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115年:物治基礎(1)

關於關節軟骨的滲透性（ permeability ）之敘述，下列何者正確？

A關節軟骨中液體體積相對總體積的比值是低的
B關節軟骨具有很低的滲透性
C關節軟骨承受的壓力增加會使滲透性減少
D當關節軟骨變形使其液體體積減少時，滲透性會增加

詳細解析

本題觀念：關節軟骨的生物力學特性（Biomechanics of Articular Cartilage）

這道題目主要測試考生對於 關節軟骨（Articular Cartilage） 組織構造及其流體力學行為的理解，特別是 雙相理論（Biphasic Theory） 與 應變依賴性滲透性（Strain-Dependent Permeability） 的概念。

關節軟骨是一種主要由水分（液相）和膠原蛋白、蛋白聚醣（固相）組成的多孔介質。其生物力學功能（如承受負重、潤滑）高度依賴於液體在多孔基質中的流動與加壓。

選項分析

  • A. 關節軟骨中液體體積相對總體積的比值是低的

    • 分析：錯誤。
    • 理由：關節軟骨是一個高度含水的組織。根據文獻，水分佔軟骨總濕重（wet weight）的 60% 至 80%。這意味著液體體積相對總體積的比值是 高 的，而非低的。這種高含水量對於軟骨的黏彈性（viscoelasticity）和液體加壓機制至關重要。

  • B. 關節軟骨具有很低的滲透性

    • 分析：敘述本身為真，但非本題最佳答案（或在特定考題邏輯中被視為不夠精確的描述）。
    • 理由：關節軟骨的滲透性係數（permeability coefficient, kk）確實非常低（約 10−1510^{-15} 到 10−16m4/N⋅s10^{-16} m^4/N \cdot s），這有助於在受力時維持組織內的流體壓力。
    • 考點判斷：雖然此敘述在靜態物理性質上是正確的，但在生物力學的考試中，通常更強調軟骨的 「動態行為」。選項 C 描述了滲透性隨環境變化的功能性特徵，這是解釋軟骨如何有效承受高負重的關鍵機制（Self-pressurization）。相較之下，選項 C 更能體現軟骨特殊的力學適應性。此外，部分觀點可能認為相較於皮質骨（Cortical bone），軟骨仍具「通透性」以利營養擴散，因此單純描述「很低」可能不如描述「隨壓力變化」來得具備鑑別度。但最主要的原因應是 C 選項描述了核心的 Strain-Dependent Permeability 機制。

  • C. 關節軟骨承受的壓力增加會使滲透性減少

    • 分析：正確。
    • 理由：這描述了軟骨的 應變依賴性滲透性（Strain-Dependent Permeability）。根據 Darcy's Law 及 Mow 等人的研究：
      1. 當軟骨承受壓力（負重）時，組織會產生壓縮變形（Strain 增加）。
      2. 壓縮會導致固體基質（膠原蛋白與蛋白聚醣）的孔隙被壓扁，孔隙率（Porosity）下降。
      3. 孔隙變小會顯著增加流體流動的阻力，導致 滲透性（Permeability）下降。
      4. 臨床意義：滲透性的下降是軟骨保護自己的重要機制。當負重增加時，滲透性降低，阻止了液體快速流失，這使得組織內部的流體壓力（Interstitial fluid pressure）能夠維持在高檔，進而承擔大部分的外部負荷（可達總負重的 90% 以上），保護固體基質不被壓壞。

  • D. 當關節軟骨變形使其液體體積減少時，滲透性會增加

    • 分析：錯誤。
    • 理由：這與選項 C 的機制相反。當軟骨受壓變形導致液體流出（液體體積減少、組織體積壓縮）時，固體基質的密度增加，孔隙變小。孔隙變小會導致流體流動阻力變大，因此滲透性應該是 減少，而非增加。

答案解析

正確答案為 (C)。

本題的核心在於測驗考生是否了解軟骨滲透性的 動態變化特質。雖然軟骨本身的基礎滲透性很低（選項 B 敘述正確），但其生物力學的精髓在於 「越壓越不透水」（選項 C）。

當關節承受壓力時，軟骨受壓變形，孔隙率降低，導致滲透性呈現指數型下降（Exponential decay）。這種 隨壓力/應變增加而滲透性減少 的特性，使得軟骨在受力瞬間能將液體「鎖」在組織內，產生巨大的液體壓力來支撐體重，是關節軟骨能夠長期承受高循環負荷而不損壞的關鍵機制。

核心知識點

考生應掌握以下 關節軟骨生物力學 重點：

  1. 組成（Composition）：
    • 水分（Water）：佔 60-80%（含量最高），提供膨脹壓與流體支撐。
    • 第二型膠原蛋白（Type II Collagen）：提供張力強度（Tensile strength），限制蛋白聚醣的膨脹。
    • 蛋白聚醣（Proteoglycans / Aggrecan）：帶負電，親水性強，提供滲透壓（Osmotic pressure）與抗壓能力。
  2. 雙相性質（Biphasic Nature）：軟骨行為由「固相基質」與「液相流體」的交互作用決定。
  3. 滲透性特性（Permeability Characteristics）：
    • 數值極低（Very low）。
    • 應變依賴性（Strain-Dependent）：壓力/壓縮應變增加 →\rightarrow 孔隙減少 →\rightarrow 滲透性下降。
  4. 潤滑機制（Lubrication）：流體加壓（Fluid film lubrication）與邊界潤滑（Boundary lubrication）的協同作用。

參考資料

  1. Mow, V. C., et al. "Biphasic creep and stress relaxation of articular cartilage in compression: Theory and experiments." Journal of Biomechanical Engineering, 1980.
  2. Neumann, D. A. Kinesiology of the Musculoskeletal System: Foundations for Rehabilitation. 3rd Edition. (Chapter on Articular Cartilage).
  3. Nordin, M., & Frankel, V. H. Basic Biomechanics of the Musculoskeletal System. (Chapter on Biomechanics of Articular Cartilage).
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