动态压缩后半月板外植体的一氧化氮生成

杰弗里·A·麦克亨利

机械工程与工程力学系

密歇根理工大学，2005年

摘要

半月板纤维软骨细胞被怀疑在动态压迫下产生一氧化氮。半月板外植体中压缩应变和压缩应力与一氧化氮生成的关系尚未得到证实。与空载状态相比，生理应变和压力条件可能会减少一氧化氮的产生，从而减少一氧化氮对半月板基质代谢的有害影响。与生理条件相比，超载和卸载也可能导致一氧化氮的上调。半月板中一氧化氮生成细胞的身份也尚不清楚。半月板深部发现的软骨细胞在关节软骨中产生一氧化氮，而最近对浅部的成纤维细胞进行了研究。为了进一步了解这些关系，当前项目的目标是1）验证一种专门设计的组织压缩生物反应器，该反应器能够进行广泛的精确位移和负载控制；2） 确定半月板外植体表层和深层的应变/压力与一氧化氮生成的关系。

第一章-导言

1.1弯月面的功能

半月板是一种特殊的纤维软骨结构，在维持膝盖稳定性、载荷分布、关节润滑和减震方面起着至关重要的作用[1-8]。它们呈半圆形，横截面呈楔形，使股骨髁的曲率与较平坦的胫骨平台相适应。半月板的胫骨表面是平的，而股骨表面是凸的。它们的形状增加了胫骨平台的接触面积，从而显著降低了膝盖的接触应力。研究表明，膝关节总负荷的30%至65%通过半月板传递，减少了关节软骨和软骨下骨上的压缩应力[3，9]。在膝关节受压期间，半月板的上表面会增加压力，半月板具有水平和垂直分量。垂直分量由胫骨平台的反作用力平衡【4】。水平力与弯月面圆周方向形成的环向应力相反【3，9】。

半月板部分和完全切除后，由于半月板的承重能力下降，膝盖会发生变化。半月板切除膝盖的症状包括关节间隙变窄、股骨髁间形成骨赘嵴、股骨关节面变平和骨关节炎【1、3、4、10】。以关节软骨缺失为特征的骨关节炎（OA）已被研究，并被认为是由半月板切除术引发的【1，11】。半月板切除术后OA被认为是股骨髁和胫骨平台之间接触压力增加的结果，导致过度训练和关节软骨退变。因此，这表明半月板在膝关节承重功能中起着至关重要的作用。

半月板还提供股骨和胫骨平台之间的稳定性。半圆形状和半月板附着体通过提供阻力帮助股骨软骨保持在正确的位置。这有助于其他韧带通过减少运动来保持关节的稳定性。每个半月板的运动都受到连接半月板物质和胫骨平台的韧带前角和后角的限制。半月板的周向基质纤维延伸至髁间区域以固定半月板。外侧半月板的半径小于内侧半月板，并沿髁间隆起集中附着【1，12】。内侧半月板越大，髁间区的前部和后部连接越多。内侧深韧带和内侧浅韧带的后部也将内侧半月板固定在股骨上。外侧半月板附着不太牢固，当胫骨在屈曲过程中旋转时，半月板会发生更大的后移【1，13】。已经发现内侧半月板可以移动几毫米，而外侧半月板可以移动至少一厘米【4，12】。这些附件允许半月板在膝盖弯曲时沿胫骨平台轻微移动。

弯月面还可用作有限的减震介质[1、8、14]，并有助于润滑接头[4、15]。这些功能来自半月板的组成和组织允许液体流过细胞外基质的能力。me的光滑表面1.3弯月面的材料特性

复杂的加载环境表明，弯月面需要不同的压缩和拉伸强度。圆周方向必须具有较高的抗拉强度，以抵抗接头载荷期间径向力分量产生的环向应力。半月板必须在径向上具有足够的张力，以防止组织在正常载荷条件下撕裂。还必须有较高的抗压强度来分配股骨髁的载荷。

圆周方向的拉伸强度最高[2,21-23]。对半月板进行的测试表征了外侧半月板和内侧半月板前部、中部和后部区域的弹性模量。Fithian（1989）的结果表明，前区两个半月板的周向平均弹性模量约为160 MPa（外侧：159.07±47.4；内侧：159.58±26.2）。中央区外侧为228.79±51.4兆帕，内侧为93.18±52.14兆帕。后部外侧为294.14±90.4兆帕，内侧为110.23±40.7兆帕。Tissakht（1994）记录了组织深度的变化；近端、中间和远端周向拉伸弹性模量。平均而言，中部的弹性模量最低，近端和远端相互靠近。他们的结果还表明，在所有区域，外侧半月板的弹性模量都高于内侧半月板。

弯月面径向拉伸模量远小于周向拉伸模量。弹性模量范围为2 MPa至23 MPa，具体取决于组织的区域、层和位置【21】。平均而言，中间层的弹性模量最低，近端和远端层的弹性模量最高。后部区域在近端和远端层的模量最高，而前部区域在这些层的模量最低。

半月板的抗压强度在很大程度上取决于组织测试时的应变率[3]。Krause（1976）等人测试了3种不同变形率（2.12x10-5、4.23x10-5和21.16x10-5（m/sec））下压缩犬半月板的能量减少百分比。由此产生的能量减少百分比分别为46.8±18.6、42.3±20.3和32.2±1.6（%）。该数据表明，在较高应变率下压缩弯月面需要更大的能量。组织的高含水量产生静水压力，提供抗压强度。当负载被添加到组织中时，静水压力随着液体流出组织而增加，然后降低。抗压强度也随着应变水平呈指数增长【14】。在0.2应变下，周向、径向和轴向的压缩弹性模量分别为10 MPa、13 MPa和19 MPa。在0.8应变下，相同三个方向的压缩弹性模量分别为288 MPa、287 MPa和299 MPa。这表明弯月面在轴向上具有最大的抗压强度，这是预期的。

1.4组成和结构

半月板是一种双相材料，包括充满间质液体的细胞外基质。它由大约75%的水、20%的胶原和5%的非胶原物质组成，如蛋白聚糖、脂质和细胞[1、7、14、23]。这些成分有助于半月板的特殊结构和功能。基质中的流体通过边界的流量有限【24】。当荷载添加到弯月面上时，弯月面内的静水压力增加，从而使其具有强大的压缩力【14】。随着流体从弯月面流出，压缩基体，该压力随时间降低。当荷载被移除时，基质返回，流体流回弯月面，使其恢复平衡。这种特性使弯月面成为自然承重和减震结构。

细胞外基质以胶原蛋白为主，尤其是I型胶原，含有少量II、III和IV型胶原[1、6、23、25]。许多周向取向的I型胶原纤维束分散在整个半月板上，在该方向上具有最高的拉伸强度（图1）[1、3、12、14、21、23、26、27]。其中一些层延伸超过弯月面，形成喇叭状附件。其他胶原纤维呈放射状排列并编织成环状束（图1）。还有一些具有随机取向的浅表纤维在股骨关节面上形成网状基质。I型胶原是一种纤维成分，具有很强的张力。当抵抗正常载荷条件下产生的环向应力时，这种胶原排列是理想的。

图1.1：半月板横截面，显示径向和周向胶原纤维或