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有限元法在脊柱胸腰段骨折生物力学分析中的应用及发展方向

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中国组织工程研究 2025年第15期29卷 3244-3252页

作者：贺凯邢文华李峰刘胜祥白贤明周晨高旭乔宇何强高志宇郭圳包阿如汗李查德内蒙古医科大学内蒙古自治区呼和浩特市010110 内蒙古医科大学第二附属医院内蒙古自治区呼和浩特市010020 呼和浩特市第一医院内蒙古自治区呼和浩特市010030

背景:脊柱骨折最高发部位是胸腰段,其症状为后背部疼痛、后凸畸形、活动受限,或伴脊髓神经损伤引发下肢疼痛、麻木甚至截瘫等并发症。有限元法是一种数字化的计算机建模技术,能真实模拟实物模型并进行受力分析。目的:综述有限元法在脊... 详细信息

背景:脊柱骨折最高发部位是胸腰段,其症状为后背部疼痛、后凸畸形、活动受限,或伴脊髓神经损伤引发下肢疼痛、麻木甚至截瘫等并发症。有限元法是一种数字化的计算机建模技术,能真实模拟实物模型并进行受力分析。目的:综述有限元法在脊柱胸腰段骨折中的应用。方法:在中英文文献数据库PubMed、Web of Science、中国知网中检索2024年3月之前发表的有限元分析法在脊柱胸腰段骨折中应用的相关文献,中英文检索词为“有限元分析法(finite element analysis methods)”“生物力学(biomechanical phenomena)”“应力分析(stress analysis)”“胸腰椎骨折(thoracolumbar fractures)”“脊柱骨折(spinal fractures)”,最终纳入55篇文献。结果与结论:①通过有限元法对不同病因(骨质疏松性、创伤性、病理性)导致的胸腰椎骨折进行探索,有利于对各种类型胸腰椎骨折的生物力学特征有更加深刻的认识,完善对胸腰椎骨折的个性化和精细化治疗;②单一样本或数量较少样本的有限元分析具有偶然性,未来的有限元分析需要更大的样本数量来减少样本偶然性带来的误差;③仅骨骼的刚性结构不能满足实物的完整性所具有的生物力学工况,未来的有限元模型需要尽可能纳入实物的所有结构(例如肌肉、韧带等软组织);④有限元法在骨质疏松性和创伤性胸腰椎骨折方面的研究较多,未来需要进行更加深入的研究;病理性胸腰椎骨折领域的研究较少,未来研究范围较广。

关键词：脊柱骨折胸腰椎骨折有限元分析法生物力学应力分析综述

有限元法构建退行性脊柱侧弯模型:病因与治疗中的生物力学分析

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中国组织工程研究 2025年第3期29卷 572-578页

作者：贺凯邢文华刘胜祥白贤明周晨高旭乔宇何强高志宇郭圳包阿如汗李查德内蒙古医科大学内蒙古自治区呼和浩特市010110 内蒙古医科大学第二附属医院内蒙古自治区呼和浩特市010020 呼和浩特市第一医院内蒙古自治区呼和浩特市010030

背景:退行性脊柱侧弯是指发生在成年之后,脊柱冠状面Cobb角度>10°伴有矢状面畸形和旋转脱位,常常产生脊髓、神经受压症状,如腰疼、下肢疼痛、麻木、无力、神经源性跛行等。有限元法是一种计算机建模的力学分析技术,通过建立数字化网格... 详细信息

背景:退行性脊柱侧弯是指发生在成年之后,脊柱冠状面Cobb角度>10°伴有矢状面畸形和旋转脱位,常常产生脊髓、神经受压症状,如腰疼、下肢疼痛、麻木、无力、神经源性跛行等。有限元法是一种计算机建模的力学分析技术,通过建立数字化网格模型,能真实还原人类脊柱模型并可进行脊柱力学研究。目的:综述有限元法在退行性脊柱侧弯病因及治疗中的应用。方法:在文献数据库中国知网、PubMed、Web of Science中检索2023年10月之前发表的有关有限元分析法在退行性脊柱侧弯中应用的文献,英文检索词为finite element anaysis,biomechanics,stress analysis,degenerative scoliosis,adult spinal deformity,中文检索词为有限元分析法、生物力学、应力分析、退变性脊柱侧凸、成年性脊柱侧凸。最终纳入文献54篇。结果与结论:①运用有限元法构建的退行性脊柱侧弯模型得出的生物力学研究结果,与体内试验研究结果相同,证明有限元法在退行性脊柱侧弯中具有较高的实用价值;②通过有限元法对退行性脊柱侧弯的病因与治疗进行研究,有利于预防其发生、减缓其进展、制定出更合适的治疗方案、减少手术并发症出现、促进患者术后康复等;③有限元法从材料单一的骨性结构逐渐发展到纳入肌肉韧带等软组织的阶段,且小样本含量越来越无法满足研究需要;④有限元法在退行性脊柱侧弯领域有较大的发展空间。

