第 5 章：软骨的生物力学（Biomechanics of Cartilage）

关节软骨的结构与组成（Composition and Structure of Articular Cartilage）

软骨按组成可分为关节软骨（即透明软骨）、纤维软骨与弹性软骨。弹性软骨维持耳、气管等结构形状；在关节中，软骨或充当骨的粘合剂（如椎间盘的纤维环属纤维软骨关节、活动受限），或充当相对骨端之间的承载面（即滑膜关节）。髋、膝、肘是滑膜关节。关节软骨覆盖在滑膜关节相对骨的末端，呈薄层（例如兔内侧股骨髁软骨平均厚度约 0.41 mm，人约 2.21 mm）。正常关节软骨外观白、表面光滑有光泽，自身无神经支配，正常成熟动物中亦无血液供应。整个关节由纤维组织关节囊包裹，囊内表面覆有滑膜，分泌关节液；正常关节内液体量极少（小于 1 mL），呈清亮至淡黄色、黏稠，质地似蛋清，故"synovia"意为"如蛋"。

软骨显然承担力学功能：它提供低摩擦、低磨损的承载面，且因其顺应性可在滑膜关节中分散相对骨端之间的载荷。若软骨如骨一般坚硬，则关节接触面积大幅减小，接触应力显著升高。除了这些力学功能外，骨关节炎与关节力学因素之间的明显联系是深入研究软骨生物力学的更重要推动力。本章具体目标为：描述软骨结构与组成如何与其力学行为相关；考察软骨材料性质、物理意义及测定方法；描述软骨力学失效的方式；综述关节润滑研究现状；从力学因素角度描述骨关节炎的病因。

关节软骨是一种活体材料，由相对少数的软骨细胞与多组分基质组成。力学上，软骨是一种由性质差异极大的材料组成的复合材料。整块组织重量的约 70–85% 为水；其余主要由蛋白多糖、胶原及少量脂质组成。蛋白多糖（proteoglycan）由一条蛋白核心与附着的糖胺聚糖（chondroitin sulfate、keratan sulfate）组成，形成瓶刷状结构；多个蛋白多糖可结合到一条透明质酸（hyaluronic acid）主链上，形成分子量可达 2 亿道尔顿的巨型聚集物。软骨干重约 30% 由蛋白多糖构成。蛋白多糖浓度与水含量沿组织深度变化：在关节表面附近蛋白多糖浓度相对最低、水含量最高；越靠近软骨下骨，蛋白多糖浓度越高、水含量越低。胶原是一种纤维蛋白，占软骨干重的 60–70%；其中 II 型胶原在关节软骨中占主导，但也有少量其他型。胶原架构沿组织深度变化。

关节软骨结构通常按从关节表面到软骨下骨之间的四个区域描述：表面带（superficial 或 superficial tangential zone）、中间带（intermediate 或 middle zone）、深带（deep 或 radiate zone）、钙化带（calcified zone）（图 5.3）。钙化软骨是软骨与其下软骨下骨之间的界面；深带与钙化带之间的界面称为潮线（tidemark）。光学显微镜（偏振光）、扫描电子显微镜、透射电子显微镜均被用于揭示关节软骨的结构。三种方法提示表面带与深带的胶原取向类似，但中间带的纤维取向仍有争议。Jeffery 等利用扫描电子显微镜在平行与垂直于"分裂线"（split line）的平面上观察软骨结构：在平行于分裂线的平面内胶原呈宽阔的"叶"状分层，在垂直于分裂线的平面则呈脊状结构——即这些叶的边缘。在钙化带与深带，胶原纤维呈放射状排列、紧密堆积成束，束之间由众多原纤维相连；从上深带进入中间带，放射取向变得不明显，胶原原纤维形成包绕软骨细胞的网状结构。在表面带纤维比深带更细，胶原结构组织成数层；关节表面上还覆有一层不含纤维的非定形层。

骨关节炎软骨同样被扫描电子显微镜研究过，结果显示两种与退化相关的主要结构变化：分层片层卷曲成叶状（fronds）结构；大裂纹的形成与扩展。在表面层以下分层区域内以及在大裂隙中，裂纹似乎通过平行胶原原纤维的分离或剥落而扩展，而非通过原纤维断裂。该观察提示存在某种机制将原纤维结合为平行结构。

