内侧副韧带不同程度损伤时膝关节的应力变化

doi:10.12307/2024.660

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (33): 5270-5275.doi: 10.12307/2024.660

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

内侧副韧带不同程度损伤时膝关节的应力变化

姜亚琼1，路坦1，徐彪1，杨骏良1，阴玉娇2

新乡医学院第一附属医院，1关节与创伤外科一病区，新乡市骨关节退行性疾病研究重点实验室，2手术一部，河南省卫辉市 453100

收稿日期:2023-08-10 接受日期:2023-10-12 出版日期:2024-11-28 发布日期:2024-01-30
通讯作者: 路坦，副主任医师，新乡医学院第一附属医院关节与创伤外科一病区，新乡市骨关节退行性疾病研究重点实验室，河南省卫辉市 453100
作者简介:姜亚琼，男，1998年生，河南省西平县人，汉族，在读硕士，医师，主要从事运动医学三维有限元方面的研究。
基金资助:
河南省医学科技攻关计划(联合共建)项目(LHGJ20190450)，项目负责人：路坦

Stress changes of knee joint with different degrees of medial collateral ligament injury

Jiang Yaqiong1, Lu Tan1, Xu Biao1, Yang Junliang1, Yin Yujiao2

1Ward One, Department of Joint and Trauma Surgery, Xinxiang Key Laboratory of Degenerative Bone and Joint Diseases, 2First Department of Surgery, First Affiliated Hospital of Xinxiang Medical University, Weihui 453100, Henan Province, China

Received:2023-08-10 Accepted:2023-10-12 Online:2024-11-28 Published:2024-01-30
Contact: Lu Tan, Associate chief physician, Ward One, Department of Joint and Trauma Surgery, Xinxiang Key Laboratory of Degenerative Bone and Joint Diseases, First Affiliated Hospital of Xinxiang Medical University, Weihui 453100, Henan Province, China
About author:Jiang Yaqiong, Master candidate, Physician, Ward One, Department of Joint and Trauma Surgery, Xinxiang Key Laboratory of Degenerative Bone and Joint Diseases, First Affiliated Hospital of Xinxiang Medical University, Weihui 453100, Henan Province, China
Supported by:
Medical Science and Technology Research Program of Henan Province (Joint Co-construction), No. LHGJ20190450 (to LT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

膝关节内侧副韧带损伤：内侧副韧带是维持人体膝关节内侧稳定性最主要的韧带，内侧副韧带在滑雪、足球等体育运动中损伤的发生率较高，占所有膝关节损伤的40%。内侧副韧带损伤易导致膝关节内侧稳定性的丧失，关节不稳可引起半月板长期磨损及退行性骨关节病。
有限元分析：利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，在医学中主要应用于生物力学及医学器材应用方面，通过有限元分析软件进行数字模拟，最终得到受力模型的应力和位移数值，为临床的诊治提供参考依据。

背景：膝关节内侧副韧带损伤易导致继发性的半月板及软骨损伤，长期慢性损害会引起骨关节炎的发生。目前，关于内侧副韧带断裂所致半月板及关节软骨损伤的力学研究较少。

目的：探讨膝关节内侧副韧带不同程度损伤对膝关节半月板及软骨生物力学的影响。
方法：选择一名健康志愿者行膝关节CT和MRI检查，获取其影像资料，将扫描数据依次导入 Mimics、Geomagic及Solidworks软件，经配准融合后建立正常膝关节三维模型，并在此基础上模拟出膝关节内侧副韧带不同程度损伤的模型，共分为4组，包括：①内侧副韧带完整；②内侧副韧带深层断裂；③内侧副韧带浅层断裂；④内侧副韧带完全断裂。最后导入Ansys软件，对膝关节施加3种模式载荷：①股骨顶端施加10 N·m外翻力矩；②股骨顶端施加4 N·m内旋力矩；③股骨顶端施加4 N·m外旋力矩。分析4组模型在不同载荷下对膝关节生物力学的影响。

结果与结论：①在膝关节伸直位，对膝关节施加10 N·m外翻力矩时，内侧副韧带不同程度损伤后外侧半月板总体应力均增加，关节软骨应力变化不明显，并且当内侧副韧带浅层出现断裂后外侧半月板应力峰值明显增大；②在膝关节伸直位，对膝关节施加4 N·m内旋力矩时，内侧副韧带不同程度损伤后内外侧半月板总体应力均增加，当内侧副韧带浅层出现断裂时半月板应力峰值从内侧半月板前角转移至外侧半月板前角；③在膝关节伸直位，对膝关节施加4 N·m外旋力矩，内侧副韧带不同程度损伤后外侧半月板应力峰值较内侧半月板增加更明显，关节软骨应力变化较小；④结果表明，膝关节处于伸直状态下，膝关节内侧副韧带浅层断裂继发半月板损伤的风险远大于内侧副韧带深层断裂，而外侧半月板较内侧半月板更易受到损伤；内侧副韧带浅层和深层对膝关节的旋转稳定性均有重要作用。

