不同内翻负荷对大鼠胫股关节生物力学影响的研究

Effect of Different varus Load on Biomechanics of Tibiofemoral Joint in Rats

摘要: 目的：研究不同内翻负荷下大鼠胫股关节生物力学特性，探讨胫股关节生物力学的改变诱导膝骨性关节炎的发病机制。方法：采集10例SD大鼠下肢Micro-CT影像，利用Mimics和ANSYS等软件构建大鼠膝关节有限元模型，施加0%，50%和100%内翻负荷下，分析大鼠站立时胫股关节的内外侧腔室最大接触压强和接触面积。利用生物力学测试平台设计相应的膝内翻实验验证与有限元分析结果的一致性，统计学方法采用独立样本t检验。结果：有限元分析和实验结果表明：不同内翻负荷下胫股关节最大接触压强和接触面积变化趋势基本一致。与施加0%体重力内翻负荷相比，施加50%体重力内翻负荷和100%体重力内翻负荷的胫股关节内侧腔室最大接触压强和接触面积随着负荷增大而增大，最大增加了0.53 MPa和1.07 mm²。而外侧腔室最大接触压强和接触面积随着负荷增大而减小，最大减小了0.41 MPa和1.84 mm²。研究结果独立样本t检验表明，内、外腔室最大接触压强P > 0.05，接触面积P > 0.05，在胫股关节生物力学特性上不具有统计学差异。结论：本研究的大鼠胫股关节模型受到内翻负荷时内侧腔室最大接触压强变化与人类KOA发展过程中的胫股关节最大接触压强变化(0.54 MPa)相似，并随着内翻负荷的增大，软骨磨损概率增加，膝骨性关节炎发病风险也随之增大。研究结果可为胫股关节生物力学诱导膝骨性关节炎的发病机制、临床预防和治疗提供依据。

Abstract: Objective: To study the biomechanical characteristics of tibiofemoral joint in rats under different varus loads, and to explore the pathogenesis of knee osteoarthritis induced by the biomechanical changes of tibiofemoral joint. Methods: Micro-CT images of the hindlimbs from 10 SD rats were collected, and a finite element model of the rat knee joint was constructed using software such as Mimics and ANSYS to analyse the maximum contact pressure and contact area of the medial and lateral compartments of the tibiofemoral joint when the rats stood up with 0%, 50% and 100% internal rotation loads applied. The corresponding knee inversion experiments were designed using the biomechanical test platform to verify the consistency with the finite element analysis results, and the statistical method was an independent samples t-test. Results: The maximum contact pressure and contact area of a tibiofemoral joint under different varus loads were consistent with the finite element analysis and experiment results. Compared with 0% body weight pronation load, the maximum contact pressure and contact area of the medial compartment of tibiofemoral joint under 50% body weight pronation load and 100% body weight pronation load increased with the increase of load, and the maximum increase was 0.53 MPa and 1.07 mm2. However, the maximum contact pressure and contact area of the outer chamber decreased with the increase in load, and the maximum decreased by 0.41 MPa and 1.84 mm². The independent samples t-test of the findings showed that the maximum contact pressure of the internal and external chambers P > 0.05 and the contact area P > 0.05 were not statistically different in the biomechanical properties of the tibiofemoral joint. Conclusions: In this study, the maximum contact pressure change of the medial compartment of the rat tibiofemoral joint model under varus load was similar to that of the human tibiofemoral joint during the development of KOA (0.54 MPa). With the increase of varus load, the probability of cartilage wear increased, and the risk of knee osteoarthritis also increased. The results can provide a basis for the pathogenesis, clinical prevention and treatment of knee osteoarthritis induced by tibiofemoral joint biomechanics.

1. 引言

膝骨性关节炎(Knee Osteoarthritis, KOA)是一种常见的退行性关节疾病，其特征是软骨的逐步磨损导致的关节炎症、疼痛以及最终可能导致关节功能丧失。胫股关节是膝关节主要的承重部分 [1] ，当膝关节内翻、外翻不正或体重增加导致胫股关节受压不均衡时，关节软骨承受的压强会显著增大 [2] ，当峰值压强达到一定程度时，过度的压力会导致软骨表面的磨损和结构性破坏，且随着时间推移逐渐加剧，进而导致KOA的发生 [3] 。胫股关节生物力学的改变是特定KOA人群发病的主要因素之一，约占总KOA人群的12%~22% [4] 。