关节软骨的力学行为与建模（Mechanical Behavior and Modeling of Articular Cartilage）

关节软骨的力学行为由其主要组分（胶原、蛋白多糖、间质液）之间的相互作用决定。在水相环境中，蛋白多糖呈多阴离子状态——硫酸基团与羧基带负电；在溶液中这些负电荷的相互排斥使聚集蛋白多糖分子展开并占据较大体积。在软骨基质中蛋白多糖聚集物占据的体积受到缠结胶原网络的限制。蛋白多糖聚集物对胶原框架的膨胀是软骨力学响应的关键。当软骨受压时，aggrecan 上的负电荷位点彼此靠近、相互排斥力增加，从而增加软骨的抗压刚度。非聚集型蛋白多糖因不能被胶原基质有效捕获，对抗压缩载荷的能力较差；胶原框架的损伤也会降低组织的抗压刚度，因为聚集型蛋白多糖的受限程度降低。

软骨的力学响应还强烈依赖于液体流过组织的过程。软骨变形时，液体会流过软骨并跨过关节表面；若在软骨切片两侧施加压力差，液体也会流过组织。这些观察提示软骨表现得像海绵，尽管这种海绵并不允许液体轻易流过。认识到液流与形变相互依赖后，研究者把软骨建模为流体与固体组分的混合物，称为软骨的双相模型（biphasic model）。在该建模中软骨的所有固体样组分（蛋白多糖、胶原、细胞、脂质）合并构成混合物的固相，可在基质中自由移动的间质液构成液相。典型地，固相被建模为不可压缩弹性材料，液相被建模为不可压缩且无黏性（即没有粘度）的流体。在冲击载荷下，软骨表现为单相、不可压缩、弹性固体——因为没有足够时间让液体相对于固体基质流动；对于某些应用（如蠕变、应力松弛或剪切下的行为），研究者使用黏弹性模型描述软骨。

临床相关性——双相模型：双相模型的数学模拟显示，关节受压时支撑显著比例载荷的是间质液中的压力而非固相中的应力；若载荷维持数百秒，液压力下降、固相应力增加。双相模型显示液压力将固相屏蔽在其本应承受的更高应力之外——若软骨是简单弹性材料且无显著的液–固相互作用，固相将承受更高应力。在渗透性高于正常的骨关节炎软骨中，液压力对固相的应力屏蔽作用减弱，更多应力被转移到固相上。双相行为有时用一个比喻描述：一只气球被紧紧包装在硬纸板箱内；气球内的压力使箱子能承受比空箱子大得多的压缩载荷；若气球内压力降低，更多应力被转移到纸箱上。

软骨的材料性质（Material Properties of Cartilage）

将软骨建模为各向同性双相材料需要两个独立的固相材料常数与一个液相常数。与简单弹性材料一样，固相可由多个材料常数确定（弹性模量、集料模量、剪切模量、体积模量、泊松比），但只有两个是独立的；与液流相关的常数称为渗透率（permeability）。这些常数通常由受限压缩（confined compression）或无侧限压缩（unconfined compression）试验确定，剪切试验也被用于确定固相的本征材料性质。

受限压缩试验是确定软骨材料性质的常用方法之一（图 5.4）：从关节切取一圆盘状软骨置于不渗透的井孔中，受限压缩可用"蠕变"模式或"松弛"模式。蠕变模式下，通过多孔板对软骨施加恒定载荷并测量软骨随时间的位移；松弛模式下，对组织施加恒定位移并测量维持该位移所需的力。在蠕变模式下，软骨在恒定载荷下变形但不像单相弹性材料（如弹簧）那样瞬时发生；软骨的位移是时间的函数，因为液体不能瞬时逸出基质（图 5.5）。初期位移较快，对应大量液体从软骨内被挤出；随位移速率变慢并接近常值，液流也变慢。达到平衡时位移恒定、液流停止；通常需要数千秒才达到平衡位移。将数学双相模型拟合到测得的位移，可确定软骨的两个材料性质：集料模量（aggregate modulus）与渗透率。集料模量是液流停止达到平衡时组织刚度的度量，集料模量越高给定载荷下组织变形越小；软骨集料模量典型范围为 0.5–0.9 MPa。固相材料无类似常数，但用集料模量与代表性泊松比可得到软骨杨氏模量约为 0.45–0.80 MPa。作为对比，钢的杨氏模量为 200 GPa，许多木材顺纹约 10 GPa；这些数值表明软骨的刚度（模量）远低于多数工程材料。

