腰椎间盘的功能解剖及生物力学

（一）腰椎间盘的功能解剖

腰椎间盘主要由纤维环和髓核以及软骨终板组成，纤维环大约由90层相互交织的胶状纤维组成，每层的周缘纤维都垂直向上，越向内部，纤维的走向越倾斜。向邻层纤维的走向大约相差30°。这种结构增加了纤维环的抗载荷能力。年轻人的髓核含水量约85%，其余是胶原纤维和蛋白多糖。髓核随年龄增长及椎间盘退变，水分可逐渐降低至70%。正常情况下，成人的椎间盘没有血管，但软骨终板微结构中有血管生长，从而使椎间盘中的髓核形状和理化性质得以维持。糖类物质主要通过软骨终板渗透，而硫酸盐类离子则主要通过纤维环渗透。

椎间盘特殊的力学性能源自于其独特的结构和组成。纤维环包容位于椎体终板和内纤维环之间的髓核。纤维环中的胶原纤维穿入椎体骨质中，将相邻椎体连接起来，起到稳定脊柱和连接纤维环和椎体的作用。外周板状纤维环的致密胶原交叉折叠抵抗较大的拉伸应力，最大程度地限制椎间盘突出，减少脊柱在轴向压缩和扭转载荷、前后和左右弯曲或轴向旋转载荷下产生的应变。当椎间盘承受长期高水平的轴向载荷时，比如长时期的直立体位（站立），组织实体会将间质水分挤出椎间盘，因此椎间盘的高度下降并且出现椎间盘突出。当椎间盘上的载荷消失或减少时，比如睡眠时的横卧位，水分会回流进椎间盘，使其体积恢复。因此可以看到，椎间盘的每个组成部分都有一定的结构和功能，组合在一起后就为整个脊柱提供了柔韧的可动性和稳定性，同时有吸收和分散高载荷的生物力学功能。

（二）腰椎间盘的力学特性

椎间盘具有黏弹性，蠕变性和滞后现象。腰椎间盘在力学上讲为黏弹性物质，当承载时，可储存能量，载荷去除后又将能量释放。脊柱的屈、伸和侧屈对椎间盘产生压应力，而旋转产生张应力，髓核组织仅能轻度压缩，其液体静压力对纤维环和软骨终板呈均匀分布，因此，椎间盘在椎体间起缓冲弹簧垫的作用，可吸收载荷能量并使载荷分布均匀。在外力作用下，椎间盘发生应变，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降，该现象称为应力松弛（stress relaxation），随时间的延长，而持续变形，称为蠕变（creep）。腰椎间盘加载和卸载时的应力曲线不重合，称为滞后（hystersis）。腰椎间盘的蠕变在开始阶段速率很高，随时间的延长，速率降低，在30min后，变形不再继续。若载荷不大时，卸载后经过一段时间，变形可完全消失，但当载荷过大时，则出现永久变形。