討論

5-1 椎間盤動態性質隨循環負載時間增加的變化

本實驗以椎間盤的勁度與阻尼係數的變化來表達椎間盤抵抗外力的功能。

勁度代表椎間盤的強度，阻尼係數代表椎間盤緩衝外來能量的能力，這兩種動態 性質與椎間盤的水分含量、結構完整度、結構組成成份的材料性質息息相關。當 椎間盤受力時，水分會從椎間核往外擠出，並由椎終板(endplate)以及椎間環流 出。水分流出的路徑以椎終板為主，椎間環由於結構緻密，加上受力時纖維網狀 結構被壓密使得水分流出通道變窄，加上會往外側膨出變形而產生張力，因此水 分不易從椎間盤外側流失。椎間盤結構在受力時的形變產生水分流出的阻力，成 為椎間盤抵抗外力、緩解衝擊能量的主要機制。本研究結果顯示，正常的椎間盤 的勁度值與阻尼係數，當椎間盤受力時間增加，含水量逐漸降低，組織變得乾硬，

因此椎間盤的勁度值上升而阻尼係數下降。但當外力解除後，水分又會逐漸流回 椎間盤，因此椎間盤的勁度下降而阻尼係數上升。椎間盤勁度隨循環負載時間延 長而增加，阻尼係數隨循環負載時間延長而減少的特性並不隨椎間盤的生化組 成、結構完整度不同而改變。椎間盤的水分並不會無止境逸散，當外力與椎間盤 滲透壓達到平衡時，水分便不再流出椎間盤，外力大部分由椎間環承擔，因此勁 度和阻尼係數便停止變化。

5-2 椎間盤傷害對椎間盤動態性質的影響

椎間核變性降解. 胰蛋白酶會分解蛋白質，椎間核內含有蛋白質的主要成份 有蛋白多醣與膠原蛋白，所以胰蛋白酶會破壞這些物質的結構，甚至破壞內側椎 間環纖維以及椎終板表面，造成椎間盤的孔洞性(porosity)增加。由於蛋白多醣及 膠原蛋白已被破壞，造成水分與細胞基質的鍵結力量降低，所以在循環負載期 間，椎間盤流失水分的速度比正常椎間盤要快，這可解釋實驗中觀察到的兩個現 象：1. 椎間盤阻尼係數比正常值低，意即椎間盤的吸震能力變差；2. 椎間盤的 勁度與阻尼係數達到平衡狀態的速率，比正常椎間盤快。過去的實驗也證實變性

降解後之椎間核、椎間環，其液體滲透性(hydration permeability)都明顯提高^28,29。 實驗結果顯示，在循環負載開始前，椎間核降解之椎間盤的勁度值較正常 值為低，推測是椎間盤內部產生多餘的空腔(因為結構被破壞，孔洞增加)可容納 回流的水分，使椎間盤於食鹽水溶液的回復過程中吸水過度(over-hydration)，因 此在循環負載開始前，椎間盤勁度較正常值低，一直到循環負載開始，迫使水分 從椎間盤排出之後，勁度才上升。我們也發現椎間核降解後的椎間盤達到穩態時 的勁度值，與健康椎間盤相同，推測可能是胰蛋白酶僅作用於椎間盤內部，外側 的椎間環仍保持完整，因此當椎間環開始承擔大部份外力時，椎間核降解後的椎 間盤，其勁度便與正常椎間盤相同。在實驗中椎間核降解的椎間盤於前後兩次循 環負載期間，動態性質隨時間變化的趨勢完全一致，這表示短時間的負載並不會 使椎間核變性降解之椎間盤產生其它不可逆的反應。

椎間核變性降解 vs.椎間環斷裂. 當比較兩種椎間盤傷害對椎間盤動態性質 的影響時，我們發現共同點是兩種傷害都會改變動態性質隨負載時間的變化速 率，而不影響椎間盤在負載結束後的勁度值。這表示這兩種傷害都會增加椎間盤 的孔洞性，造成椎間盤受力時水分流失快速。但實驗顯示椎間核變性降解會降低 椎間盤的阻尼係數，但椎間環傷害並不會，這結果支持椎間核是椎間盤緩衝外力 的主要結構，並且顯示椎間核的化學組成是維持椎間盤緩衝外力的重要因子。當 椎間核基質與降解酵素作用而變性降解後，改變了水分與椎間核基質原本的鍵結 力，使椎間盤吸震能力減弱，故增加了外力對人體傷害的風險。

5-3 外生性交聯對椎間盤傷害的影響

孔洞性的回復. 外生性交聯產生後，使椎間盤的孔洞性降低，故減緩了椎間 核基質降解後產生的過度吸水現象，這可以從負載前的勁度值看出：椎間核降解 之椎間盤，原本勁度值顯著降低，但椎間核降解經外生性交聯修補後，負載前的 勁度值提升可以看出。當椎間盤孔洞性降低後，椎間盤內的水分便不易流出，因 此降低了椎間盤傷害後動態性質隨循環負載時間而變化的速率，這在椎間核基質