大鼠模型在膝骨性关节炎的药物干预、行为和结构评估等方面应用广泛，是研究人类疾病发展和机制的重要工具 [5] 。Lei He等人 [6] 通过注射碘乙酸钠建立大鼠膝骨性关节炎疾病，六周处死后采集膝关节样本和背根神经节进行组织学分析，发现BMSC衍生的外分泌体能有效促进软骨修复和细胞外基质合成，缓解膝骨性关节炎大鼠的膝关节疼痛。R.H. Nielsen等人 [7] 对大鼠进行双侧半月板切除诱导膝骨性关节炎后口服降钙素，通过组织学检查发现降钙素可以有效抑制骨关节炎的软骨进一步的损伤。

胫股关节行为和结构及生物力学研究等方面大鼠模型也得以应用。Ikufumi Takahashi [8] 等人通过手术破坏内侧半月板诱导骨关节炎将大鼠分为OA组和后悬吊下肢OA组，通过对胫股关节内侧关节软骨、骨质增生和滑膜进行组织学和组织形态学分析，发现减轻膝关节负荷可抑制膝骨性关节炎的进一步发展。Divid Britzman等人 [9] 提出大鼠膝关节炎的纯生物力学手术模型，使用胫骨截骨术引起膝关节内翻畸形，通过将胫骨重置为内翻角度，改变膝关节接触应力来诱导膝骨性关节炎，使用生物力学模型评估手术前后的膝关节负荷水平，量化膝关节内侧骨关节炎的局部生物力学的具体变化，更接近人体原发性关节炎。Mack Gardner-Morse等人 [10] 开发了一种内翻负载装置对大鼠站立期间的静载荷作用下进行Micro-CT影像扫描重建膝内翻有限元模型的研究胫股关节接触力。但其只对胫股关节接触压强进行分析，对内翻时胫股关节接触区域仍需要进一步的研究。Brand [11] 在对33个人类和3个非人类哺乳动物研究中的不同健康关节生物力学研究发现，各个关节和物种之间存在相似的最大接触压强，因此对大鼠胫股关节测定的最大接触压强可以与患有进行性骨关节炎的人类中的最大接触压强进行比较。

通过分析胫股关节承受力的分布、稳定性和运动模式，研究其生物力学变化引发软骨磨损、关节炎症和疼痛的作用，进而分析KOA的生物力学发病机制，为后续KOA预防和治疗提供参考。本研究通过建立大鼠膝关节有限元模型，在ANSYS中分析不同内翻负荷下大鼠胫股关节间的生物力学性能，并搭建生物力学测试平台测试不同负荷下胫股关节最大接触压强和面积的变化，从有限元分析和实验验证两方面研究大鼠胫股关节的生物力学特性。

2. 材料和方法

2.1. 图像数据采集

实验鼠为5只清洁级健康雄性SD大鼠，2月龄，平均重量300 g。实验前对所有SD大鼠进行颈椎脱臼法处死，使用手术刀将下肢从髋臼处和股骨头处切开，把下肢骨骼表面的皮毛以及其他附着的软组织切除，保留完整股骨、胫腓骨和膝关节囊。使用Belgium公司SKYSCAN 1172型号计算机断层扫描系统对处理后的大鼠下肢骨骼进行Micro-CT扫描，扫描参数如下：空间分辨率为18 μm，电压为49 kV，电流为176 μA，单个样本扫描时间为50分钟；储存格式DICOM。

2.2. 不同内翻负荷下胫股关节生物力学分析

2.2.1. 大鼠膝关节三维模型建立

使用Mimics 21.0 (Materialise公司，瑞士)软件的阈值分割功能将Micro-CT图像分割出骨骼蒙版，对蒙版进行精细修复，利用三维重建功能生成膝关节三维模型，使用Smooth和Wrap功能将模型表面光滑。在3-matic 15.0 (Materialise公司，瑞士)三维模型处理软件中将股骨和胫腓骨模型面网格单元大小设置为0.3 mm。为了确保膝关节模型的统一性，将左膝关节镜像为右膝关节。

大鼠膝关节的旋转中心充当每个节段的参考坐标系，膝关节的旋转中心位于股骨内外上髁的中点 [12] ，是具有一个旋转自由度的铰链关节。大鼠站立时膝关节弯曲角度为80˚，此时胫股关节承重区域预计最大接触压力 [13] 。

2.2.2. 有限元分析

由于骨骼表观密度ρ与CT图像的灰度值存在线性的回归关系，ρ与弹性模量E存在非线性回归关系，在Mimics中根据弹性模量与CT图像灰度值的关系进行模型的材料分配，如图1所示。将模型导入3-matic软件中，在股骨远端和胫腓骨近端关节表面分别生成250 μm和232 μm的实体作为软骨，软骨材料属性设置为6MPa，泊松比0.49 [14] 。将体积网格模型导入ANSYS Workbench中建立前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带和外侧副韧带。根据前人研究，ACL和PCL韧带刚度为35 N/mm，在分段距离处预伸长5% [15] ，MCL和LCL韧带刚度为20 N/mm，在分段距离处预伸长4% [16] 。

