C2－3、T10－11和L3－4椎间盘段弯曲力学特性
李建军1王溪原2赵宝林3马洪顺4
【摘 要】摘要 预防和治疗椎间盘脱出等退行性改变需要了解C2－3、T10－11、L3－4椎间盘与相邻椎体的弯曲力学特性，本文对人体C2－3、T10－11、L3－4椎间盘与相邻椎体进行弯曲试验，为临床提供生物力学参数。实验标本取自正常人新鲜尸体脊柱标本，男性，年龄20～30岁，人死后1h内解剖尸体取出C1－S1脊柱标本，以线锯切取C2－3、T10－11、L3－4椎间盘与相邻椎体各13个标本，在日本岛津电子万能测试机上以5 mm/min的实验速度进行弯曲实验，得出C2－3、T10－11、L3－4组标本的最大载荷、最大弯矩、最大应力等力学参数。实验结果得出，C2－3组标本最大载荷、最大弯矩小于T10－11组和L3－4组，有显著性差异(p＜0.05);C2－3组标本最大应力小于T10－11组，有显著性差异(p＜0.05);L3－4组最大应力大于T10－11组和C2－3组，有显著性差异(p＜0.05)。此结果说明C2－3、T10－11、L3－4椎间盘与相邻椎体具有不同的抗弯曲力学特性，可对了解腰椎间盘的损伤机理提供生物力学参。
【期刊名称】北京生物医学工程 【年(卷),期】2011(030)003 【总页数】4
【关键词】关键词 脊柱;椎间盘相邻椎体;弯曲;弯曲特性
0 引言
近年来椎间盘突出和脊柱相关的疾病的发生率有上升的趋势［1］，迄今为止，尽管医学界对椎间盘突出症的病因尚未作出令人信服的解释，但已有充分的证
据表明，椎间盘在生化方面退变以及由于过载而产生的影响都是不可忽视的因素［2］。从椎间盘生物力学的角度入手，来研究和解决椎间盘突出等退行性改变是一种重要的方法。国内外学者们对脊柱椎间盘的生物力学做了大量的研究，Roeander［3］和Nachemson等［4］对脊柱黄韧带与椎间盘的关系进行了研究，认为黄韧带对椎间盘产生内压，提供对脊柱内源性支持。张建发等［5］研究了腰间盘的压缩刚度、剪切刚度和扭转刚度，得出了椎间盘的压缩刚度为1314 N/mm，剪切刚度为245 N/mm，扭转刚度为6.5N·M/(°)等结果，Latridisjc等［6］在动态条件下测量了腰椎间盘的压缩弹性模量和相位角，结果表明椎间盘弹相模量为7～21 kPa，相位角为23°～31°。Martinkvismer等［7］对腰椎间盘进行轴向旋转研究，其结果表明完成的无退变的纤维环比小关节面更能限制轴向旋转，椎间盘纤维环呈高度各向异性的结论。以往对椎间盘进行压缩和扭转研究居多。腰椎间盘突出等退行性改变的诊断治疗和损伤机理的研究需要了解腰椎间盘的弯曲力学性能指标，鉴于此，作者以颈椎C2－3、胸椎T10－11、腰椎L3－4为研究对象，进行弯曲(过伸)力学特性实验，得出了三个节段椎间盘与相邻椎体的弯曲最大载荷、最大弯矩、最大应力等力学性能指标，这些指标的得出对于彻底揭示腰椎间盘、胸椎间盘、颈椎间盘与相邻椎体弯曲损伤的机制即具有理论意义又具有临床价值。
1 材料与方法
1.1 材料
实验标本取自正常国人新鲜尸体13个脊柱标本，由白求恩医科大学解剖教研室提供，年龄20～30岁，均为男性。人死亡后1 h之内，解剖尸体取出C1～S1脊柱。立即装入塑料袋中密封后置于20℃冰箱内保存。
1.2 材料及仪器
电子万能试验机(AG－10TA，日本岛津制作所);读数显微镜(长春市第三光学仪器厂)。 1.3 实验方法
标本存放了3天后，取出标本，在常温下解冻后，以骨据切取C2－3、T10－11、L3－4椎间盘与相邻椎体标本，每组各13个标本。C2－3标高24.8－25.2 mm，利用读数显微镜测量试样的长度、宽度和高度。椎间盘与相邻椎体为粘弹性材料;所以必须对试样进行预调处理，本实验按参考文献［8－9］的方法对每个试样进行预调处理后实验。分别将3组试样置于弯曲支座上，C2－3组标本支坐跨距18 mm，T10－11和L3－4组标本支坐跨距25 mm。以5 mm/min的实验速度对试样施加弯矩，直到试样破坏，实验结束后，打印机自动打印出最大载荷、最大弯矩、最大应力等。
统计学分析:采用SPSS 11.0软件进行统计分析，计数资料以x±s表示，采用完全随机分组单因素方差分析进行数据分析。采用t检验对2组实验数据进行比较。
2 结果
3组样本弯曲实验结果见表1。
