使用原子力显微镜（AFM）纳米力学测试方法，研究了脊柱中纤维环-终板界面处的多尺度机械异质性和结构梯度特征

《Journal of Biomechanics》：Multiscale mechanical heterogeneity and structural gradients in the annulus fibrosus–endplate interface in the spine characterized using AFM nanomechanical testing

　　

Jacob Zachary Chen|Hanwen Fan|Xiaqiu Xiao|Van Anh Nguyen|Yuxiao Zhou

摘要

椎间盘（IVD）–终板–椎体交界处构成了一个结构异质的软硬组织界面，该界面在脊柱载荷传递中起着重要作用，但其微观尺度的结构-力学异质性尚未得到充分理解。在此研究中，我们采用基于原子力显微镜（AFM）的纳米压痕技术，量化了健康年轻猪脊柱模型中纤维环（AF）和终板区域的表观弹性模量的空间变化。高分辨率形态学分析显示，纤维环内侧区域呈现出松散排列的纤维网络结构，而外侧区域则形成紧密堆积的层状结构。AFM纳米力学测量结果表明，层状和纤维尺度上存在异质性，局部刚度的变化与纤维的方向、聚集程度及几何形态有关。基于特征的分析进一步揭示了纤维环内侧区域中纤维结构与非纤维结构在力学响应上的差异。在纤维环、软骨终板（CEP）和骨性终板（BEP）区域进行的AFM测量显示，在当前测量条件下，这些组织的表观弹性模量分布存在明显差异。综上所述，这些观察结果突出了在当前测量条件下，纤维环–终板–椎体界面结构及局部力学响应的空间变化特征。