中国男性腰椎松质骨微结构和生物力学随年龄变化的特征

白皓天 刘国民 杨宗辉 白云深

(吉林大学白求恩医学部,吉林 长春 130041)

随着年龄的增长，人的脊柱长度逐渐变短，骨折的危险性逐渐增高。已往的研究把这些现象归因于椎间盘高度降低〔1〕，但有研究指出，椎体高度的改变是脊柱长度逐渐变短的直接原因，而骨质疏松与椎体高度缩短密切相关〔2，3〕。已往骨质疏松的定义是骨量绝对减少，骨密度降低，致骨折风险性增高。而后研究者们发现，随着增龄，松质骨骨微结构发生改变、继而引起骨小梁生物力学性质变化，是骨质疏松的主要原因。骨小梁生物力学性质随着年龄的改变也是骨折危险性逐渐增加的直接原因〔4〕。近些年，国外许多研究机构对此做了大量的工作，但研究对象均是白种人，没有黄种人的研究数据。本研究组通过对中国男性各年龄组腰椎松质骨微结构、生物力学的研究，阐述它们之间的关系以及与年龄和骨折危险性的关系。

1 材料与方法

1.1材料 取捐献的新鲜男性L3椎体32个，年龄20～59岁，分为A～D四个年龄组(A组：20～29岁、B组：30～39、C组：40～49和D组：50～59岁)，每组8个椎体。常规操作去除L3周围软组织及附属结构。所选椎骨均经CT扫描排除腰椎存在肉眼可见的病理性改变。

1.2骨小梁形态学观测 取出各年龄组腰椎，室温下解冻。沿椎体正中矢状面将椎体切成左右两半。切成长×宽为12 mm×12 mm的规则试件，对切下的试件周围松质骨脱水，进行喷金，扫描电镜下从上终板到下终板连续成像，应用eflim软件对骨小梁进行形态学分析、测量。

1.3生物力学实验 各年龄组随机选取8个试件，用骨水泥填补使各组试件的上下面水平。在试件表面贴上电阻应变片[德国都利公司，标距1 mm×1 mm(胶基泊式)，阻值120 Ω，灵敏度(K)2.12]，保证各试件的纵向电阻应变片位于同一水平，将应变片导线连于电阻应变仪(上海华东电子仪器厂，YJ-26型静态电阻应变仪)，采用万能材料实验机(日本岛津AG-107A自动控制电子万能试验机)以0、50、100 Nu级别生理载荷分级加载，在电阻应变仪上直接读取各试件相应载荷下的应变位移，算出弹性模量。然后去除应变片，进行极限载荷试验。

2 结 果

A年龄组纵向骨小梁宽大于横向骨小梁宽(P<0.05)，横向骨髓腔高与纵向骨髓腔高相接近(P>0.05)。A组到B组，横向、纵向骨小梁均明显减小(P<0.01)，横向、纵向骨髓腔高明显增大(P<0.01)。B到C年龄组，骨小梁宽未见明显变化(P>0.05)，纵向骨小梁宽大于横向骨小梁宽(P>0.05)，骨髓腔高未见明显变化，横向骨髓腔高大于纵向骨髓腔高(P>0.05)。C组到D组，横向、纵向骨小梁均减小(P>0.05)，横向、纵向骨髓腔高均增大(P>0.05)，其中横向骨髓腔高大于纵向骨髓腔高(P>0.05)。D组横向、纵向骨小梁宽未见明显差异(P>0.05)。见表1。

板状骨小梁主要分布在上、下终板区域，随着年龄的增长数目逐渐减少。A到B年龄组，板状骨小梁厚明显减小(P<0.01)，B到C年龄组，板状骨小梁厚未见明显变化(P>0.05)。C到D年龄组，板状骨小梁厚略减小(P>0.05)。见表1，图1。

A到B年龄组，弹性模量和极限应力均减小(P<0.01)，B到C年龄组，弹性模量和极限应力未见明显变化(P>0.05)。C到D年龄组，极限应力显著减小(P<0.05)，弹性模量减小(P>0.05)。见表1。

表1 各年龄组骨小梁的形态学数据及L3椎体松质骨生物力学数据±s,n=8)

3 讨 论

骨的生理和解剖形态的变化源于受到的外部负荷的改变。Cvijanovic等〔5〕研究认为由于椎骨主要受到轴向负荷，因而椎骨内纵向骨小梁的宽大于横向骨小梁的宽。随着年龄的增长，横向骨小梁宽逐渐减小，而纵向骨小梁代偿性增宽。Mosekide 等〔6〕的实验指出：水平小梁自20～80岁厚度逐渐降低，与年龄呈显著相关性；垂直骨小梁厚度未见明显变化，与年龄无相关性；横向和纵向骨髓腔高均显著增加，与年龄显著相关。有些文献报道由于横向骨小梁的减少，纵向骨小梁承担更多的应力，因此随着年龄的增大，垂直骨小梁逐渐增厚〔7〕。椎间盘主要功能之一是把躯干的重量及其他负荷传递给椎体，在20～29岁左右，椎间盘把60%的应力传递给椎体内骨小梁。随着年龄的增长，虽然椎间盘厚未见明显变化，甚至有所增加，但是椎间盘的内部结构发生明显的变化，水分逐渐丢失，纤维环变性，椎间盘内的裂隙逐渐增多，这导致椎间盘把更多的应力传递给椎体的皮质骨〔8〕。随着年龄增长，皮质骨的厚度逐渐增加证明了这点〔9〕。因此，椎体内的骨小梁无论是横向，还是纵向所受应力均逐渐减小，失去了应力的刺激，骨小梁宽逐渐减小，横向骨小梁厚与纵向骨小梁厚逐渐接近。板状骨小梁的厚随着年龄增长，逐渐变薄，可能由于随着年龄的增长，破骨细胞的活性相对增强，而成骨细胞活性逐渐减弱，导致骨沉积减少。所受应力的减小和微骨折也是原因之一〔10〕。

我们研究组实验结果显示横向、纵向骨髓腔高随着年龄的增长而增大，与文献报道一致〔7〕。但有文献报道，随着年龄的增长，椎体的高度是减小的，这与纵向骨髓腔的增大有些不一致。随着年龄的增长，骨小梁数目的减少，骨小梁宽度的降低，板状骨小梁变薄均可导致纵向、横向骨髓腔增大。而椎体整体的高度可能因为骨小梁微结构的变化而减小。

骨小梁的弹性模量是反映骨韧性的力学参数，当骨弹性模量降低，骨的柔韧性减小，脆性增高，骨发生为骨折的概率相应增大〔11〕。骨小梁的弹性模量与骨胶原的交联程度直接相关。随着年龄的增长，骨胶原的交联程度降低，骨小梁的柔韧性较小，弹性模量也随之降低。另一个决定骨小弹性模量的因素是矿物质的骨沉积〔12〕。

本实验研究结果示骨小梁的极限载荷随着年龄的增长而降低。这与文献的报道相符合〔13〕。A到B年龄组极限应力显著性减小，可能由于骨小梁宽度的减小和骨密度的减低；C到D年龄组极限载荷减小，可能由于骨胶原纤维排列紊乱和骨韧性降低。随着年龄的变化，骨微结构和生物力学的改变是引起骨质疏松和骨折危险性增加的重要原因。

4 参考文献

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9Keaveny TM,Yeh OC. Architecture and trabecular bone-toward an improved understanding of the biomechanical effects of age, sex and osteoporosis〔J〕. Musculoskel Neuron Interact,2002;2(3):205-8.

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