Clnt＋D”，根据实验数据拟合出内、外侧半月板各部位各切面函数中的常数“C”、“D”，代入公式，计算得到内、外侧半月板各部位各切面的函数（表3）。

表3 本研究内、外侧半月板各部位各切面归一化应力松弛函数一览表Table 3 Normalized Stress Relaxation Function for Each Part of Medial and Lateral Meniscus

4.1.4 应力－应变关系比较

根据拉伸实验数据，求出内、外侧半月板各部位各切面在0%、4%、8%、12%、16%、20%、24%应变处对应的应力均数，并绘制“应力－应变”关系曲线（图7、图8）。

图7 本研究内侧半月板各部位各切面“应力－应变”关系曲线图Figure 7.The“Stress－Strain”Curve for Each Part of Medial Meniscus

图8 本研究外侧半月板各部位各切面“应力－应变”关系曲线图Figure 8.The“Stress－Strain”Curve for Each Part of Lateral Meniscus

观察内、外侧半月板各部位各切面的“应力－应变关系”曲线可以看出，有10 个切面呈基本相似的趋势：在初始阶段，应力随着应变的增加而上升，当应变在大约15%左右时，应力达到最大值，随后应力开始下降，并且随着应变的增加呈持续下降的特征［4］。这一规律表明，半月板作为弹性材料，具有一定的抗拉伸性能，但是材料本身抵抗外界负荷的能力有限，一旦超过材料自身的极限，便会造成材断结构的破坏。因此，为了避免半月板的急性损伤与慢性劳损，除了应尽量避免膝关节剧烈运动外，还应注意不要使其长时间处于不合理姿势，挤压半月板。内侧半月板前角水平面与外侧半月板后角水平面较为特殊，前者在应变达8%时，应变就达到了最大值，后者则要在应变达到25%左右时，应力才达到最大值，这是否与交叉韧带、膝横韧带、板股后韧带等结构的附着有关（图9），有待今后进行相关结构的生物材料力学特征比较研究后进一步论证。

图9 本研究内、外侧半月板与韧带关系形态图Figure 9.The Relational Graph between Meniscus and Knee Ligaments

4.1.5 抗拉伸能力比较

生物材料承受拉伸等负荷能力大小可以用拉伸刚度、弹性模量、破坏应力、破坏应变等指标来反映。这四项指标的确定方法是：分析“应力－应变”关系曲线可知，在8%左右的应变阶段，内、外侧半月板各部位各切面均呈现良好的线性关系，故确定此时刻的载荷为“拉伸刚度”；然后，再以此时刻计算得到的应力均数／应变均数得到的数值为“弹性模量”；破坏应力均是取内、外侧半月板各部位各切面发生断裂的那一时刻的载荷／初始横截面积计算得到；破坏应变为破坏应力所对应的应变。根据数据特点，选择独立样本t检验对内、外侧半月板相同部位同一切面的各项指标进行对比（表4）。

对比结果：

1.拉伸刚度：内、外侧半月板前角额状面对比，前者显著性大于后者；内、外侧半月板体部水平面对比，前者显著性小于后者；内、外侧半月板后角额状面对比，前者显著性大于后者；内、外侧半月板后角水平面对比，前者显著性大于后者。从材料力学角度看，拉伸刚度较大的部位，抗拉伸能力较强。

表4 本研究内、外侧半月板各部位各切面抗拉伸能力指标一览表Table 4 Anti－tensile Capacity Parameters for Each Part of Medial and Lateral Meniscus（）

注：●P≤0.01：内侧半月板前角额状面与外侧半月板前角额状面对比；★P≤0.01：内侧半月板前角水平面与外侧半月板前角水平对比；△0.01＜P≤0.05：内侧半月板体部矢状面与外侧半月板体部矢状面对比；■P≤0.01，□0.01＜P≤0.05：内侧半月板体部水平面与外侧半月板体部水平面对比；◆P≤0.01：内侧半月板后角额状面与外侧半月板后角额状面对比；▽0.01＜P≤0.05：内侧半月板后角额状面与外侧半月板后角额状面对比。

2.弹性模量：内、外侧半月板体部矢状面对比，前者显著性大于后者；内、外侧半月板体部水平面对比，前者显著性小于后者；内、外侧半月板后角额状面对比，前者显著性大于后者；内、外侧半月板后角水平面对比，前者显著性大于后者。从材料力学角度看，弹性模量较大的部位，抗拉伸能力较强。

3.破坏应力：内、外侧半月板体部水平面对比，前者显著性小于后者；内、外侧半月板后角额状面对比：前者显著性大于后者。从材料力学角度看，破坏应力较大的部位，抗拉伸能力较强。

4.破坏应变：内、外侧半月板前角水平面对比，前者显著性小于后者；内、外侧半月板体部水平面对比，前者显著性大于后者；内、外侧半月板后角水平面对比，前者显著性小于后者。从材料力学角度看破坏应变小，表明施加同样大小的力，长度变化较小，抵抗外力能力较强；破坏应变大，表明施加同样大小的力，长度变化大，抵抗外力能力较弱。

结果分析，从内、外侧半月板各部位与各切面抗拉伸能力指标比较看，多数均为前者强于后者，表明其材料力学性能优于后者。此外，从前文内、外侧半月板瞬时弹性响应比较结果也可以看出，内侧半月板前角与后角较之外侧半月板前角与后角其生物材料的粘弹性也要大些。从这两点结果分析，内侧半月板生物材料性能可能优于外侧半月板。此研究结果从生物材料力学的角度对临床上外侧半月板较内侧半月板更容易发生运动损伤的观点［6，10］进行了一定的佐证。

5 结论

1.外侧半月板前角与后角、内侧半月板体部粘弹性较差，抵抗瞬时外力的能力较弱，从生物材料的角度看可能在承受突然较强的负荷时容易发生损伤。

2.内、外侧半月板各部位各切面调整负荷的能力基本相同，运动时若注意关节运动幅度适度、准备活动充分，应能够避免因负荷不均造成的损伤。

3.外侧半月板较内侧半月板抗拉伸能力弱，可能是其急慢性损伤更为多见的生物材料力学原因之一。

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