受限压缩试验同时确定软骨的渗透率。渗透率度量液体流过软骨基质的阻力。渗透率概念最早在研究土壤中流动时提出；通过多孔样品的平均流速（vave）与压力梯度（∇p）成正比（图 5.6），比例常数（k）称为渗透率——该关系由达西定律表达（Box 5.1）。在 SI 单位下，软骨渗透率典型范围为 10⁻¹⁵ 到 10⁻¹⁶ m⁴/Ns；若在 1 mm 厚的软骨切片两侧施加 210,000 Pa 的压差（约一个汽车轮胎的气压），平均流速仅为 1·10⁻⁸ m/s——约为正常步行速度的 1 亿分之一。渗透率沿组织深度并非恒定：靠近关节表面处渗透率最高（液流较易），深带渗透率最低（液流最难）。渗透率还随组织形变而变——软骨受压时渗透率下降。因此关节受载时，跨过关节表面的液体大多来自最靠近表面的软骨；随载荷增加，渗透率因压缩而下降，液流随之减小。

压痕试验（indentation test）是受限压缩的有吸引力的替代方法（图 5.7）。压痕试验可在原位进行——不必像受限压缩那样将软骨圆盘从其下骨上剥离——故可用于小关节的软骨。一次压痕试验可获得三个独立材料性质，而受限压缩仅两个。压痕试验通常在恒定载荷下进行；压头直径随关节面曲率而异，但一般不小于 0.8 mm。恒定载荷下压头的位移与受限压缩相似，也需数千秒才达到平衡。将试验的双相模型拟合到测得的压痕，可确定集料模量、泊松比与渗透率。泊松比通常小于 0.4 且常趋近于零。这一发现显著背离了早期研究——后者假设软骨不可压缩，因而泊松比为 0.5。该假设基于软骨主要由水组成，而水常可被建模为不可压缩材料。然而软骨受载时液体从固相流出，使整个软骨的体积减小。认识到软骨是固体与液体的混合物，就解释了尽管组分本身不可压缩，整个组织表现为可压缩。平衡位移由集料模量与泊松比决定；渗透率影响变形速率——渗透率高时液体容易流出基质，平衡较快到达；渗透率低则早期快速变形到平衡的过渡更平缓。这些定性结果对解释正常与骨关节炎软骨试验数据有帮助。

临床相关性——骨关节炎软骨的渗透率：骨关节炎软骨较低的模量与较高的渗透率导致组织比正常软骨发生更大且更快速的形变。这些变化可能影响软骨细胞的合成活动，因为软骨细胞响应其力学环境。

纯剪切提供评估固相本征性质的手段。圆柱形样本的小扭转位移（产生纯剪切）不引起软骨体积变化，不驱动液流；间质液是水，黏度低、对剪切阻力贡献小。因此剪切阻力来自固相。软骨的剪切试验显示基质表现为黏弹性固体。软骨变形的数学模型也提示基质可能表现为黏弹性固体。

力学性质与组成的关系（Relationship between Mechanical Properties and Composition of Articular Cartilage）

除上述定性描述外，软骨的力学性质与糖胺聚糖含量、胶原含量及水含量之间已经建立定量关系。软骨抗压刚度随总糖胺聚糖含量增加而增加（图 5.8）；与之对照，抗压刚度与胶原含量无相关关系。这些情况下抗压刚度是以加载后 2 秒蠕变测量得到的。渗透率与抗压刚度（以集料模量度量）均与水含量高度相关：水含量增加时软骨刚度下降且渗透率增加（图 5.9）。图 5.9B 中纵坐标为渗透率的倒数，是为方便作图——因为随水含量增加渗透率变得非常大。

临床相关性——软骨的材料性质：材料性质与水含量的关系有助于解释动物骨关节炎模型中软骨的早期变化——这些模型中蛋白多糖含量与平衡刚度降低、形变速率与水含量增加。蛋白多糖含量下降为组织中的液体提供更多空间；水含量增加与渗透率增加相关；渗透率增加使液体更容易流出组织，导致更快的形变速率。

