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114年:物治基礎(2)

關於關節軟骨在進行張力測試時的敘述，下列何者正確？

A取自垂直分裂線（split line）方向的樣本的強度，高於平行分裂線方向的樣本的強度
B取自關節軟骨深層的樣本的強度，高於淺層樣本的強度
C應力應變曲線在初始趾區（toe region）有大的應變量是因為蛋白多醣被拉扯變形的結果
D關節軟骨的黏彈表現主要是內部聚合體移動的摩擦及組織液流動所造成

詳細解析

本題觀念：

本題主要測驗 關節軟骨（Articular Cartilage）的生物力學特性，特別是其**張力特性（Tensile Properties）與黏彈性（Viscoelasticity）**的成因。這涉及軟骨的膠原蛋白排列、分層結構以及固-液雙相（biphasic）特性。

選項分析

  • A. 取自垂直分裂線（split line）方向的樣本的強度，高於平行分裂線方向的樣本的強度

    • 錯誤。
    • **分裂線（Split lines）**代表了關節軟骨表層膠原蛋白纖維（Collagen fibers）的主要排列方向。
    • 根據材料力學原理，纖維增強材料在「平行」於纖維方向的抗拉強度最大。
    • 研究證實，平行於分裂線方向的軟骨樣本，其抗拉強度（Tensile strength）與剛性（Stiffness）皆高於垂直方向的樣本。此為軟骨的**各向異性（Anisotropy）**特徵。

  • B. 取自關節軟骨深層的樣本的強度，高於淺層樣本的強度

    • 錯誤。
    • 關節軟骨分為淺層（Superficial zone）、中層（Middle zone）與深層（Deep zone）。
    • 淺層（10-20%）：膠原蛋白含量最高，且纖維緊密並平行於關節表面排列，專門用來抵抗剪力與張力。因此，淺層的抗拉強度最高。
    • 深層：膠原蛋白纖維垂直於骨面排列，且含量相對較低，主要負責抵抗壓力並錨定於軟骨下骨。其抗拉強度明顯低於淺層。
    • 強度順序通常為：淺層 > 中層 > 深層。

  • C. 應力應變曲線在初始趾區（toe region）有大的應變量是因為蛋白多醣被拉扯變形的結果

    • 錯誤。
    • 軟骨的張力應力-應變曲線（Stress-Strain Curve）分為趾區（Toe region）、線性區（Linear region）與破壞區。
    • 趾區（Toe region）：此階段剛性低（應力小但應變大），主要機制是膠原蛋白纖維的「解捲曲」（Uncrimping）與重新排列。在未受力時，膠原纖維呈波浪狀（Crimped），拉伸初期只是將其拉直，而非拉伸纖維本身，故阻力小。
    • 線性區：當纖維被拉直後，開始抵抗拉伸，剛性急劇上升。
    • 蛋白多醣（Proteoglycans）的主要功能是提供滲透壓以抵抗壓力（Compression），在張力測試的初始階段並非主要貢獻者（儘管它們會阻礙纖維重排速率，但不是造成「大應變量」的主因）。

  • D. 關節軟骨的黏彈表現主要是內部聚合體移動的摩擦及組織液流動所造成

    • 正確。
    • 關節軟骨的黏彈性（Viscoelasticity）（即蠕變 Creep 與應力鬆弛 Stress Relaxation）由兩種主要機制共同作用產生：
      1. 流動依賴機制（Flow-dependent mechanism）：受力時，組織間液（Interstitial fluid）在多孔的固體基質中流動，產生巨大的摩擦阻力（Frictional drag）。這是軟骨黏彈性的主要來源。
      2. 非流動依賴機制（Flow-independent / Intrinsic mechanism）：來自固體基質（膠原蛋白-蛋白多醣網絡）本身的特性，即大分子聚合體在變形時，內部分子鏈之間的摩擦與移動（Internal friction of the polymer matrix）。
    • 選項描述的「內部聚合體移動的摩擦」（Flow-independent）與「組織液流動」（Flow-dependent）精確涵蓋了這兩大機制。

答案解析

正確答案：D

本題 D 選項正確描述了軟骨黏彈性的物理機制。軟骨被視為雙相材料（Biphasic material），其受力反應取決於液體相的流動（造成流體摩擦阻力）以及固體相本身的黏彈特性（高分子基質的內部摩擦）。A、B 選項搞反了軟骨的生物力學梯度與方向性（應是平行強於垂直、淺層強於深層）；C 選項錯誤歸因了 Toe region 的成因（應為膠原蛋白拉直，而非蛋白多醣變形）。

核心知識點

考生應掌握關於 關節軟骨（Articular Cartilage） 的以下生物力學重點：

  1. 主要成分功能：
    • 膠原蛋白（Type II Collagen）：提供張力強度（Tensile strength）。含量與排列決定張力特性。
    • 蛋白多醣（Proteoglycans/Aggrecan）：親水性強，提供抗壓能力（Compressive stiffness）。
  2. 分層結構與力學特性（Zonal Variations）：
    • 淺層（Superficial Zone）：膠原纖維平行表面，抗拉強度最高。
    • 深層（Deep Zone）：膠原纖維垂直表面，抗拉強度較低。
  3. 各向異性（Anisotropy）：
    • 平行於**分裂線（Split lines）**方向的強度 > 垂直方向。
  4. 張力-應變曲線（Tensile Stress-Strain Curve）：
    • Toe region：膠原纖維解捲曲（Uncrimping），剛性低。
    • Linear region：膠原纖維被拉伸，剛性高。
  5. 黏彈性機制（Viscoelasticity）：
    • Flow-dependent：液體流動阻力（主要）。
    • Flow-independent：固體基質內部摩擦。

參考資料

  1. The Biomechanics of Cartilage—An Overview. NIH National Library of Medicine. 2021. (Confirming viscoelastic mechanisms: flow-dependent and flow-independent).
  2. Deformation and failure of cartilage in the tensile mode. Journal of Anatomy. (Confirming tensile strength is higher parallel to split lines and in superficial zones; Toe region is collagen reorganization).
  3. Nonlinear Tensile Properties of Bovine Articular Cartilage. Journal of Biomechanical Engineering. (Confirming depth-dependent tensile stiffness: Superficial > Deep).
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