C2－3组最大载荷、最大弯距和T10－11、L3－4最大载荷、最大弯矩分别配对t检验差异显著(P＜0.05)，C2－3组最大应力和T10－11组最大应力配对t检验差异显著(P＞0.05)L3－4组最大应力和C2－3组、T10－11组最大应力分别配对t检验差异显著(P＜0.05)。
3 讨论
Rofaf［10］对脊柱进行了弯曲实验，发现弯曲时椎间盘膨出时总是发生在脊柱弯曲线的凹侧。Panjbi［11］对脊柱进行过伸和屈曲实验发现当脊柱屈曲时，脊柱除绕水平轴旋转外，还向前平移，脊柱的屈曲、伸展运动的特点包括在屈伸运动同时出现旋转运动，旋转时髓核的压力很少增加，因而终板不会凹陷破裂。董世纯等［12］研究了人体椎间盘及相邻椎体的力学性能，其过伸实验(弯曲)发现先从前侧的间盘和椎骨相接处开裂，系由于间盘后侧受压、前侧受拉，间盘先从受拉力侧损伤。
实验结果表明，C2－3组标本最大载荷、最大弯矩小于T10－11组和L3－4组，差异显著(p＜0.05);C2－3组标本最大应力小于T10－11组，差异显著(p＜0.05);L3－4最大应力大于T10－11组，有显著差异(p＜0.05)。各组椎间盘与相邻椎体弯曲(过伸)在弯矩作用下椎间盘膨胀发生在椎间盘与椎体弯曲的凹侧。破坏部位多数为椎间盘和椎骨的相接处，与参考文献［10］和［12］的结果表现出良好的一致性。生化分析表明椎间盘由粘合糖基质组成，其中含有蛋白质结合的硫酸软骨素、透明质酸和硫酸角质素［13］。本实验结果显示C2－3、T10－11、L3－4椎间盘与相邻椎体具有不同的弯曲力学性质。椎间盘与相邻椎体的承受载荷能力和其截面积正相关。截面积越大承受的载荷越大，但不成比例关系，腰椎与相邻椎体为承重负担大的节段，所以其强度大，除此之外，不同部位的椎间盘由于所处生理解剖部位不同，生理功能不同，其所含的蛋白质、硫酸软骨素、透明质酸、硫酸角质素等有所不同，椎体中的胶原纤维和弹性纤维的排列方向及胶原含量不同，这些影响因素都可对承载能力带来影响。 椎间盘突出等退行性病变等都与长期在生理载荷作用下，或在运动和活动中造成椎间盘突出等退行性病变。到目前为止，人们尚不能直接有效地从活体上测
量腰椎受力状态，使之能找出它的损伤缘由与传力途径［1］。这有待于生物力学工作者和临床工作者进一步共同努力，相信在不远的将来会有突破性的进展。 以往的研究［10－11］是对整体脊柱进行弯曲实验。文献［12］以人脊柱的功能单位为研究对象，进行弯曲(过伸实验)，但其仅得出了弯曲破坏载荷，没有得出最大应力。本实验与以往不同的是以脊柱的功能单位C2－3、T10－11、L3－4为研究对象，得出了弯曲(过伸)最大载荷、最大弯矩、最大应力等力学特性指标，更具有理论意义和临床价值。 参考文献
［1］郭英，刘昌乙，王纯，等.腰间盘生物力学研究的某些进展［J］.成都体育学院学报，2000，26(3):67－70.
［2］黄东升.椎间盘的生物力学［J］.医用生物力学，1997，12(3):175－177. ［3］Rolander SD.Mction of the lumbar spine with special reference to the stabilizing effect of posterior fusion.An experimental study on autopsy specimens.Acta Orthop Scand，1966，43(1):144－148.
［4］Nachemson AL，Evans JH.Some mechanical properties of the third human lumbar interlaminar ligament(ligamen-tum flavum).J Biomech，1968，32(1):106－110.
［5］张建发，刘尚礼，朱青安，等.腰椎间盘刚度和强度的实验研究［J］.医用生物力学，1996，11(3):160－162.
［6］Latridis JC，Weidenbaum M，Setton LS，et al.Is the nucleus pulposus a solid or a fluid?Mechanical behaviors of the nucleus pulposus of the human intervertebral disc［J］.Spine，1996，
C2-3、T10-11和L3-4椎间盘段弯曲力学特性
