髋关节软骨高、低负重区微纳结构的力学性质对比

作者：郭江博; 梁婷; 车艳军; 侯俊俊; 杨惠林; 罗宗平^*

来源：中国组织工程研究, 2020, 24(20): 3157-3161.

DOI：10.3969/j.issn.2095-4344.2608

• 髋关节软骨
• 微纳结构
• 弹性模量
• 原子力显微镜
• 扫描电子显微镜

背景:髋关节软骨具有高、低负重区域,既往研究表明2个区域的宏观弹性模量是不同的。然而在微米和纳米水平上的弹性模量尚不清楚,这些信息对于进一步理解软骨微米和纳米力学性质至关重要。此外,影响软骨2个区域机械性能的微纳结构至今仍有待阐明。目的:探究微纳层面髋关节软骨高、低负重区力学性质与结构。方法:取新鲜正常猪股骨头软骨,使用原子力显微镜直径为5μm的球形尖端测量不同负重区微米级压缩弹性模量,使用曲率半径为5 nm的Scan Asyst-Air探针测量其纳米级压缩弹性模量、纳米结构和胶原纤维直径。扫描电子显微镜用于识别软骨不同负重区微米结构。结果与结论:(1)股骨头软骨高负重区微米级弹性模量为(433.05±146.52)k Pa,低负重区微米级弹性模量为(331.19±84.88) k Pa,高负重区域在微米水平上的压缩弹性模量显著高于低负重区域(P=0.029 8);(2)股骨头软骨高负重区纳米级弹性模量为(1.24±0.42) GPa,低负重区纳米级弹性模量为(1.28±0.41) GPa,在纳米水平上2个区域的胶原纤维的压缩弹性模量差异无显著性意义(P=0.846 2);(3)在微米水平上,股骨头软骨高负重区域的胶原纤维排列更规则;在纳米水平上,2个负重区域的胶原纤维直径差异无显著性意义(P=0.926 4);(4)以上结果表明,股骨头软骨高负重区胶原纤维较低负重区交联更规则,使软骨高负重区微米级压缩弹性模量高于低负重区,与宏观上压缩弹性模量趋势一致,但高负重并没有影响到纳米层面单个胶原纤维。

• 单位
  苏州大学附属第一医院