青年与老年人脊柱黄韧带的力学特性

彭传刚 杨 琦 李 鹏 (吉林大学第二医院骨科医院，吉林 长春 3004)

黄韧带位于相邻的椎板之间，主要作用是限制脊柱过度前屈和维持人体直立姿势，是脊柱后部的重要力学结构。随着年龄的增长，黄韧带逐渐出现退变，并导致肥厚、钙化甚至骨化，造成相应节段的椎管狭窄而压迫脊椎和神经根〔1〕。目前黄韧带的退变机制仍然不清楚。以往的研究多从生物学、免疫组化、组织学等方面研究居多〔2～4〕。本文对青年和老年人黄韧带进行拉伸实验探讨其力学特征。

1 材料与方法

1.1 实验标本 20个腰椎退变标本取收集中国医科大学附属第四医院骨科因L4/5椎管狭窄行全椎板减压内固定手术切下遗弃的黄韧带，均为男性，年龄68～75〔平均(70.4±2.0)〕岁，术前CT和MRI显示L4/5节段黄韧带肥厚。20个青年对照组标本收集于中国医科大学附属第四医院骨科，因L4/5外伤行减压内固定手术切下遗弃的黄韧带。年龄20～28〔平均(24.3±3.4)〕岁，术前、术后检查均无腰椎黄韧带退变。所有患者知情同意。黄韧带取出后以生理盐水浸湿的纱布包裹。

1.2 仪器设备 (1)岛津自动控制电子万能试验机，具有自动控制应力、应变增加速度和使应力或应变保持恒定的功能。载荷通过载荷传感器提供，载荷传感器最大量程500 N，使用量程200 N。(2)长春市第三光学仪器厂生产的读数显微镜。

1.3 一维拉伸实验方法 实验前取出标本，以手术刀割黄韧带，每个标本切成一个式样，每组20个。首先测量试样的原始尺寸。将试样装夹在软组织实验夹具上，给予满量程1%的初载做为准长度的基础。利用读数显微镜测量其长度、宽度和厚度，青年正常对照组试样长度为16.2～17.1 mm，试样厚为2.42～2.48 mm、试样宽度为1.50～1.52 mm;老年组试样长为17.2～17.6 mm，试样厚度为 4.02～4.4 mm，试样宽度为1.52～1.54 mm。按参考文献〔5，6〕的方法分别对每个试样进行预调处理。将经过预调的每组各20个试样分别装夹到软组织专用夹具上，夹具与有机玻璃缸连接，玻璃缸内装有pH值为7.4的生理盐水，试样置于生理盐水中，装有试样的夹具与试验机上、下夹头连接。试验机带有－35℃ ～250℃环境温箱，可自动调节温度并保持恒温。本实验模拟正常人体温，在(36.5±0.5)℃的温度场下进行。预先将程序设定好，记录方式为X-y，其中X轴为应力，y轴为应变，以5 mm/min的速度对试样施加拉伸载荷，直到试样破坏，计算机自动输出拉伸最大载荷、最大位移、最大应力、最大应变和应力-应变曲线。

1.4 统计学方法 应用SPSS14.0软件进行分析，数据资料以s表示，采用方差分析和独立样本t检验。

2 结果

2.1 两组黄韧带拉伸最大载荷、最大位移、最大应力、最大应变结果 老年组黄韧带最大载荷、最大应力、最大位移、最大应变与青年组比较差异显著(P＜0.05)。见表1。

2.2 青年组和老年组黄韧带应力-应变函数关系表达式 以多项式构建出青年组和老年组黄韧带一维拉伸应力-应变函数关系表达式:青年组黄韧带:σ(ε)=0.019 2e5+0.243 8e4－0.002 7e3+0.000 3e2;老年组黄韧带:σ(ε)=0.463 0e5+0.656 6e4－0.006 4e3+0.000 2e2。

表1 两组黄韧带拉伸实验结果( s，n=20)

表1 两组黄韧带拉伸实验结果( s，n=20)

组别 最大载荷(N)最大位移(mm)最大应力(MPa)最大应变(%)89.8±5.2 5.37±0.86 24.2±4.9 53.7±8.6老年组青年组193.9±27.8 4.62±0.478 30.9±5.1 46.2±7.8

