（云南中医药大学第一附属医院/云南省中医医院骨科云南昆明650021）
【摘要】生物力学因素并不是引起椎间盘退变的唯一原因，但现有的诸多研究从有限元分析到生物力学测试、从动物实验到尸体模拟、从分子生物到临床前瞻，都已有力地证实生物力学直接或间接引起椎间盘生物结构紊乱导致其退变。
【关键词】腰椎间盘；生物力学；研究进展
【中图分类号】R2【文献标号】A【文章编号】2095-9753（2018）12-0182-01
腰椎间盘是两个腰椎椎体之间很灵活的粘弹性组织，它与周围的韧带、肌肉和筋膜等构成腰椎运动节段来共同维持腰椎的活动性和稳定性。腰椎间盘可以转移承载负荷，平衡身体，稳定脊柱。脊柱所承受的过量负荷会导致椎间盘突出，然而脊柱主要功能还要依赖于椎间盘的完整性。对腰椎应力和各部分应变分布的了解将有助于腰椎间盘的临床诊断和治疗，对比脊柱其它部分，椎间盘承受更多的压力，这就导致腰椎的椎间盘突出极其常见。椎间盘由软骨终板（cartilaginousendplates,CEP）、纤维环（annulusfibrosus,AF）和髓核（nucleuspulposus,NP）组成。一旦椎间盘承受异常的压力，终板和松质骨的渗透性将会改变，从而影响纤维环的营养供应，继而导致椎间盘的退变。Herkowitz报道，青壮年中34%以及老年患者中92%患有椎间盘退变或膨出[2]。
1.椎间盘的生物力学特性及其正常生物力学
椎间盘的生物力学特性是同时介于硬组织和软组织之间，因为它的组成同时包含固相及液相组织，是标准的双相物质之复合材料结构。与关节软骨一样椎间盘在力学环境下发生的蠕变现象较慢，也就是经过一段较长时间，才达到完全的形变，具有相当明显的粘弹特性，因此临床上由于脊柱不稳定行内植物固定，术后其纠正力量减弱是椎间盘的黏滞性所致；椎间盘在高负荷下，则可以产生较高的稳定度。因此高处坠落时，椎间盘处于极硬状态，椎体骨折发生于椎间盘损伤之前。其特点是压力负荷速度越快，弹性率、刚性则越增加。在骨质疏松的椎骨中，可看到终板塌陷于椎体内。
Panjabi[2]等用三维运动学方法研究新鲜尸体腰椎脊柱功能单位椎间盘损伤，认为纤维环的损伤和髓核的切除均明显改变脊柱单位的力学特性，不但脊柱的主运动受影响，而且其力耦活动也大受影响，矢面的对称性受破坏，导致小关节的不对称活动和异常应力。研究表明[3]突出椎间盘的机械压迫与脊柱的动态不稳有密切关系，动态不稳可使突出物大小和压迫神经的力量发生变化，从而产生症状的变化。通过腰背肌训练，加强脊柱稳定性，使脊柱负荷不超过打破这一稳定的力量，那么腰椎间盘突出将不易复发[4]。李新忠[5]通过功能锻炼配合拉压治疗腰椎间盘突出症，认为拉压治疗纠正腰椎内源性稳定后逐渐加强腰背肌的功能锻炼，可以恢复肌肉组织的可逆性改变，增强肌肉力量，调整肌肉功能和调整脊柱功能单位的力线分布，促进脊柱内外力学平衡的恢复和代偿，保持脊柱的稳固。
2.椎间盘细胞代谢的力学负荷
胶原和蛋白多糖是椎间盘的主要基质成分，胶原提供弹性，蛋白多糖(preteoglycan,PG)通过与水的结合具有粘弹性，可对抗压力、分散和吸收负荷。椎间盘退变的主要生物化学变化是PG减少，导致椎间盘粘弹性的丢失，椎间盘功能丧失而引起下腰痛。它的含量和成分变化是诱发椎间盘退变，导致椎间盘与椎体生物力学功能紊乱和丧失的主要原因之一。椎间盘的长期健康状态取决于椎间盘细胞的活力，即保持基质PG含量。PG在成人椎间盘合成活跃，其代谢作用是非常旺盛的(转换周期，家兔250d，成年人5年)，以放射性核素35S-硫酸盐结合率来测定其合成。在犬白鼠体内实验结果显示过度的压缩负荷使椎间盘的PG合成减少[6]。椎间盘的细胞外基质主要为胶原（Ⅰ、Ⅱ型）和聚合蛋白聚糖（preteoglycan,PG），其中，Ⅰ型胶原主要由分布于纤维环外层的成纤维样细胞表达；而Ⅱ型胶原和蛋白多糖主要由髓核细胞表达，蛋白多糖通过与水的结合使其具有粘弹性，使髓核组织通过形变来分散和吸收负荷。椎间盘细胞的功能正常，使细胞外基质的合成和降解速率保持平衡是椎间盘维持正常生物学功能的必要条件。若细胞合成、贮存、修复基质的功能因某种原因发生紊乱或丧失，将直接导致椎间盘退变的发生。现有不少基础实验证实，椎间盘基质的代谢变化和作用其上的生物力学的大小、时间以及频率呈正相关[7]。
