在纯循环压缩载荷作用下（无滑动），滑液能够延缓未成熟牛软骨的分层磨损现象

《Osteoarthritis and Cartilage》：Synovial fluid delays delamination wear in immature bovine cartilage under pure cyclical compressive loading without sliding

滑液（SF）通过增强软骨基质抗疲劳性延缓纯压缩循环载荷下的软骨脱层磨损，其保护机制与摩擦降低无关。实验比较了PBS与不同浓度SF浸浴的牛软骨疲劳性能，发现在2Hz、54.2N载荷下，PBS组在12000次循环内全部失效，而SF组保持完整至36000次循环。表面粗糙度（Rq）结果显示，PBS组从0.025mm增至0.068mm（p<0.0001），25%SF/PBS组增至0.039mm（p<0.01），而纯SF及50%SF/PBS组粗糙度变化不显著（p>0.99）。病理学分析确认脱层损伤由压缩疲劳导致，且仅出现在PBS及低浓度SF组中。该研究首次在无滑动条件下直接证明滑液介导的机械抗疲劳机制，为关节软骨保护治疗提供新思路。

　　

H. 张 | S. 卡尔塔利奥卢 | J. 奥德里克 | N. 萨赫拉尼 | C.T. 洪 | G.A. 阿特谢安

哥伦比亚大学机械工程系，纽约州纽约市

摘要

目的

以往关于软骨的循环压缩疲劳研究要么包含了同时发生的滑动现象，要么在不存在滑动的情况下，没有直接比较滑液（SF）和磷酸盐缓冲盐水（PBS）作为浸泡液的效果。在这里，我们通过消除滑动的潜在影响来单独研究SF的作用。我们假设SF可以通过减少纯循环压缩载荷下的疲劳失效来延缓分层磨损的发生。

设计

本研究比较了在四种浸泡条件下软骨塞的疲劳失效率：PBS与SF（实验1），以及25% SF/PBS与50% SF/PBS（实验2）。未成熟的牛软骨来自对侧股骨髁，测试在定制的螺线管驱动的循环压缩装置中进行，该装置能够连续记录载荷和位移。压缩载荷为54.2 ± 0.7 N，频率为2 Hz，使用平凸玻璃透镜（直径12.5 mm），持续最多36,000个循环。实验1和实验2每个组各包含8个圆柱形软骨塞（直径12 mm）。如果在12,000个循环时观察到明显损伤，则测试终止；否则，测试会进行到36,000个循环（5小时）。损伤通过摄影、接触面积测量以及在基线、12,000个循环和36,000个循环时的表面粗糙度来评估。

结果

在实验1中，所有PBS样本在12,000个循环时都发生了失效，而所有SF样本在36,000个循环后仍然完好无损。在实验2中，25% SF/PBS组中有5个样本失效，50% SF/PBS组中有2个样本失效。PBS组的平均表面粗糙度（R_q）从基线的0.025 ± 0.003 mm显著增加到测试结束时的0.068 ± 0.023 mm（p < 0.0001）。在25% SF/PBS组中，R_q从0.024 ± 0.002 mm增加到0.039 ± 0.013 mm（p < 0.01）。相比之下，SF组（0.024 ± 0.003 mm增加到0.023 ± 0.001 mm；p > 0.99）和50% SF/PBS组（0.023 ± 0.004 mm增加到0.027 ± 0.005 mm；p = 0.45）没有显著变化。PLM和组织学检查证实所有PBS样本以及受损的稀释SF样本都发生了软骨分层失效，而SF样本未检测到损伤。分层总是发生在关节层的中间区域。

结论

SF能够在循环压缩载荷下保护软骨免于疲劳失效，这一作用独立于其在减少关节表面摩擦方面的任何潜在作用。较高的SF浓度与逐渐降低的疲劳失效率相关，这表明SF具有关键的保护功能，而不仅仅是边界润滑作用。