关键词：退行性脊柱侧弯成人性脊柱侧弯有限元分析法生物力学应力分析综述

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不同坡位对荒漠草原植物群落特征的影响

东北林业大学学报 2025年第1期53卷 15-22页

作者：宁璐要振宇高天明穆文奎达古拉张增宝刘心宇赵天启刘静杨振奇水利部牧区水利科学研究所呼和浩特010020 呼和浩特市气象局鄂尔多斯市水利事业发展中心

荒漠草原是草原生态系统重要的组成部分,也是草原区向荒漠区过渡地带,物种多样性和生产力较低,并且随着生态环境的恶化,荒漠草原荒漠化程度不断加剧,对植物的生长及群落分布产生重要影响。为了解不同坡位对荒漠草原植被群落结构特征的影... 详细信息

荒漠草原是草原生态系统重要的组成部分,也是草原区向荒漠区过渡地带,物种多样性和生产力较低,并且随着生态环境的恶化,荒漠草原荒漠化程度不断加剧,对植物的生长及群落分布产生重要影响。为了解不同坡位对荒漠草原植被群落结构特征的影响,以希拉穆仁荒漠草原作为研究区,在无人为干扰活动的荒漠草原围封区内,选择坡度25°的3块长方形样地(300 m×100 m),分别在3块长方形样地的坡上、坡中、坡下分别设置1 m×1 m的样方,调查记录每个样方内植被的种名(科、属、种)、植被的高度、密度等,通过野外调查数据,分析不同坡位对荒漠草原植物群落区系特征和结构特征的影响。结果表明:野外调查共统计植物39种,隶属22科33属;生活型以多年生草本为主,总计34种,占物种总数的87.18%;水分生态类型以旱生植物为主,总计27种,占物种总数的69.23%;地理成分以东古北极分布种为主,总计17种,占物种总数的43.58%。受坡位的影响,植被盖度、建群种高度、群落生产力、Shannon-Wienner指数和Simpson指数由大到小的顺序均为坡下、坡中、坡上,Pielou指数由大到小的顺序为坡上、坡中、坡下。

关键词：荒漠草原坡位植物群落区系植物群落特征

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椎间盘退变中胶原蛋白的代谢失衡

中国组织工程研究 2025年第14期29卷 3011-3019页

作者：董亦直宋鑫越姚鸣宇朱赫吴瑞霞都亚新祝勇内蒙古医科大学内蒙古自治区呼和浩特市010107 北京大学肿瘤医院内蒙古医院内蒙古自治区呼和浩特市010000

背景:腰椎间盘退行性疾病是导致腰痛和下肢神经症状的常见疾病。胶原代谢的平衡在维持椎间盘的稳定中发挥着重要的作用。目的:对椎间盘退变中胶原蛋白代谢失衡的研究进展作一综述。方法:由第一作者在中国知网、PubMed、Web of Science... 详细信息