骨表观密度与弹性模量的关系式为：

$E=3711.4{\rho }^{1.87}\left(\text{MPa}\right)$ (1)

ρ为骨密度。

Figure 1. Mesh modeling of the knee joint with assigned bone density material

图1. 分配骨密度材料的膝关节网格模型

Figure 2. Finite element model of rat hindlimb

图2. 大鼠胫股关节有限元模型

在股骨髁处建立局部胫股关节坐标系，坐标原点位于股骨内外上髁中心处，股骨内外上髁连线选为局部坐标系X轴，X轴正方向为膝关节外侧；Z轴为股骨软骨和胫腓骨软骨接触面法向，Z轴正方向为股骨髁指向胫腓骨髁方向，Y轴正方向为X轴与Z轴的叉乘方向。定义如下接触对：股骨软骨和股骨接触作用设置为绑定(Bonded)，胫腓骨软骨与胫腓骨接触作用设置为绑定(Bonded)，股骨软骨和胫腓骨软骨接触设置为无摩擦(Frictionless)。胫股关节软骨之间可能存在间隙，为了确保仿真分析结果的正确性，设置Pinball Radius接触半径为0.1 mm，股骨软骨与胫腓骨软骨接触面设置为刚好接触(Adjust to Touch)。

本实验选取的大鼠平均体重为300 g，体重力为2.94 N。将胫腓骨完全固定，在股骨局部坐标系原点施加2.94 N [11] 的Z轴方向体重力载荷，同时检测股骨上的垂直反作用力，胫股关节有限元模型如图2所示，此时内翻负荷为0%。施加50%内翻负荷时，此时对股骨内侧髁额外施加0.735 N，股骨外侧髁相应减小0.735 N。施加100%内翻负荷时，此时对股骨内侧髁施加2.94 N。有限元分析三种负荷下胫股关节间软骨的最大接触压强和接触面积，大鼠胫股关节施加负荷示意图如图3所示。

Figure 3. Schematic diagram of load applied to the tibiofemoral joint of the rat

图3. 大鼠胫股关节施加负荷示意图

2.3. 不同负荷下胫股关节生物力学测试实验

Figure 4. Tibiofemoral joint different load test flow chart

图4. 胫股关节不同负荷测试流程图

实验平台搭建胫股关节不同内翻负荷测试流程图如图4所示。本研究模拟SD大鼠站立时的膝关节状态时，需保持大鼠膝关节屈曲角度为80˚，采用固定装置将大鼠下肢与电子万能试验机(松顿，中国)相配合。固定装置有两个活动的关节，可以调整膝关节屈曲和伸展角度，以及股骨生理内翻和外翻角度。固定装置在股骨上髁部位设计施力杆，模拟临床上条件给股骨上髁施加压力 [17] 。将大鼠下肢骨骼调整至合适位置后，使用螺栓进行紧固，该位置在整个实验过程中不会改变。此时使用手术刀切开关节囊，切断四条韧带，去除半月板，将压力测量胶片(Fujifilm，日本)插入胫股关节间隙。大鼠膝关节不同负荷下生物力学实验测试图如图5所示。

模拟0%内翻负荷时，电子万能试验机施加2.94 N的体重力，维持5秒 [18] 。模拟胫股关节内翻50%体重力时，股骨生理内翻角度调整为3˚。模拟胫股关节内翻100%体重力时，将股骨生理内翻角度调整为6˚。每个样本同一种状态下测试3次。将实验测得的压力测量胶片送入压力图像分析扫描仪上，与压力图像校准板进行校准，利用压力图像分析系统获取最大接触压强和接触面积。

Figure 5. Biomechanical test of rat knee joint under different loads

图5.大鼠膝关节不同负荷下生物力学实验测试图

2.4. 数据分析

使用独立样本t检验分析有限元结果和实验结果，检验水准均取α = 0.05，P > 0.05表示差异不具有统计学意义，即差异越小。Kolmogorov-Smirnov检验和Levene检验分别用于对数据的正态性检验和方差齐性检验，对满足方差齐性和正态性的参数值做独立样本t检验得到P值。以上检验结果在SPSS 26 (IBM公司，美国)统计软件中计算获得。

3. 结果与讨论

3.1. 不同内翻负荷下接触压强分布

图6为有限元模拟的三种不同内翻负荷下胫股关节接触压强分布云图。内侧腔室最大接触压强随着内翻载荷的增大而增大，外侧腔室最大接触压强随着内翻载荷的增大而减小。

Figure 6. Analysis and comparison of tibiofemoral joint contact mechanics under three different varus loads