引言

骨关节炎（OA）是美国最常见的关节疾病，影响了大约5200万美国成年人，并且是导致残疾的主要原因之一[1]。其特征是关节软骨的进行性磨损，这是由于细胞外基质（ECM）的降解破坏了软骨的机械完整性。软骨磨损的精确机制尚未完全阐明。早期的文献通常将磨损归因于关节表面之间的摩擦增加[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。然而，越来越多的证据挑战了软骨磨损主要是由摩擦驱动的假设。相反，已经证明在往复接触下的疲劳失效是由循环压缩应力引起的[10]，表现为中间层（MZ）的分层[11]。

自20世纪70年代以来，人们就已经认识到软骨的疲劳失效现象。当时Weightman等人[12]、[13]、[14]、[15]报告了在循环压缩下人类股骨头软骨表面的裂纹和纤维化[15]，后来又证明了在循环拉伸载荷下软骨条的失效[13]、[14]。后续的研究证实，即使在没有往复滑动摩擦的情况下，软骨也可能会在压缩和拉伸循环中发生疲劳损伤[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。最近，Petersen等人使用迁移接触面积（MCA；循环压缩与循环摩擦）和静止接触面积（SCA；静态压缩与循环摩擦）配置比较了循环压缩和循环摩擦的影响[10]。他们的结果表明，磨损主要是由循环压缩驱动的：MCA样本出现了分层，而SCA样本尽管由于间质液压力丧失导致摩擦系数增加了四倍，但并未出现分层[10]。与此发现一致的是，在另一种实验方法中，软骨磨损也被证明与摩擦系数无关[21]。此外，与健康组织相比，人类OA软骨的摩擦系数并没有升高[22]，而在某些研究中，润滑素敲除的小鼠模型仅在磨损损伤后显示出摩擦增加[5]、[23]，但并非所有研究都是如此[24]、[25]。这些发现强烈支持疲劳磨损是由循环压缩载荷驱动而非循环摩擦力驱动的假设。这提出了关于滑液（SF）确切功能作用的一个基本问题。

滑液（SF）长期被认为是一种维持软骨完整性的关键介质。来自体内小鼠模型的证据表明，SF可以减少软骨磨损[5]。Petersen等人还报告说，在MCA配置下，浸泡在SF中的软骨比浸泡在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中的软骨磨损更少[10]。这种保护作用传统上归因于SF中的摩擦降低剂，如润滑素/表层蛋白（SZP）和透明质酸[5]，它们可以降低软骨的摩擦力。实际上，摩擦滑动研究已经表明，与PBS相比，SF可以降低摩擦系数（μ）[11]、[22]。然而，体外研究表明，SF对μ的影响相对较小，且次于间质液压力作用的贡献，其改善因子大约为2比60[26]。

Sise等人进一步研究了SF在保护软骨中的作用，并证明它在循环压缩和往复滑动的情况下可以减少未成熟牛软骨的疲劳失效[27]。此外，在另一项研究中，Sise等人表明，在加载条件下，SF对未成熟牛软骨的机械刚度和间质液传输没有影响，无论软骨样本是否浸泡在SF中[28]。使用之前描述的相同MCA设置[10]，他们比较了四种浸泡条件：PBS与SF，以及两种稀释组（25% SF + 75% PBS与50% SF + 50% PBS）[27]。比较对侧胫骨平台软骨样本的主要原因是为了消除动物年龄（因此，软骨成熟度）的影响，因为Durney等人[11]之前的一项相关研究未能观察到在SF和PBS中测试的随机样本之间的磨损率差异。Sise等人表明，单独使用SF和50% SF/PBS稀释组在MCA滑动条件下产生的分层磨损最少，而PBS和25% SF/PBS稀释组则导致了更严重的软骨损伤[27]。PBS组的平均摩擦系数（μ_avg = 0.028）高于所有含SF的浸泡组（μ_avg = 0.012）[27]，这与SF已知的润滑作用一致[22]、[26]、[29]。重要的是，尽管摩擦系数降低，但在25% SF/PBS稀释条件下仍然发生了磨损损伤[27]，这强烈表明SF对软骨磨损的保护作用并不直接与摩擦减少有关。

