骨软骨单元三维全场应变分布在骨关节炎进展过程中的作用机制研究

　　本刊推荐：本研究结合X射线计算机断层扫描（XCT）与数字体积相关技术（DVC），首次系统揭示了 Dunkin-Hartley 豚鼠骨关节炎（OA）进展过程中骨软骨单元的三维应变分布规律。研究发现，随着OA严重程度增加（2月→24月龄），软骨表层应变集中现象加剧（εp3峰值达300,000με，γ峰值达200,000με），且应变分布与钙化软骨（CC）增厚（62.54→117.03μm）密切相关。高载荷（4倍体重）作用下，早期OA即出现中层/深层软骨应变转移，严重OA阶段则伴随软骨下骨（SB）微裂纹和高拉伸应变（εp1=148,214με）的产生，揭示了机械应变重分布与OA病理进展的深度依赖性关联。

　　

1 引言

骨关节炎（OA）是一种以关节间隙狭窄、骨赘形成、软骨下骨（SB）硬化和滑膜炎症为特征的退行性关节疾病。近年来，关节软骨（AC）与SB在疾病进展中的相互关系成为研究焦点，但机械载荷与刚度梯度在早期OA中的致病机制尚未明确。Dunkin-Hartley（DH）豚鼠作为自发性OA模型，其退行性改变与人类高度相似——2月龄表现为OA前状态，4月龄出现早期OA，24月龄则发展为严重OA。本研究旨在通过实验室XCT成像与DVC技术相结合，量化DH豚鼠OA进展过程中骨软骨界面应变分布的动态变化。

2 材料与方法

2.1 样本制备与染色

从雌性DH豚鼠左胫骨内侧平台提取骨软骨栓（?=4 mm），按年龄分为2/4/24月三组（n=6）。采用铪取代Wells-Dawson型多金属氧酸盐（Hf-WD POM）进行7天染色，该染色剂对软骨力学性能影响极小。

2.2 组织学与OA评分

对侧右胫骨进行组织学分析，通过苏木精-伊红（H&E）和甲苯胺蓝染色，采用改良Mankin评分系统评估OA严重程度。结果显示随年龄增长，体重（467→1232g）和组织学评分显著增加（p<0.05），钙化软骨（CC）厚度从2月龄62.54μm增至24月龄117.03μm（p<0.01）。

2.3 力学压缩测试

采用无约束压缩试验，施加载荷对应2倍体重（L1）和4倍体重（L2）。加载速率0.1mm/s，保持50分钟后卸载。2月龄组L1载荷为10N，L2为19N；24月龄组分别增至22N和44N。

2.4 XCT成像与DVC分析

使用Zeiss Versa 610显微CT（60kV/5W，1.01μm体素尺寸）扫描。通过非局部均值滤波去噪后，采用30体素子体积进行DVC多通道分析，计算第三主应变（ε_p3）、剪切应变（γ）和第一主应变（ε_p1）。平均绝对误差（MAER）和误差标准差（SDER）分别为6000με和5000με，低于公认的DVC误差阈值。

3 结果

3.1 组织学评估

4月龄组已出现表面纤维化、蛋白多糖丢失（PL）等早期OA特征；24月龄组出现裂缝深入软骨深层、潮线重复 advancement等严重退化表现。CC厚度随OA进展显著增加（p<0.01）。

3.2 残余应变分布

L1载荷（2倍体重）下：

• •

  2月龄组：应变较低（ε_p3～200,000με, γ～160,000με），均匀分布于AC/CC/SB

• •

  4月龄组：应变升高25%（ε_p3～250,000με）并集中于软骨表层

• •

  24月龄组：应变进一步增加50%，且深入软骨深层

L2载荷（4倍体重）下：

• •

  2月龄组：高应变出现于软骨表面和CC区（ε_p3=258,395±36,076με）

• •

  4月龄组：应变转移至中层/深层软骨（ε_p3=294,334±37,735με）

• •

  24月龄组：SB微裂纹伴随高剪切应变（γ～140,000με）和高拉伸应变（ε_p1=148,214±11,115με）

4 讨论

本研究首次系统揭示了OA进展过程中骨软骨单元应变分布的重编程现象：

1. 1.

   早期OA的力学警示：4月龄时表层软骨已出现应变集中，先于明显组织学改变，表明机械应变可能是OA的早期驱动因素

2. 2.

   CC增厚的力学效应：CC厚度增加导致软骨-骨界面刚度失配，使应变向软骨深层转移，加速基质退化

3. 3.

   微裂纹与应变耦合：严重OA中SB微裂纹与高拉伸应变的共定位，揭示了力学超负荷导致骨微结构破坏的机制

4. 4.

   技术突破意义：Lab-XCT与DVC的结合实现了μm级三维应变场量化，误差控制在2-4%以内，为活体研究奠定基础

应变分布变化呈现深度依赖性特征，与CC增厚、软骨基质降解和SB微结构改变密切相关。这些发现不仅深化了对OA生物力学病理机制的理解，更为靶向力学环境的治疗策略（如CC厚度调控、软骨-骨界面力学适配性优化）提供了直接实验依据。