背景:腰椎间盘退行性疾病是导致腰痛和下肢神经症状的常见疾病。胶原代谢的平衡在维持椎间盘的稳定中发挥着重要的作用。目的:对椎间盘退变中胶原蛋白代谢失衡的研究进展作一综述。方法:由第一作者在中国知网、PubMed、Web of Science数据库中检索2024年5月之前发表的相关文章,中文检索词为“椎间盘退变疾病”“胶原代谢”“胶原酶家族”“胶原合成相关因子”“细胞因子”,英文检索词为“degenerative disc disease”“Collagen metabolism”“Collagenase family”“Collagen synthesis related factors”“Collagen breakdown related factors”。最终纳入76篇文献进行综述。结果与结论:在椎间盘退变的过程中,胶原蛋白代谢的平衡在维持正常椎间盘的稳定中起到至关重要的作用。当椎间盘发生退变时,椎间盘内分泌大量促炎因子、胶原酶,并发生氧化应激反应等,使椎间盘内胶原蛋白分解增加,同时抑制生长因子、胶原蛋白合成酶、胶原蛋合成相关因子的生成,使椎间盘内胶原蛋白合成减少。上述两种情况共同作用使椎间盘内胶原蛋白的代谢平衡被打破,进一步加剧了椎间盘退变的进程。

关键词：腰椎间盘退行性疾病胶原代谢胶原酶家族胶原合成相关因子胶原分解相关因子综述

儿童颈项部腧穴三维数字可视化系统研发与应用

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中国组织工程研究 2025年第9期29卷 1834-1840页

作者：奥晓静李琨刘宇航杨潇暄王星李志军任小燕张少杰内蒙古医科大学中医学院内蒙古自治区呼和浩特市010110 内蒙古医科大学基础医学院解剖学教研室内蒙古自治区呼和浩特市010110 内蒙古医科大学研究生院内蒙古自治区呼和浩特市010000 内蒙古触点数字科技有限公司内蒙古自治区呼和浩特市010020 内蒙古医科大学数字医学中心内蒙古自治区呼和浩特市010059 内蒙古医科大学附属医院内分泌科内蒙古自治区呼和浩特市010059

背景:目前已有成人腧穴三维数字化、可视化系统的相关研究,但基于真实儿童数字化断层解剖数据集对儿童腧穴可视化相关的研究报道并不多见。目的:设计研发儿童颈项部腧穴数字三维可视化系统,为针灸学、经络腧穴学教学、针灸临床、针刺施... 详细信息

背景:目前已有成人腧穴三维数字化、可视化系统的相关研究,但基于真实儿童数字化断层解剖数据集对儿童腧穴可视化相关的研究报道并不多见。目的:设计研发儿童颈项部腧穴数字三维可视化系统,为针灸学、经络腧穴学教学、针灸临床、针刺施术手法练习及针刺安全性研究提供依据,并为研发儿童腧穴仿真系统提供基础。方法:基于真实学龄前男童断层解剖数据集,运用PhotoShop 2021与Digihuman Reconstruction System软件完成儿童颈项部三维数字化虚拟解剖模型及内部多器官三维重建;通过Unity数据库语言编制风府、风池等11个腧穴的数据库;在Unity3D软件中整合儿童颈项部解剖立体模型、腧穴数据库及编写针刺操作代码,成功创建集仿真腧穴定位、三维腧穴解剖、针刺训练、临床教学及针刺安全性研究等多功能于一体的儿童颈项部腧穴三维数字可视化系统。结果与结论:①该研究基于真实儿童标本,采用手动逐层分割断面图像法以最大程度确保3D模型精度。使用3D软件Digihuman Reconstruction System提取和保存独立分割数据,与PhotoShop 2021软件共同完成儿童颈项部外层皮肤与其内部骨性结构、颈部脊髓、血管和神经、肌肉及韧带等数十个三维重建解剖结构模型。于MeshLab软件中完成各独立结构基本形态和整体轮廓完整性核验工作,并利用3-maticresearch13.0软件进行最终精细化调校及解剖位置确认,成功模拟还原学龄前儿童颈项部真实解剖形态。②依据并参考中华人民共和国国家标准收集整理儿童颈项部常用腧穴的名称、所属经脉、定位、局部解剖、进针层次、针刺方法、针刺意外与预防、腧穴主治、二维解剖断层图像等8个方面内容形成腧穴数据库。③运用Unity3D软件将儿童颈项部三维模型、针刺模拟操作和腧穴数据库三者整合,成功构建三维数字儿童颈项部腧穴可视化系统。该系统可显示儿童颈项部腧穴的信息、二维三维解剖结构,并实现了儿童颈项部腧穴的二维、三维针刺模拟功能及针刺安全性研究功能。基于真实儿童标本超薄断层解剖数据集,构建了首个儿童颈项部腧穴三维数字化、可视化系统,较既往腧穴系统更贴合亚洲儿童的解剖形态学发育特点,在针刺安全性研究、临床教学及针刺模拟训练等领域具有极高的应用价值。