3 讨论

韧带主要由胶原纤维和弹性纤维组成。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具有在载荷作用下的延伸能力，胶原纤维和弹性纤维在载荷作用下具有不同的性质。Okuda等〔7〕研究表明，弹性纤维排列紊乱、撕裂弹性纤维直径大小不一，弹性纤维含量减少;胶原纤维增生、神经节样囊性损害，软骨样细胞，黏液样变性，血管形成骨化，肉芽组织钙化及软骨形成等。据此分析认为，老年黄韧带退变组由于退变造成弹性纤维遭到破坏，降低了在载荷作用下的延伸能力，所以其拉伸应变显著低于青年组。老年黄韧带由于胶原纤维增生，胶原纤维，特别是Ⅱ型胶原的含量明显增加，所以其拉伸强度提高。黄韧带退变后由于胶原纤维含量，弹性纤维含量等发生改变，其力学特性随之发生了改变。

Nakatani等〔4〕的研究表明，随着年龄增加脊柱发生退变而导致的椎体不稳，会引起黄韧带牵张力的增加。Sairyo等〔8〕研究发现黄韧带背侧部分纤维化程度明显较腹侧严重，腹侧部分弹性纤维比例均为75%左右，但背侧部分随着年龄增长逐渐减少，且约半数转变为软骨组织，产生Ⅱ型胶原纤维和蛋白多糖。黄韧带肥厚程度与纤维化程度、弹性纤维减少程度均呈正相关;同时对腰椎活动时的生物力学变化进行三维有限元分析，发现黄韧带背侧所受张力明显比腹侧高〔9〕。因此认为随着年龄的增长，反复的机械张力引起黄韧带损伤后的纤维化修复是其肥厚的主要原因。

随着年龄的增加，脊柱发生退变，丧失了一定的稳定性，打乱了脊柱受力的平衡，为了保持脊柱的平衡和稳定，黄韧带承受的载荷增加，而在载荷作用下黄韧带的变形减小，长此以往，恶性循环，使黄韧带退变的越来越严重。黄韧带的退变过程也是黄韧带力学行为改变的过程。黄韧带力学环境和力学行为的改变是黄韧带退变的重要原因之一。本实验对揭示黄韧带退变机制更具有理论意义和临床价值。

1 上官磊，樊 星，仲霄鹏，等.腰椎退变黄韧带的生物力学测定〔J〕。中国脊柱脊髓杂志，2009;19(10):749-52.

2 Wang Z，Li XD，Li MQ，et al.Changes in basic metabolic elements associated with the degeneration and ossification of ligamenta flava〔J〕.J Spinal Cord Med，2008;31(3):279-84.

3 Park JB，Chang H，Lee JK.Quantitative analysis of transforming grouth factorbetal in ligamentum flavum of lumbar spinal stenosis and disc hemiation〔J〕.Spine，2001;26(1):492-5.

4 Nakatani T，Marui T，Hitora T，et al.Mechanical stretching force promotes collagen synthesis by cultured cells from human ligamentum flavum via transforming growth factor-betal〔J〕.J Orthop Res，2002;20(6):1380-6.

5 臧 虎，朴成东，高 峰，等.实验动物骨性关节炎内侧副韧带力学特性〔J〕.医学研究，2010;39(2):73-5.

6 Victor H，Margaretanordin F.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，1985:89-94.

7 Okuda T，Baba I，Fujimoto Y，et al.The pathology of ligamentum flavum in degenerative lumbar disease〔J〕.Spine，2004;29(15):1689-97.

8 Sairyo K，Biyani A，Goel VK，et al Pathomechanism of ligamentum hypertrophy:a multidisciplinary investigation based on clinical，biomechanical，histologic and biologic assessments〔J〕.Spine，2005;30(23):2649-56.

9 Sairyo K，Biyani A，Goel VK，et al Lumbar ligamentum flavum hypertiophy is due to accumulation of inflammation-related scar tissue〔J〕.Spine，2007;32(11):E340-7.