通过受限压缩、压痕、拉伸与剪切试验，可确定软骨的力学性质。这些性质是组织内任何应力分析所必需的，但材料性质本身不提供软骨失效的任何迹象。例如仅知道集料模量或泊松比的值不足以预测软骨是否会发生骨关节炎所特有的裂纹、裂隙与一般磨损。研究者使用多种加载条件以更好理解软骨的失效性质——这些性质不能仅由平衡材料常数推断。

软骨的力学失效（Mechanical Failure of Cartilage）

骨关节炎的特征是软骨的裂纹、原纤维化与磨损。这似乎是一个力学驱动过程，激励着大量研究以鉴定导致关节软骨失效的应力与形变。软骨是各向异性材料——它在某些应力分量上比其他分量抗性更大；例如在沿胶原纤维方向受拉时可能相对较强，但在沿胶原叶之间的平面剪切时可能较弱。

拉伸性质的测试说明软骨的各向异性、非均质性以及一些与年龄相关的力学行为的惊人变化、以及额外的胶原–蛋白多糖相互作用。软骨的拉伸试验需要先将软骨从其下骨剥离；该软骨片有时用切片机切成平行于关节表面的薄切片（200–500 μm 厚），再用特制的切割器切成哑铃形试样。一项特别详尽的软骨拉伸性质研究表明，沿分裂线取向的试样具有比垂直于分裂线取向的试样更高的拉伸强度与刚度。在骨骼成熟的动物（骺板闭合）中，拉伸强度与刚度由表面向深带递减；与之对照，在骨骼未成熟（开放骺板）的动物中，拉伸强度与刚度沿关节表面向深处递增。

胶原网络与蛋白多糖对软骨拉伸行为的相对影响取决于加载速率。慢速拉伸时，软骨拉伸强度与刚度仅由胶原网络决定；高速加载时，胶原与蛋白多糖的相互作用决定拉伸行为——蛋白多糖在组织快速受载时约束胶原纤维的旋转。软骨拉伸失效引起特别关注的原因之一是人们普遍认为软骨中的垂直裂纹是由关节表面相对高的拉应力引发。关节接触的较新计算模型显示表面拉应力低于原来所想，但组织内仍存在拉应力。这表明通过剪切应力失效可能占主导。软骨拉伸失效的研究主要关注关节间的性质差异、重复载荷的影响以及年龄。

Kempson 等报告髋与膝软骨的拉伸失效应力随年龄下降；但踝距骨软骨的拉伸失效应力没有可观的年龄相关下降（图 5.10）。临床相关性——踝的骨关节炎发病率：踝的骨关节炎发病率低于髋或膝；踝软骨拉伸强度的维持可能在该关节退化可能性降低中起作用。

重复拉伸载荷（疲劳）使软骨的拉伸强度降低，与许多其他材料一样。随峰值拉应力增加，失效所需循环数减少（图 5.11）。对任一峰值应力值，老年人软骨的失效循环数低于年轻人。在原位对软骨表面施加重复压缩载荷，若施加足够循环数也会使拉伸强度下降。64,800 次压缩载荷循环后软骨拉伸强度无变化，但 97,200 次后拉伸强度显著下降；任何样本中均未发现表面损伤。这显示在表面原纤维化出现之前损伤可能已经在组织内产生。

如何把这些试验中的循环数与人的活动相关联？以 6 英尺步幅跑完 26 英里马拉松相当于每条腿 11,440 次载荷循环；踏频 90 rpm 骑自行车 4 小时相当于每条腿 21,600 次循环。评价重复载荷对软骨的影响时必须谨慎。在许多情况下失效发生在从其下骨剥离的样本的大应变下；失效应变可能大于体内所经历的应变。此外多数生物材料的性质随施加应变而变化——胶原网络沿拉伸应变方向对齐、材料变为强各向异性；最后对死亡组织的重复载荷不包括任何生物响应，因此可能未提供加载影响的完整画面。

而不是假设拉应力负责关节表面的原纤维化，几种失效准则的可行性在实验与计算相结合的方法中被考察。用三种不同大小的球形压头（2、4、8 mm）冲击关节表面产生三种不同的应力状态，在某些情况下导致贯穿表面的裂纹。基于每次试验中软骨内的应力及裂纹出现与否，用回归确定最可能引起裂纹发生的条件。软骨内最大剪切应力是基于裂纹位置与计算应力的关系而被识别的、最可能的裂纹形成预测因子。