关键词：腧穴三维可视化断层解剖仿真系统儿童

儿童颈椎神经弓中心软骨联合形态发育的数字解剖学特征

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中国组织工程研究 2025年第15期29卷 3138-3146页

作者：伊钰营孙瑞芬尹兆正李磊张凤珍李梓瑜李琨任小燕王星张少杰内蒙古医科大学研究生院内蒙古自治区呼和浩特市010110 内蒙古医科大学第二附属医院影像中心内蒙古自治区呼和浩特市010000 内蒙古医科大学基础医学院人体解剖教研室内蒙古自治区呼和浩特市010110 内蒙古医科大学数字医学中心内蒙古自治区呼和浩特市010110 内蒙古医科大学附属医院内分泌科内蒙古自治区呼和浩特市010050

背景:随着国内外学者对儿童颈椎相关疾病重视程度的提升,探知不同年龄儿童颈椎形态发育解剖学指标及变化规律的需求不断提高。目的:通过测量1-6岁儿童C_(2)-C_(7)神经弓中心软骨联合解剖学位置指标,探讨及分析儿童不同年龄和椎序间形态... 详细信息

背景:随着国内外学者对儿童颈椎相关疾病重视程度的提升,探知不同年龄儿童颈椎形态发育解剖学指标及变化规律的需求不断提高。目的:通过测量1-6岁儿童C_(2)-C_(7)神经弓中心软骨联合解剖学位置指标,探讨及分析儿童不同年龄和椎序间形态发育的变化规律。方法:回顾性收集了省级三甲医院1-6岁儿童正常颈椎CT影像资料160例,按照1周岁为一个年龄组分6组,将连续扫描的颈椎断层影像原始数据导入Mimics 16.0软件中,在二维图像窗口下,选择Measurements测量工具分别在冠状面及横断面上对颈椎C_(2)-C_(7)节段神经弓中心软骨联合的解剖学位置指标进行测量和分析。结果与结论:①C_(2)-C_(7)神经弓中心软骨联合两侧间距离、神经弓中心软骨联合左右侧与横突的距离均随着年龄增长逐渐增大,各颈椎节段椎骨整体发育较神经弓中心软骨联合骨化速度快;②C_(2)-C_(7)神经弓中心软骨联合两侧横断面夹角随年龄增长逐渐增大、神经弓中心软骨联合左右侧与椎体前后缘的夹角均逐渐减小,颈椎节段神经弓中心软骨联合两侧趋于向椎弓部位生长,主要促进椎弓的生长发育;③除C_(7)以外,其他椎段随着颈椎下行神经弓中心软骨联合两侧冠状面夹角变化较小,颈椎的神经弓中心软骨联合更偏向于纵向生长与骨化;④C_(7)的神经弓中心软骨联合位置变化与其余颈椎节段有明显差异;⑤儿童C_(2)-C_(7)神经弓中心软骨联合位置解剖学指标在不同年龄段和不同椎体之间有明显发育规律,且这些规律有助于儿童颈椎疾病的临床诊断与治疗。

关键词：儿童颈椎颈椎疾病神经弓中心软骨联合形态发育

有限元分析技术在膝关节生物力学应用中的特点与优势

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中国组织工程研究 2025年第15期29卷 3253-3261页

作者：郭欢萱康志杰白小龙田晓燕金凤内蒙古医科大学附属医院影像诊断科内蒙古自治区呼和浩特市010010 内蒙古医科大学研究生院内蒙古自治区呼和浩特市010010

背景:有限元分析是一种先进的计算机工程技术,利用数学近似的方法对真实人体进行模拟,可以真实反映膝关节结构内部的生物力学特征,为理解膝关节疾病发病机制、优化手术方案以及开发新型植入材料提供了有效的工具。目的:对膝关节有限元... 详细信息