降解或椎間環傷害的實驗都可看到。Chuang 等人的實驗也顯示，外生性交聯可 修補椎間環上的穿刺傷，恢復椎間盤含養水分的功能⁴¹

勁度的回復. 從實驗結果可以發現，不論是椎間核變性降解還是椎間環斷 裂，外生性交聯對椎間盤傷害的勁度回復沒有顯著性幫助，甚至還會降低椎間盤 的勁度。從椎間盤斷裂的實驗結果可以看出，當椎間環纖維斷裂產生外生性交聯 後，椎間盤在循環負載前的勁度仍與正常值相同，可是經過循環負載後椎間盤勁 度反而比椎間環斷裂之椎間盤還要低，這結果與過去椎間盤交聯作用的實驗相 反，Chuang 等人顯示當椎間環交聯增加，其環向伸張應力(circumferential tensile modulus)和軸向伸張降伏應力(axial tensile yield stress)隨之變大⁴⁰。因此本實驗結 果很可能顯示交聯劑改變了原本纖維結構的連結方式，而這種鍵結對循環負載的 耐受度不佳，因此經過循環負載後，椎間環反而產生更多斷裂而導致勁度降低。

外生性交聯組織對循環負載耐受度不佳的現象與退化的椎間盤類似。椎間盤 退化後會產生膠原纖維替代原有健康的椎間核與椎間環，這些新生的膠原交聯為 醣化反應產物(glycation end product)，這種交聯產物使椎間盤彈性降低，變得硬、

脆，促使椎間環更易破裂，產生裂縫⁴⁷。本實驗中的椎間環破裂試樣是直接泡在 交聯劑溶液中，因此大部分的外生性交聯產生在椎間環的部分，而椎間核降解的 椎間盤試樣，交聯劑是注射入椎間盤內，因此交聯主要產生在椎間核、椎終板以 及內側椎間環。椎間環是椎間盤抵抗外力的主要部分，因此比較兩種椎間盤傷害 產生外生性交聯後椎間盤的勁度變化，可以發現椎間盤勁度降低的現象在椎間環 斷裂的試樣較明顯。

阻尼係數的回復. 根據以上的討論得知，降低阻尼係數的主要原因來自椎間 核的變性降解，而本實驗結果還顯示了，當椎間核經交聯修復後，椎間盤的阻尼 係數值明顯改善，不論是循環負載前或是循環負載期間，椎間盤的阻尼係數都比 椎間核變性降解前高，推測原因是外生性交聯修復了椎間盤內部蛋白質化合物間 的鍵結，使水分與細胞間質的鍵結力增強。而外生性交聯可能也降低了椎間盤的 孔洞性，使水分於循環負載期間流出椎間盤的速度變慢，因而降低阻尼係數隨負

載時間的變化速率，並且回復至與健康椎間盤相同的狀態。

相反的，椎間環斷裂經交聯修復後，阻尼係數值沒有改變，但因椎間環纖維 產生的新鍵結對循環負載的耐受度較差，而且強度變弱，因此推測在循環負載期 間，椎間盤產生新的孔洞，因此阻尼係數隨負載循環而降低的速度與椎間環未經 修復時相同，沒有改善。

5-4 實驗限制

大多數的椎間盤傷害都是由椎間盤內部開始產生，因為椎間核和內側椎間 環的機械強度較弱，而大部分的椎間盤細胞都位於椎間核，又椎間盤的新陳代 謝、組織汰舊換新都由椎間盤細胞所調控，故當椎間盤一受傷，這些細胞便會開 始分泌降解酵素，啟動組織的癒合過程。因此在活體內，僅單純椎間環斷裂而椎 間核基質沒有改變的傷害應該是不可能存在的。但由於椎間環和椎間核的功能不 同，因此本研究特將這兩種傷害單獨分離出來，以區分這兩種結構對椎間盤動態 性質的影響。若是在活體內的椎間盤傷害，那麼椎間盤的動態性質應是本實驗兩 種椎間盤傷害的綜合結果：椎間盤緩衝能力下降，並且於受力其間水分快速流失。

本實驗以天然交聯劑梔子素模擬人體椎間盤自行修復破壞組織產生的交 聯，其修補機制上與椎間盤自行修復並不相同。椎間盤受傷癒合的疤痕組織是纖 維母細胞分泌出來的膠原纖維，通常其含量豐富並且排列凌亂，已與原來的椎間 盤結構不同。梔子素對蛋白質化合物的交聯反應十分複雜，因此交聯出的蛋白質 化合物是否與膠原纖維類似有待未來實驗證明，再者本實驗的交聯作用的原料是 椎間盤內部已存在的蛋白質化合物，因此在數量上比新生疤痕組織低，推測強度 比真正纖維化的椎間盤低。但本實驗顯示由梔子素產生的交聯結構對疲勞負載的 低耐受度與椎間盤老化的情形雷同，因此以梔子素交聯來模擬組織纖維化仍有其 合理性。

本實驗所使用的試樣為六個月大的猪隻腰椎椎間盤，雖然猪隻的腰椎與人 的腰椎的幾何構造上有差異^48-50，但猪隻腰椎椎間盤與人的腰椎椎間盤的高度與

面積蠻相似的⁷，且本實驗會將猪隻的腰椎的後側椎骨、小面關節和肌肉軟組織 给移除，只單純對椎間盤受軸向負載後的變化做探討。因此，本文認為此實驗結

面積蠻相似的⁷，且本實驗會將猪隻的腰椎的後側椎骨、小面關節和肌肉軟組織 给移除，只單純對椎間盤受軸向負載後的變化做探討。因此，本文認為此實驗結