由于软骨受压缩，剪切应力失效的想法似乎不切实际。但软骨内确实存在剪切应力，只是这些应力的取向不总是显然的。为说明这一点，想象一种比关节更简单的加载情形——一根直杆受压缩（图 5.12）。若杆被垂直于其长度的平面切开，横截面上的合力必须也是压力且等于外加载荷以维持平衡。若杆被切成与长度成 45° 的斜面，合力仍必须等于外加载荷；将合力分解为平行与垂直于切面的分量即产生剪切力与法向力。剪切应力（力/面积）来自作用于杆斜面剪切力。同一概念适用于包括滑膜关节中软骨在内的任何加载情形；不过滑膜关节中的应力是多轴的，不像杆中是单轴的。

Radin 等也显示软骨失效可能由剪切应力引起。但他们特别关注软骨–骨界面处的失效，而非关节表面。研究的动机来自尸体解剖研究——该研究显示软骨–骨界面存在裂纹；快速加载下软骨表现为不可压缩弹性材料（即泊松比为 0.5）。相对顺应但不可压缩的软骨在受压时发生较大侧向位移（由于高泊松比），但这种侧向膨胀被刚性较大的软骨下骨约束（图 5.13）。在这种情况下，软骨–骨边界处产生高剪切应力。

多数软骨失效的研究直接基于极限应力或应变值。一种替代方法是使用更直接代表载荷样本内裂纹扩展的参数。Chin-Purcell 与 Lewis 详细评估了使用两种方法确定软骨断裂参数的可行性（图 5.14）。所谓的 J 积分是每单位裂纹扩展所耗散的断裂能量度量。该方法假设裂纹在材料内扩展，而非材料的变形或流动——后者导致更具延性的失效。由于裂纹在软生物材料内可能不扩展，还评估了撕裂试验（tear test）。撕裂试验给出类似于 J 积分的断裂参数。与基于拉应力的失效想法一样，必须施加大应变以使样本失效——这些应变可能远大于任何体内加载条件下遇到的应变。迄今这些断裂参数的应用仅限于正常犬髌骨。

关节润滑（Joint Lubrication）

正常滑膜关节以相对低的摩擦系数运行——约 0.001 [54, 69, 113]。作为对比，特氟龙在特氟龙上滑动的摩擦系数约 0.04，比滑膜关节高一个数量级。鉴定滑膜关节低摩擦机制是数十年来持续研究的领域，研究者考察了液膜润滑与边界润滑两种机制。液膜要有效润滑运动表面，其厚度必须大于相对表面的粗糙度；液膜厚度取决于流体黏度、间隙形状、相对速度以及表面的刚度。低摩擦系数也可在没有液膜的情况下通过所谓边界润滑机制实现——这种情况下被粘附在表面上的分子受剪切而非形成液膜。现有证据表明液膜润滑与边界润滑的组合共同负责滑膜关节的低摩擦——单一机制都不足以解释关节的低摩擦系数。

已经假设多种机制用于在关节表面上形成润滑液膜 [19, 38, 62, 69, 116, 118, 119]。若软骨被建模为刚性材料，则不可能产生足以分离软骨表面粗糙度的液膜；然而包含软骨变形及其表面粗糙度的模型显示可形成足够厚的液膜。这被称为微弹流润滑（microelastohydrodynamic lubrication）。变形还会导致液体跨软骨表面流动，从而改变液膜厚度，尽管这种流动分量的实际重要性仍存在疑问 [32, 33, 38]。

关节表面的边界润滑看来与关节液中被称为润滑素（lubricin）的糖蛋白组分有关 [17, 24, 26, 30, 69, 85, 90, 93, 94, 98, 101, 108-110]。近期证据提示润滑素可能是一种表面活性磷脂的载体——后者可能提供滑膜关节的边界润滑性质 [101]。表面活性磷脂被认为是边界润滑剂，不只在滑膜关节中，在胸膜腔等其他身体部位也是如此——它们似乎是普遍存在的生物边界润滑剂。综合证据提示液膜润滑与边界润滑的组合负责滑膜关节的低摩擦 [55, 90, 92]。