背景:有限元分析是一种先进的计算机工程技术,利用数学近似的方法对真实人体进行模拟,可以真实反映膝关节结构内部的生物力学特征,为理解膝关节疾病发病机制、优化手术方案以及开发新型植入材料提供了有效的工具。目的:对膝关节有限元模型的建立及其在膝关节疾病研究中的应用进行综述,并展望了未来的发展趋势。方法:第一作者于2024年4月以“Finite Element Analysis,FEA,knee joint,Finite Element Model,Knee Biomechanics,Knee Osteoarthritis,Knee Prosthesis,Knee Ligaments,Meniscus”为英文检索词在PubMed和EI数据库进行检索,以“有限元分析,有限元模型,膝关节,生物力学,骨关节炎,计算模型,膝关节假体,膝关节韧带,半月板”为中文检索词在中国知网和万方数据库进行检索,最终纳入75篇文献进行分析。结果与结论:①有限元分析法利用医学影像数据获得三维人体模型,将复杂的人体关节结构简化为有限且相互连接的单元,通过对模型施加外部载荷,直观地显示膝关节内部的应力分布。②研究者通过有限元分析深入研究膝关节在不同工况下的内部应力和应变分布,可发现膝关节内部载荷分配平衡改变时,关节软骨的过度载荷及部分区域的负荷下降,这种长期异常应力会引起软骨变形和磨损,最终缺失,对于理解生物力学因素如何引起膝关节退行性变至关重要。③有研究通过有限元分析评估膝骨关节炎患者采用太极拳、步态调整等物理治疗方法的效果,结果显示这些治疗方法减少了软骨的过度负荷,为临床治疗提供了科学理论依据。④临床医生通过有限元分析在手术前进行三维重建、数据测量和模拟手术,能够优化手术治疗策略;此外,还可以通过模拟不同假体的力学特征,改进假体的形状、材料和固定方式,减少患者的并发症,提高患者的治疗效果。⑤人工智能与有限元分析相结合使得有限元模型的构建更为精确和易于操作,极大提高了临床医生医疗实践的效率和患者的治疗效果。⑥有限元分析仅是数字化的模拟,与真实物理状态仍存在一定差异。

关键词：膝关节关节软骨半月板生物力学有限元分析有限元模型膝骨关节炎关节置换人工智能综述

13-18岁青少年颈椎关节突关节发育特征的数字化三维形态分析

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中国组织工程研究 2025年第21期29卷 4486-4491页

作者：李贵花和雨洁史君李琨张少杰刘路李志军王星内蒙古自治区监狱管理局第一医院内蒙古自治区呼和浩特市010000 内蒙古医科大学基础医学院解剖学教研室内蒙古自治区呼和浩特市010110 内蒙古医科大学基础医学院生理学教研室内蒙古自治区呼和浩特市010110 内蒙古医科大学基础医学院数字医学中心内蒙古自治区呼和浩特市010110

背景:颈椎关节突关节作为颈椎后柱的重要解剖结构,在颈部活动、应力传导以及维持颈椎稳定性中发挥重要的作用。近年来通过解剖学和生物力学研究表明,颈椎关节突关节不对称可引起关节突关节的退变,颈椎关节突关节的退变可能是引起青年人... 详细信息

背景:颈椎关节突关节作为颈椎后柱的重要解剖结构,在颈部活动、应力传导以及维持颈椎稳定性中发挥重要的作用。近年来通过解剖学和生物力学研究表明,颈椎关节突关节不对称可引起关节突关节的退变,颈椎关节突关节的退变可能是引起青年人颈椎退变的主要原因。现有研究多集中在成人,国内对于学龄前儿童、学龄期儿童也有报道,而对于青少年颈椎小关节形态相关参数鲜有报道。目的:通过三维重建青少年颈椎关节突关节,测量其相关形态参数,并与儿童和成年人进行比较分析,探讨颈椎小关节形态发育的增龄变化规律,为临床颈椎小关节源性颈椎病的诊治和预防提供理论依据。方法:选择13-18岁青少年62例,行颈椎螺旋CT扫描后三维重建,要求无骨质破坏、肿瘤、畸形、骨折等,椎骨形态结构未发生改变,既往无脊柱相关手术,监护人对试验方案知情同意。按年龄分组,A组年龄为13-14岁,B组年龄为15-16岁,C组年龄为17-18岁。对各组青少年进行C_2-C_7关节突关节相关形态测量及统计分析。结果与结论:(1)3组关节突关节面高和关节面宽在随椎序的变化中,分别呈递减和递增趋势,下关节突关节面的高和宽均大于上关节面的相应指标;(2)关节突关节内高在3组年龄中,最小值均位于C5,且与年龄呈正相关变化;(3)关节突关节面间隙在3组中,A组C_(4-5)、B组C_(3-4)和C组C_(4-5)明显大于各组其余间隙;A、B组除C_(4-5)外,其余无显著性差异;C组除C_(2-3)其余椎序间关节面间隙均明显大于A、B组;(4)提示颈椎关节突关节面的形态随椎序的增加,逐渐由圆形过渡到椭圆形;在组间比较中,关节面高较关节面宽受年龄影响明显;各节段下关节面的面积均大于上关节面的面积,仅在C_(4-5)和C_(5-6)形态和面积有显著性差异;加之关节突关节内高最小值均位于C5,关节突关节面间隙明显增宽处也主要位于C_(3-4)和C(_4-5),因此颈椎失稳多发生于中位节段。

