编辑推荐：
【编辑推荐】为填补颈椎间盘（IVD）组织层面力学特性研究空白，研究者采用受限压缩测试等技术，量化颈椎间盘髓核（NP）、纤维环（AF）和软骨终板（CEP）的双相力学特性。发现 CEP 刚度和肿胀压力更高，NP 与 AF 特性均匀，为颈椎间盘退变等研究及计算建模提供基础数据。
颈椎间盘作为连接颈椎椎体的无血管软骨组织，在承重、缓冲机械冲击和限制脊柱三维运动中扮演关键角色。与腰椎间盘相比，颈椎间盘结构更纤维修饰，运动自由度更高，但其组织层面的双相力学特性（如肿胀压力、聚合模量、渗透率等）却鲜见报道。现有研究多聚焦腰椎间盘的黏弹性行为，而颈椎间盘因结构和功能的独特性，其区域力学差异如何支撑运动功能、与退变的关联等问题亟待解答。
为填补这一空白，美国克莱姆森大学（Clemson University）与南卡罗来纳医科大学（Medical University of South Carolina）等机构的研究人员开展了相关研究。他们通过实验量化颈椎间盘髓核（NP）、纤维环（AF）和软骨终板（CEP）的双相力学参数，并构建有限元模型模拟压缩状态下的应力分布。研究成果发表于《Annals of Biomedical Engineering》，为颈椎间盘生物力学建模及退变机制研究提供了关键基础数据。
研究采用的关键技术方法包括：
- 受限压缩测试：使用动态力学分析仪（DMA）对颈椎 NP、AF、CEP 样本进行应力松弛和蠕变测试，计算肿胀压力、平衡聚合模量（HA）和液压渗透率（k0）。
- 孔隙率测量：通过浮力称重法测定组织水体积分数（孔隙率，?w），分析其与双相特性的相关性。
- 多光子显微镜：观察 NP、AF、CEP 的胶原纤维结构，揭示区域基质差异。
- 有限元建模：基于 C6-C7 节段几何构建双相及双相 - 肿胀模型，模拟无约束压缩下的应力、流体压力和通量分布。
研究结果
1. 区域双相力学特性差异
- 肿胀压力：CEP（193.57 kPa）显著高于 NP（97.86 kPa，p=0.0308），AF（161.37 kPa）与 NP、CEP 无显著差异。
- 聚合模量：1CEP（1.19 MPa）显著高于 NP（0.44 MPa，p=0.0227）和 AF（0.57 MPa，p=0.0338），NP 与 AF 无差异。
- 渗透率：各1区域无显著差异，CEP 略低（1.947×10?1? m?/Ns）。
2. 孔隙2率与力学特性的相关性
- 孔隙率与肿胀压力（r=?0.55，p=0.0006）、聚合模量（r=?0.53，p=0.0012）呈中度负相关，与渗透率呈弱正相关（r=0.34，p=0.0497）。
3. 胶原3纤维结构特征
- AF：胶原纤维束高度取向，由分支纤维连接；NP：胶原网络较平滑，含无序空腔（细胞陷窝）；CEP：靠近骨界面的胶原呈横向排列，远离骨侧逐渐圆钝。
4. 有限4元模拟结果
- 应力分布：NP 与 AF 的 von Mises 应力分布均匀，CEP 应力集中且峰值为 NP 的 2 倍，肿胀模型预测应力更高。
- 流体动力学5：压缩初期 AF 边缘流体通量最高，平衡时 CEP 残留通量更显著，流体压力梯度从 NP 向 AF 递减。
结论与讨论 6
研究表明，颈椎 NP 和 AF 的双相力学特性相对均匀，而 CEP 表现出更高的刚度和肿胀压力，这与其作为椎间盘 - 椎体界面的机械屏障功能一致。均匀的 NP-AF 特性可能适应颈椎多向运动需求，减少极端载荷下的纤维环损伤风险。孔隙率与力学参数的负相关提示，组织水含量和基质密度是影响力学行为的关键因素。
有限元模型进一步揭示，CEP 在载荷传递中起主导作用，其横向胶原结构可能增强界面稳定性。尽管渗透率无显著区域差异，但 CEP 的低渗透性可能有助于限制流体对流，维持营养交换。这些发现为颈椎间盘退变的区域特异性研究提供了新视角，例如 CEP 硬化或 NP 纤维化如何改变力学环境进而诱发退变。
本研究的局限性包括样本量小、仅纳入老年男性供体，且未探讨节段差异及动态载荷影响。未来需扩展至动态力学测试和更大队列，以全面解析颈椎间盘的生理及病理力学机制。总体而言，该研究为颈椎生物力学建模、退变机制探索及干预策略开发奠定了重要基础。
