胶原蛋白(Collagen)和蛋白多糖(PG)是关节软骨(AC)内除水外含量最多的两种成分,占关节软骨干重的90%以上。两者的有机组合保持了关节软骨中水的含量与滑液的离子交换,保证了关节软骨的弹性、耐压性和持久性等机能,其含量及结构的变化也被认为是早期骨关节炎(OA)的主要表现。傅里叶变换红外光谱显微成像技术(FTIRI)可以在高分辨率下获得样品的组成和结构信息,已开始深入应用到生物医学光子学研究领域,国内外也有利用FTIRI结合化学计量学方法对胶原(蛋白)纤维和蛋白多糖含量及结构(各向异性)研究和关节软骨病变识别的报道。衰减全反射技术(ATR)是近20年FTIR技术中较新采用的测量方法,具有样品处理方法简单,不破坏样品,可直接用于测定含水样品等优点。而采用红外波导传感器技术通过插入活检针或导管的方法进行在线和实时测量,以实现可视信息和红外光谱数据结合在一起用于微创医学(内窥镜)和开放手术,进而获得更丰富的组织信息的理念和技术恰是21世纪两种极具吸引力的理念和手术技术。通过对上述研究报道分析总结,为使红外光谱技术能够更好的应用于关节炎及关节软骨的研究,本文基于红外光谱技术对关节软骨主成分含量和结构的表征及在体检测方法进行了探究,并获得了具有一定创新性的成果。首先,本文对多组软骨切片进行FTIRI成像及红外光谱分析,采用特征峰强度积分法和二次求导方法分别对两种主成分的特征带(Amide I,II,III and Sugar)进行表征和定性分析,给出两种主成分或特征基团含量随软骨深度的变化关系;再使用主成分回归方法定量计算两种主成分的浓度,将以上定性和定量计算的结果进行相关性研究。结果显示Amide I和Amide II特征峰的积分强度和胶原蛋白浓度的相关性最高,适合用于定性表达胶原蛋白的含量及其随深度的变化;二次求导后Sugar带强度与蛋白多糖浓度的相关性最高,适于定性表达蛋白多糖的含量及其随深度的变化。Amide III带积分和二次求导强度既不适合表征胶原蛋白也不适合表征PG的含量。其次,基于上述结论,进一步将FTIRI与偏光技术相结合研究关节软骨经福尔马林溶液浸泡后,软骨内胶原(蛋白)纤维的特征吸收峰(Amide I,Amide II带)的吸光度随浸泡时间及偏光角度的变化,探究常用于固化软骨组织样本的福尔马林溶液对软骨组织结构即胶原(蛋白)纤维各向异性的影响,并利用与各向异性拟合得到的决定系数(R2)对胶原(蛋白)纤维各向异性程度进行定量分析。研究发现,关节软骨Amide I和Amide II带的各向异性随着浸泡浸泡时间的增长而愈加明显(Amide I带变化尤为明显),说明福尔马林溶液中甲醛分子诱发了胶原蛋白分子新的交联,最终获得较好的固化效果,有利于关节软骨的各向异性(结构)分析。最后,除了开展对关节软骨主成分含量表征及结构分析方法研究,还进行了红外光谱学在生物医学领域应用的技术研究和开发,即基于FTIR、ATR和中红外光纤技术设计了一种操作灵活、方便,适于原位检测的中红外空心光纤ATR探头测量装置,包括灵活且便于操作的中红外空心光纤ATR耦合探头以及其与FTIR光谱仪相耦合的光路耦合装置。光谱仪通过利用该光纤ATR探头测量装置可以实现包括关节软骨在内的生物组织的灵活快速的红外光谱测量,极大地拓展了ATR光谱测量技术在生物医学领域中的应用。综上所述,本文为关节软骨和关节炎的早期研究提供了一种更加快捷实用的主成分含量和结构表征方法及原位光谱测量手段。这两种技术的联用有潜力成为一种新型骨关节炎和关节软骨的研究和诊断工具,有利于早期骨关节炎的判断和修复检测,同时也适用于其它疾病的监测和诊断。