关键词：青少年颈椎关节突关节数字化形态三维重建

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自体黄韧带干预下兔硬膜外纤维瘢痕的形成

中国组织工程研究 2025年第6期29卷 1168-1175页

作者：张德宝王鹏李琨张少杰李志军李树文吴一民内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科中心内蒙古自治区呼和浩特市010000 内蒙古医科大学解剖学教研室内蒙古自治区呼和浩特市010000

背景:临床已证实,腰椎术后纤维瘢痕与硬膜或神经根粘连是造成术后疼痛及麻木等症状的重要因素。目的:验证自体黄韧带抑制腰椎术后硬膜外纤维瘢痕形成及探究可能的分子生物学机制。方法:选择6-8月龄的日本大白兔48只,利用随机数字表将兔... 详细信息

背景:临床已证实,腰椎术后纤维瘢痕与硬膜或神经根粘连是造成术后疼痛及麻木等症状的重要因素。目的:验证自体黄韧带抑制腰椎术后硬膜外纤维瘢痕形成及探究可能的分子生物学机制。方法:选择6-8月龄的日本大白兔48只,利用随机数字表将兔分为3组:黄韧带保留组、黄韧带不保留组、自体脂肪回置组(脂肪组)。3组兔均建立腰椎椎板切除术模型,于造模后3,6周收集兔硬膜外组织,采用苏木精-伊红染色观察组织变化及成纤维细胞数量密度,VG染色观察胶原纤维面积百分比,免疫组化观察转化生长因子β1、Smad3蛋白的表达。结果与结论:①苏木精-伊红染色结果:黄韧带保留组成纤维细胞较少且排列疏松,黄韧带不保留组和脂肪组成纤维细胞数量较多且排列紧密,术后3,6周黄韧带保留组成纤维细胞数量密度小于黄韧带不保留组和脂肪组(P<0.05),而黄韧带不保留组和脂肪组之间比较并未有明显差异;②VG染色结果:黄韧带保留组胶原纤维稀疏且分布不均,而黄韧带不保留组与脂肪组可见大量红色胶原纤维聚集;术后3,6周黄韧带保留组胶原纤维面积百分比小于黄韧带不保留组和脂肪组(P<0.05),而黄韧带不保留组与脂肪组之间无明显差异;③免疫组化结果:黄韧带保留组蛋白阳性着色程度明显弱于其余两组;术后3,6周黄韧带保留组转化生长因子β1、Smad3吸光度值显著低于其余两组(P<0.05),而黄韧带不保留组和脂肪组之间无显著差异;④结果说明,腰椎手术后均会存在不同程度的硬膜外纤维瘢痕的形成。若在术中保留自体黄韧带,可有利于减少硬膜外成纤维细胞数量以及胶原纤维的形成,从而减轻纤维瘢痕组织与硬膜囊、神经根的粘连,其机制不仅为单纯的机械阻隔作用,同时也可通过干预转化生长因子β1/Smad3信号通路来减少硬膜外纤维瘢痕的形成。

关键词：腰椎黄韧带纤维瘢痕 TGF-β1/Smad3 信号通路成纤维细胞兔