虽然之前的研究强调了SF的保护作用，但我们认为其主要作用不在于降低软骨的摩擦系数，而在于提高其对疲劳失效的抵抗力，这一观点既新颖又颇具争议。以往的循环压缩疲劳研究要么包含了同时发生的滑动[10]、[27]，从而未能解决循环压缩的独立作用；要么在不存在滑动的情况下，没有直接比较SF和PBS作为浸泡液的效果[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]，因此尚不清楚SF是否能在这些条件下减轻疲劳损伤。因此，缺乏直接证据来证明SF在纯循环压缩载荷（无同时滑动）下的作用。

在本研究中，我们使用了一种定制的、螺线管驱动的、负载可控的疲劳测试仪（图1A-C），能够在任何浸泡条件下施加循环压缩载荷而不伴随滑动。基于我们之前的发现[10]、[27]，我们假设SF的主要摩擦学作用是通过减少纯循环压缩载荷下的疲劳失效率来延缓分层磨损的发生，这一作用与滑动无关。为了验证这一假设，我们使用了体外未成熟牛关节软骨模型，其中样本被固定到位，并受到玻璃透镜的循环压痕作用，从而消除了同时发生的滑动。在这种配置下，比较了SF、PBS和稀释的SF/PBS浸泡液的效果。如果这一机制得到验证，将表明SF中的分子成分增强了ECM的韧性，可能是通过稳定II型胶原蛋白并延缓纤维化前的变性事件。

实验设计

为了评估SF除了减少摩擦之外对磨损进展（特别是分层）的独立影响，我们在两个实验中以浓度依赖的方式进行了研究。在第一个实验中，比较了在PBS中浸泡的样本与在成熟牛SF中浸泡的样本在纯循环压缩载荷（无滑动）下的疲劳磨损率，样本来自对侧股骨髁（随机交替使用内侧和外侧髁）。

结果

所有结果均以平均值±标准差的形式呈现[95%置信区间使用t分布计算得出]。在测试之前，实验1中分配到PBS和SF浸泡条件的样本之间没有观察到显著的初始p_avg差异（p = 0.23），其值分别为4.22 ± 0.64 MPa [3.68-4.76]（PBS）和4.63 ± 1.09 MPa [3.72-5.54]（SF）。基线R_q在两组之间也没有差异（p = 0.39），测量值为0.025 ± 0.003 mm [0.022-0.028]（PBS）和0.024 ± 0.003

讨论

本研究的结果结合我们之前的报告[27]，验证了我们的假设：SF可以保护未成熟牛关节软骨免受循环压缩下的疲劳失效，这一作用独立于其对滑动摩擦系数的潜在改善。

在生理接触压力[32]、[33]下，所有在PBS中循环压缩测试的软骨塞在12,000个加载循环后都发生了失效，而在SF中测试的对侧样本即使在36,000个循环后仍然完好无损

资金来源的作用

资助方在研究设计、数据收集与分析、论文撰写或决定提交发表方面没有任何作用。

作者贡献

HZ, GAA：概念设计和实验设计。HZ, SK, JA, NS：数据收集与整理。HZ, GAA：数据分析和解释，文章起草。GAA, CTH：资金获取。GAA, CTH：研究材料提供。所有作者：对文章的重要内容进行关键修订，并最终批准文章。

利益冲突声明

无利益冲突。

未引用的参考文献

[31]

致谢

本研究得到了国家关节炎和肌肉骨骼及皮肤病研究所（R01 AR073289）和国家普通医学科学研究所（R01 GM083925）的支持。内容仅代表作者的观点，不一定代表美国国立卫生研究院的官方立场。作者感谢哥伦比亚大学生物医学工程系的X. Edward Guo教授提供PLM使用的实验室设施。