六、力学与骨性关节炎

力学和骨性关节炎关系密切。Adouni等使用下肢肌肉骨骼模型进行研究，该模型是基于步态站立中期的运动学原理建立的。他发现胫股室接触负荷的分配会受到膝关节内收角度的极大影响。Ateshian等最近总结出了关于复杂的3D关节接触力学的新的计算算法。他以数字化的PE方法放宽了对模型假设的要求，比如微小应变、一系列的线性关系等。这样的接触分析方法是基于多种材料的表象，从而预测软骨层中张力的变化。这些方法将有望帮助医师根据获得的医学影像资料对患者进行个体化分析，并且制定出治疗方案。比如，Henak等使用有限元模型评估出髋臼发育不良髋关节骨关节炎的主要诱发因素是人类臀部软骨的接触力学。研究结果表明，相比正常髋关节，在髋关节发育不良时，关节盂唇发挥着更为重大的作用。具体而言，在髋关节发育不良时，关节盂唇承受的负荷是正常髋关节的2.8～4倍。本次研究充分说明，在对髋臼发育不良患者进行手术时，应将关节盂唇保留。

步行时，膝关节负荷是骨性关节炎进展的一个十分重要的因素。减少外部膝关节内收力矩负荷已经成为减少关节负荷治疗的一个关键所在。然而，最近的研究表明，外部膝关节屈曲负荷在内侧区室负荷中也发挥着显著的作用。Chehab等以16例患有内侧膝骨关节炎的患者为样本，对外部膝关节内收力矩和外部膝关节屈曲进行了为期5年的前瞻性研究。该研究发现，膝关节软骨的变化与早期站立时的基线膝关节内收和外部膝关节屈曲存在相关性。该研究还利用磁共振成像，对软骨厚度及软骨内侧与外侧厚度比的变化（MLTR）进行了测量。其研究结果表明，内侧区室的负荷约等于膝关节内收力矩负荷和膝关节屈曲负荷的合力，而不是只等于膝关节内收力矩负荷。该研究者更加具体地总结出，膝关节内收力矩负荷与股骨头软骨的改变更加密切相关（以MLTR变化测得的结果显示），并且其在严重的骨性关节炎患者中扮演着更加严重的致病因素，而KFM对胫骨软骨厚度和相对不那么严重的骨性关节炎患者能够产生更加重大的影响。这些研究结果进一步表明，单独予以患者减少膝关节内收力矩的干预可能是不够的。事实上，以增加患者KFM为代价的方式来减少膝关节内收力矩可能对患者的治疗是不利的。Moore和Burris对膝关节的空间位置依赖性摩擦和材料性质进行了研究。他们的研究结果表明，不同区域的软骨性质存在明显的差异，这阐明了改变关节负荷情况的损伤（如前交叉韧带或半月板撕裂）能够使软骨的负荷失常，进而导致骨性关节炎的进展。为了探索出受损伤的半月板对关节接触力学模式的影响，Wang等通过对12具尸体的膝盖进行多方位步态模仿，进而测出关节软骨和半月板承受的区域接触负荷。为准确地模仿闸门，研究人员研发出一款标准化的相互作用的算法，该算法适用于计算胫骨平台上的接触应力。他们的研究结果得出，仅在站立的早期阶段，内侧半月板的后方承受负荷，而外侧半月板的后方在站立的早期和晚期均承受负荷。在对力传递和稳定状态时内侧半月板功能的补充研究中，Walker等对10名正常人膝盖进行单独压缩、压缩和前剪，以及压缩和后剪试验。他们的研究发现，负荷类型不一样，情况会不相同。但平均而言，有58%的负荷是通过半月板传递的，余下的42%则通过未覆盖的软骨进行传递。这些对正常膝盖的研究会对鉴别存在于受损膝盖中的异常非常有帮助，并且有望帮助我们更好地理解创伤后关节炎的病理力学。

有研究证实，力学改变引起半月板损伤会加剧骨关节炎。半月板合并韧带损伤的动物模型已经得以建立。Fischenich等将12周龄的兔模型作为实验对象，并对其半月板的力学变化及发生前交叉韧带（ACL）合并半月板损伤后的蛋白多糖的含量进行了探索。在此次研究中，这种联合损伤导致了半月板的弹性系数和糖胺聚糖覆盖随着时间推移而出现明显的减少。该实验研究者指出，尽管目前尚没有针对测量半月板力学属性的ACL横断面的单独研究，但是他们依然推测这种复合损伤很有可能加剧了骨性关节炎的进展，因此需要对这种复合关节组织损伤的影响进行进一步研究。目前，在对骨关节炎的研究中，各种肌肉骨骼组织的生物力学特性的区域变化聚焦了研究者们的目光，比如关节软骨的平衡和动态压缩系数会增加组织浅表区到组织深表区的深度，并且与深层组织组成及组织细胞外基质超微结构存在着直接相关性。鉴于组织浅表区在关节润滑及类骨性关节炎发病方面的重要作用，研究人员尤其对其发育和功能相关的区域进行了探索。Gannon等推测未成熟的软骨缺乏功能性的浅表区域，因此只有在成熟软骨中，浅表区的切除才会导致动态系数的降低。对不同年龄段猪膝关节股膝沟的内侧和外侧隆起处的骨软骨核心进行研究，他发现软骨浅表区组织会随着年龄发生巨大的变化。因此，软骨浅表区在决定组织动态压缩刚度方面扮演着十分重要的角色，所以软骨浅表区的损伤容易导致骨关节炎。