骨关节炎的模型（Models of Osteoarthritis）

动物模型用于提供受控环境以研究骨关节炎的进展。虽然骨关节炎可由多种方式诱导，基于关节力学环境破坏的模型——无论是通过外科改变关节周围结构还是通过异常的关节载荷——是常用的方法。

切除前交叉韧带、内侧副韧带及部分内侧半月板中的一种或组合可在膝关节产生骨关节炎。这些模型被认为产生一个不稳定的关节，但运动学研究显示其与正常关节运动学的偏离程度各异。兔模型中报告对照与手术膝（前交叉韧带切断及部分内侧半月板切除）之间的运动学差异较小。术后 4 周膝的最大前向位移有统计学显著变化，但 8 或 12 周后前向位移与正常无显著差异。最显著的运动学变化是 8 周时的外旋以及 4、8、12 周时的内收。犬模型（具有较伸展的膝）中前（颅侧）交叉韧带切断后前后抽屉增加。兔等不稳定关节中相对较小的运动学变化提示改变后的力（以及可能的本体感觉输入）可能比关节位移在骨关节炎发展中更为重要。

重复冲击载荷也可在动物关节中产生骨关节炎。该模型的优点是比外科模型更可控——施加于肢体的力是已知的并可改变。该模型展示了加载速率对骨关节炎发展的影响：研究发现冲击式施加的载荷会产生骨关节炎，而以较高幅值但以较低速率施加的载荷则不会。冲击式加载对骨关节炎发展的重要性在人类中也得到体现——有膝痛但无明显病史的人在脚跟着地时比无膝痛者以更快速率加载其腿。Radin 进一步论证：决定因素不是载荷大小而是加载速率——只有冲击式载荷（即载荷在较短时间内达到最大值）才会导致骨关节炎；这在用外加载荷的动物模型中以及在羊于软硬地面上行走的研究中得到展示。被诊断为"前骨关节炎"（prearthrotic）的膝痛患者在脚跟着地时加载速率也高于正常人。

虽然生化的、代谢的与力学的测试已被用于评估骨关节炎动物模型的软骨性质，本章聚焦于软骨的力学性质。犬前交叉韧带切断后，拉伸刚度、集料模量与剪切模量均低于未手术对照关节的软骨；术后 12 周渗透率显著增加；内侧胫骨平台、外侧髁与股骨沟样本的水含量显著增加。

总之，关节的各种力学改变导致骨关节炎的发展。外科改变诱导的运动学不稳定性可能较小，提示改变后的力主要负责骨关节炎的发病。仅基于异常关节加载的模型支持力的改变可导致骨关节炎的观点。前交叉韧带切断后软骨在压缩与剪切下刚度降低，液体更容易流过骨关节炎关节的组织。这意味着骨关节炎软骨比正常软骨位移更大（刚度降低）且形变速率更快（渗透率增加）。肥胖也与骨关节炎风险增加相关——尤其是胫股关节、髌股关节及腕掌关节。虽然体重增加会预期增加下肢关节的载荷并可能使个体易于发生骨关节炎，但肥胖对腕掌关节没有直接的力学效应，提示系统因素（如代谢或炎症）也参与其中。骨关节炎的研究因而需结合关节力学改变、个体系统因素以及软骨生物学与生物化学的联合作用。

软骨健康与运动（Exercise and Cartilage Health）

临床相关性——骨关节炎：骨关节炎是发达国家残疾的主要原因。在美国，它在常见致残原因中位居第二，仅次于心血管疾病。尽管骨关节炎普遍存在，但在人群中难以研究。诸如关节表面原纤维化与开裂的早期身体症状不能被个体察觉，因为软骨无神经支配。对软骨的损伤可能需要多年进展到被周围关节结构与软骨下骨察觉的程度。尽管已进行大量骨关节炎流行病学研究，但被描述为"令人失望"——它们未导致对骨关节炎发生机制的解释。然而似乎清楚的是骨关节炎的发展依赖于多种因素的组合，包括年龄、性别、遗传、关节力学以及软骨生物学与生物化学。虽然并非衰老的不可避免的后果，但骨关节炎在老年人中更普遍。在美国约 80% 超过 65 岁的人及实际上所有超过 80 岁的人患骨关节炎，尽管 40 岁之前罕见。55 岁后骨关节炎在女性中比男性更常见。通常远端指间关节、第一腕掌关节与膝关节是最先受累的关节。然而衰老与骨关节炎之间的具体联系尚不清楚。