图6. 三种不同内翻负荷下胫股关节分布云图

胫股关节内外腔室平均最大接触压强有限元与实验对比图，如图7所示。0%体重力内翻负荷的内侧腔室最大压强平均值分别为2.07 MPa和2.24 MPa (P = 0.09)，外侧腔室最大压强平均值分别为1.87 MPa和2.04 MPa (P = 0.06)。施加50%体重力内翻负荷下内侧腔室最大压强平均值分别为2.36 MPa和2.52 MPa (P = 0.19)，外侧腔室最大压强平均值分别为1.66 MPa和1.70 MPa (P = 0.71)。施加100%体重力内翻负荷下内侧最大压强平均值分别为2.60 MPa和2.87 MPa (P = 0.16)，外侧最大压强平均值分别为1.46 MPa和1.37 MPa (P = 0.15)。有限元结果和实验结果的统计学检验P均大于0.05，表明结果差异越小。

膝关节内翻会导致胫股关节受力不均匀，当软骨的峰值压强达到一定程度，会造成软骨表面磨损和破坏，进而引起KOA的产生。有研究结果表明，对大鼠膝关节施加100%体重力的内翻负荷长达20周，将会导致胫股关节产生退行性变化 [19] ，这是KOA产生的重要因素。本研究的大鼠胫股关节模型在内测腔室中测量的峰值接触压强与健康人类和其他哺乳动物胫股关节接触压强的研究相似 [20] 。当施加100%体重力的内翻负荷使得内侧腔室的最大接触压强增加0.53 MPa，与Mack Gardner-Morse等人 [10] 大鼠膝关节施加内翻负荷后内侧腔室最大压强增加0.42 MPa相似，表明本研究结果与前人研究结果一致。

Figure 7. Comparison between finite element and experimental diagram of the mean maximum contact pressure in the inner and outer chambers of the tibiofemoral joint

图7. 胫股关节内外腔室平均最大接触压强有限元与实验对比图

3.2. 不同内翻负荷下接触面积分布

胫股关节不同内翻负荷下平均接触面积有限元分析与实验对比图，如图8所示。0%体重力内翻负荷下，内侧腔室接触面积平均值分别为3.78 mm²和3.88 mm² (P = 0.49)，外侧腔室接触面积平均值分别为3.74 mm²和3.81 mm² (P = 0.28)。施加50%体重力内翻负荷下，接触面积平均值分别为4.41 mm²和4.54 mm² (P = 0.11)，外侧腔室接触面积平均值分别为2.37 mm²和2.39 mm² (P = 0.45)。施加100%体重力内翻负荷下内侧接触面积平均值分别为4.85 mm²和4.99 mm² (P = 0.13)，外侧接触面积平均值分别为1.90 mm²和2.04 mm² (P = 0.06)。结果显示不同内翻负荷下接触面积的有限元结果和实验结果的统计学检验P均大于0.05，证明有限元模型中的接触面积与实验测得的接触面积无统计学差异。

施加0%体重力内翻负荷下内侧腔室最大接触压强和接触面积明显大于外侧腔室，因此在膝关节半月板损伤的模型中内侧发生软骨磨损的概率显著大于外侧 [21] ，对于半月板损伤的患者建议马上治疗，以便改善胫股关节间的接触状况。施加100%体重力的内翻负荷使得内侧腔室的最大接触压强增加0.53 MPa，与人类出现KOA病症的最大接触压强0.54 MPa的变化相似 [22] 。本研究大鼠体重力约为2.94 N，此时内翻负荷每增加10%内侧腔室最大接触压强增大0.053 MPa，可以在有限元模型中将体重、运动和结构特性结合起来，通过改变不同体重力大小和膝关节屈曲状态研究肥胖对于膝关节生物力学方面的影响 [23] ，预测KOA的进展。

Figure 8. Comparison of simulated and experimental average contact area of knee varus

图8. 膝关节内外腔室平均接触面积模拟与实验对比图

膝关节内翻负荷异常是人类原发性膝骨性关节炎的一个重要危险因素。内翻负荷增加导致的内侧腔室胫股接触压力变化，与压力变化引起人类膝关节退行性的作用效果相似，建立大鼠模型与人类不同负荷状态的相关性，将有助于研究膝骨关节炎的发病机制。

4. 结论

本研究建立了大鼠胫股关节有限元模型，分析在不同内翻负荷下胫股关节间的最大接触压强和接触面积。实验结果表明在相同负荷条件下有限元与实验结果变化趋势基本一致，验证了结果的有效性。测定的大鼠胫股关节的接触应力可以与人类骨关节炎发生过程中的接触应力进行比较，为进一步分析生物力学因素诱导KOA提供参考。

NOTES

^*通讯作者。