3.脊柱-骨盆矢状面平衡的维持及代偿机制
人类从爬行动物到直立行走，必须特有的脊柱骨盆位置关系，才能使人体虽维持躯体的平衡且耗能最小。人体在站立时，双足和地面直接接触，双足好像圆锥的顶点，支撑较为庞大的躯干，躯干如何能在没有外力作用下保持平衡，人体如果想处于最为省力的状态，重力的力线必须通过双足的顶点，力线的偏移使人体在活动范围相对受限的情况维持平衡是非常困难的。躯体偏离重力线愈远，由于杠杆的原理，需要维持躯体平衡的力量愈大。在人体保持直立状态时，才是维持平衡最为省力的状态。将人体视为一个圆锥，重力线偏离到圆锥以外，超过肌肉、韧带等牵张力所能承受的极限之外，则脊柱的平衡则失代偿。偏离愈远维持平衡所耗能量愈多。整个脊柱各个脊椎、椎间盘、关节突关节、韧带及肌肉相互影响，消耗最小的能量却能使人体处于一个相对稳定的平衡状态。脊柱、骨盆及下肢三者相互协调来维持圆锥的稳定性。脊柱-骨盆径线、平衡是保证活动单元结构的基础，代偿机制较复杂。经济圆锥的理念是人体在最小能耗的前提下保持相对稳定的姿势，并且对脊柱和脊髓的冲击和震荡在人体站立或运动时减到最小。矢状面平衡的维持主要依靠脊柱、骨盆和下肢合理的排列关系，任何一点出现问题都可能导致人体的矢状面力线失衡。脊柱矢状面力线平衡的维持脊柱和骨盆所起的作用较下肢更为重要，主要是由于下肢关节的活动范围大，脊柱和骨盆出现病变产生疼痛时，下肢所出现的变化较大，脊柱和骨盆在维持平衡方面起更大作用。
诚然，生物力学因素并不是引起椎间盘退变的唯一原因，但现有的诸多研究从有限元分析到生物力学测试、从动物实验到尸体模拟、从分子生物到临床前瞻，都已有力地证实生物力学直接或间接引起椎间盘生物结构紊乱导致其退变。近十年来的非融合技术的广泛开展应用也是对椎间盘生物力学因素的强调和重视，相信随着椎间盘相关研究的继续扩展和深入生物力学因素在间盘退变中作用机制将会逐渐明朗，而生物力学和生物学干预的研究将会为临床提供越来越多的数据。
参考文献
[1]HerkowitzHN.SpineUpdate:Degenerativelumbarspondylolisthesis[J].Spine,1995,20(9):1084.
[2]RappSM.TrailsofSBCharitediscprosthesiscommence[J].OrthopToday,2000,20(5):12-16.
[3]姜宏，施杞.椎间盘突出后的自然吸收及其临床意义[J].中华骨科杂志，1988，18(2):755-756.
[4]陈裔英，朱光，吕华，等.腰背肌训练加牵引治疗腰椎间盘突出症[J].中国康复医学杂志，2004，19(2):133-134.
[5]李新忠，邵长年，杨雪，等.腰椎间盘突出症拉压治疗后功能锻炼的价值[J].中国康复，1997，12(1):27-28.
[6]高晓平，刘彤，陈和木，等.腰腹肌肌力训练改善腰椎间盘突出症患者腰椎功能及预防复发的作用[J].中国临床康复,2003，7(23):3220-3221.
[7]Pedrini-MilleA,MaynardJA,DurnovaGN,etal.Effectsofmicrogravityonthecompositionoftheintervertebraldisk[J].JApplPhysiol,1992,73:26-32.
[8]顾韬,阮狄克.生物力学因素对椎间盘退变的影响及机理[J].中国脊柱脊髓杂志2011,21(6):523-526.