过度的力学加载也可能使关节易于发生骨关节炎。体力消耗较大职业（煤矿工人）的工人骨关节炎发病率高于较小消耗职业（办公室职员）。有趣的是相对年轻个体肩与肘的骨关节炎迹象见于古代依赖狩猎为生的人群。但体力工作可能不是骨关节炎的唯一危险因素，因为使用风钻者或体育教师患骨关节炎的风险并未增加。Radin 认为决定因素不是载荷大小而是加载速率——只有冲击式加载（即载荷在较短时间内达到最大值）时骨关节炎才发生。这在用外加载荷的动物模型中得到展示，在羊在软硬地面上行走的研究中亦如此。冲击式而非较慢加载的作用在人类试验中也得到支持——被诊断为"prearthrotic"的膝痛患者在脚跟着地时加载速率高于正常人。这些研究表明单独特定活动不必然使个体易于发生骨关节炎；而活动执行的方式可能是决定骨关节炎是否发生的因素。

参与某些运动似乎也增加骨关节炎风险。Saxon 等综述既有文献后结论：涉及扭转加载、快速加速与减速、重复高冲击以及高参与水平的活动看来增加骨关节炎风险。田径、网球、足球是与较高骨关节炎风险相关的运动；游泳与骑车与髋骨关节炎风险增加不相关，虽然骑车可能与髌骨骨关节炎有关。

前交叉韧带、侧副韧带或半月板的损伤被认为与膝骨关节炎发展相关。前交叉韧带丧失可能损害膝的本体感觉功能与保护机制；关节内结构的破坏可能改变关节对线以及承受载荷的软骨区域。若韧带损伤导致关节稳定性丧失，则关节载荷可能因主动肌肉收缩试图稳定关节而增加。部分或全部半月板切除也可预期增加关节应力，因为关节力被集中到更小面积上。

临床相关性——运动疗法：尽管因过度或异常关节加载增加骨关节炎风险，但一定程度加载或运动对关节健康似乎有益。Smidt 等综述运动疗法对肌肉骨骼、神经、呼吸与心血管系统疾病患者的有效性文献后得出结论：在肌肉骨骼疾病中运动疗法对膝骨关节炎患者以及亚急性与慢性腰痛患者有效；他们也发现运动疗法对髋骨关节炎与强直性脊柱炎患者有效的迹象。然而现有证据不足以支持或反驳运动疗法对颈痛、肩痛或重复应变损伤的有效性，他们结论运动疗法对急性腰痛患者无效。骨关节炎患者的运动在多项结果指标上显示有正向效应——如疼痛、力量、自报残疾、行走中观察到的残疾以及自选行走与跨步速度。虽然温和至中度运动常被推荐，但骨关节炎患者的最优治疗运动方案尚未确定。虽然骨关节炎患者主动控制的运动具有多种正向效应，但被动关节运动对关节软骨缺损的愈合可能更优。利用手术造成缺损的动物模型，Salter 等显示在持续被动运动下关节缺损愈合率显著更高（44%），间歇主动运动下仅 5%、固定下仅 3%。

不令人意外的是主动或被动关节运动对关节软骨具有正向效应。如本章早些时候所述，软骨是一种流体饱和的可变形多孔材料。主动或被动关节运动导致软骨变形以及软骨基质中静水压与间质液的运动。大量本章未综述的研究显示软骨基质生成对所施加的静水压或变形敏感。在规定的幅度与频率范围内的变化的压力或变形可增强或抑制基质生成。主动与被动运动对关节软骨健康的影响与公认模型以及严格控制的实验结果一致。

在 37 名健康志愿者的体内研究中，Tiderius 等显示久坐受试者内侧与外侧股骨髁软骨的糖胺聚糖含量低于规律运动者。运动方案之后也有骨关节炎风险患者膝中糖胺聚糖含量的增加。后两项研究使用称为 dGEMRIC 的 MRI 成像技术以在体内定量测量糖胺聚糖含量。它们显示对运动的生化适应，尽管根据组织质量看似乎不存在软骨形态对运动的适应。由于运动可增强基质分子生成，似乎合理预期其对关节健康有正向效应。

小结（Summary）

总之，关节软骨为滑膜关节提供高效的承载面，能够在个体一生中发挥功能。该组织的力学行为取决于其流体与固体组分之间的相互作用。多种因素可损害软骨功能并导致骨关节炎及一个疼痛且无功能的关节。力学因素被强烈认为参与骨关节炎的发展，尽管确切机制尚未明了。运动对软骨既有益处也有害处——它产生正向生化变化并减轻骨关节炎患者的疼痛与增加功能；反之，运动损伤是骨关节炎的重要诱因。

本章个人批注

本章是 Part I 第一组"组织生物力学"中唯一讨论含液复合材料（双相材料）的章节。它在概念上承上启下——上承第 2 章的多孔弹性与压力–流量耦合（第 2 章末尾介绍了流体–固体相互作用的概念），下启对关节接触力学、滑膜关节功能以及骨关节炎病理的理解。读完本章最有概念冲击的是软骨并不是一种"材料"，而是一种力学系统：它只在液体能持续流进流出的条件下才能执行其功能。集料模量、渗透率、泊松比这些数字之所以重要，是因为它们共同决定了"瞬时多少载荷由液压力支撑、多少由固相支撑"这个分配问题。软骨的所有工程价值都来自这种"流体–固体的协同支撑"——而不是来自固相本身的强度。

本章把试验方法（受限压缩、压痕、剪切、拉伸）与建模思想（双相模型、达西定律、黏弹性）紧密耦合，这种"先有试验、后建模型、再用模型解释试验"的循环是生物力学研究的典型节奏。然而本章也呈现了这种节奏的局限性——所有失效研究都把样本从骨上剥离或施加了非生理的大应变；所有剪切失效研究都依赖尸体或动物数据；骨关节炎动物模型中即使是前交叉韧带切断这样的"大扰动"也只能引起很小的运动学改变，提示力学的关键变量（加载速率、冲击力）远比运动学变量（位移）更难以测量与建模。这种"测得到但模型捕捉不到"的张力是生物力学向临床转化面临的根本困难。

本章几条值得记住的数值：软骨集料模量 0.5–0.9 MPa、杨氏模量 0.45–0.80 MPa（远低于工程材料）、渗透率 10⁻¹⁵–10⁻¹⁶ m⁴/Ns（在 210 kPa 压差下流速仅 10⁻⁸ m/s）、关节摩擦系数约 0.001（比 PTFE–PTFE 还低一个数量级）、渗透率沿深度变化（表面高、深层低）。但作者反复强调这些是代表性范围而非单值，临床上要靠具体的试验得到具体关节的数值。作者的态度提醒读者：不要把任何生物材料当作单数。

最后，本章反复出现的"冲击式 vs 缓慢"加载对比是一个有临床实用价值的概念。Radin 的证据指出加载速率本身可能比载荷大小更危险——这与现代运动医学中"长期高冲击运动"（马拉松、足球、田径）增加骨关节炎风险的观察一致；而持续被动运动（CPM）在动物模型中显著促进软骨缺损愈合（44% vs 5% vs 3%）则从治疗端印证了"运动有益但要温和"的命题。这两条结论合起来描述了软骨对加载的复杂响应——既不能不动（基质生成需要变形与流动刺激），也不能过激（冲击式加载在短期内引发裂纹）。

与上下章的衔接（一段话）

本章把 Part I 从相对单纯的生物组织——骨（第 3 章的均质各向异性固体）与骨骼肌（第 4 章的主动收缩纤维）——推进到一种力学性质更复杂的被动组织——双相复合材料（固体基质 + 关节液）。在结构上第 5 章独立成一节，因为它处理的是一种独立材料类型；但其力学概念——尤其是液–固耦合、双相模型、达西定律——直接建立于第 2 章末尾的多孔弹性与流体–固体相互作用之上。本章的关节软骨是滑膜关节的承载面——而后续章节（第 7 章关节的生物力学）将在此基础上讨论整个关节的运动学与接触力学。第 6 章（肌腱与韧带的生物力学）则把本章的胶原–蛋白多糖复合材料视角应用到另一种致密结缔组织上。下两章（第 6、7 章）一道把本章建立的"材料–结构–功能"框架扩展到肌腱、韧带与关节的层次。