https://orcid.org/0009-0006-5887-6496 (姜亚琼)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 膝关节, 内侧副韧带, 半月板, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: The incidence of medial collateral ligament injuries in the knee joint is easy to lead to secondary meniscus and cartilage damage, and long-term chronic damage can lead to the occurrence of osteoarthritis. At present, there are few studies on the mechanics of meniscus and articular cartilage injury caused by medial collateral ligament rupture.
OBJECTIVE: To investigate the effect of different degrees of medial collateral ligament injury on the biomechanics of meniscus and cartilage of knee joint.
METHODS: The CT and MRI examinations of the knee joint of a healthy volunteer were performed to obtain the image data. The scanning data were imported into Mimics, Geomagic, and Solidworks software in turn. After registration and fusion, a 3D model of normal knee joint was established. On this basis, models of medial collateral ligament injury in different degrees of knee joint were simulated, which were divided into four groups, including: (1) medial collateral ligament was intact; (2) deep medial collateral ligament fracture; (3) superficial medial collateral ligament fracture; (4) complete rupture of medial collateral ligament. Finally, Ansys software was introduced to apply three modes of loads to the knee joint: (1) 10 N·m valvaration torque was applied to the top of the femur. (2) A 4 N·m internal torque was applied to the top of the femur. (3) A 4 N·m external torque was applied to the top of the femur. The effects of four groups of models on knee biomechanics under different loads were analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the extension position of the knee joint, when a 10 N·m valgus torque was applied to the knee joint, the overall stress of the posterolateral meniscus increased with different degrees of medial collateral ligament injuries, while the stress of the articular cartilage did not change significantly. The peak stress of the posterolateral meniscus increased significantly with superficial medial collateral ligament rupture. (2) In the knee extension position, when a 4 N·m internal rotation torque was applied to the knee joint, the overall stress of the medial and lateral meniscus increased after different degrees of medial collateral ligament injury. When superficial medial collateral ligament rupture occurred, the peak stress of the meniscus shifted from the anterior horn of the medial meniscus to the anterior horn of the lateral meniscus. (3) In the knee extension position, applying a 4 N·m external rotation torque to the knee joint, the peak stress of the posterolateral meniscus increased more significantly than that of the medial meniscus, and the stress of the articular cartilage changed less. (4) These results show that the risk of meniscus injury secondary to superficial medial collateral ligament rupture is much higher than that of deep medial collateral ligament rupture when the knee is in extension, and the lateral meniscus is more vulnerable to injury than the medial meniscus. Both superficial medial collateral ligament and deep medial collateral ligament play an important role in the rotational stability of the knee joint.

Key words: knee joint, medial collateral ligament, meniscus, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

姜亚琼, 路坦, 徐彪, 杨骏良, 阴玉娇. 内侧副韧带不同程度损伤时膝关节的应力变化[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(33): 5270-5275.

Jiang Yaqiong, Lu Tan, Xu Biao, Yang Junliang, Yin Yujiao. Stress changes of knee joint with different degrees of medial collateral ligament injury[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(33): 5270-5275.

图/表（结果） 4

通过Ansys软件对4组膝关节模型施加3种不同模式载荷，模拟膝关节伸直位受力情况，从而进行半月板、股骨软骨及胫骨软骨等效应力峰值的计算，并得出应力云图。
2.1 在10 N·m外翻载荷下膝关节半月板和软骨的应力变化基于膝关节10 N·m外翻力矩，正常膝关节外侧半月板受力较大，并且应力集中于外侧半月板前角，股骨、胫骨软骨应力峰值出现于外侧软骨前角位置，膝关节外翻角约3.78°；MCL损伤后，股骨、胫骨软骨及半月板应力峰值均有所增加，而应力变化主要集中于半月板，分布上，股骨及胫骨软骨最大应力分布于外侧部位，半月板主要分布于外侧前后角位置，见图3。DMCL断裂后股骨软骨、外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为 1.09，5.09，1.71 MPa；SMCL断裂后股骨软骨、外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为 1.19，5.97，1.62 MPa；MCL完全断裂后股骨软骨、外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为1.34，6.75，1.64 MPa，见图4。外翻角在DMCL断裂组、SMCL断裂组和MCL完全断裂组变为4.02°，4.69°，5.27°，见表2。

2.2 在4 N·m内旋载荷下膝关节半月板和软骨的应力变化基于膝关节4 N·m内旋扭矩，正常膝关节股骨、胫骨软骨应力峰值出现于内侧软骨前后角位置，半月板应力峰值出现于内侧后角，股骨软骨、内外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为 0.86，3.88，3.52和1.32 MPa；DMCL断裂时，膝关节半月板和软骨应力分布无明显变化，但应力均有所增加，股骨软骨、内外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为 0.90，3.68，4.06和1.37 MPa；SMCL断裂后，膝关节软骨应力分布无明显改变，半月板应力峰值出现在外侧半月板前角，股骨软骨、内外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为 1.10，4.22，4.38和1.65 MPa；MCL完全断裂后，膝关节股骨、胫骨软骨应力峰值出现于内侧软骨前角位置，半月板应力峰值出现于外侧前角，股骨软骨、内外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为1.18，4.45，4.65和1.73 MPa，见图5，6。股骨内旋角从完整MCL的2.61°变为DMCL断裂、SMCL断裂和MCL完全断裂的2.85°，3.07°，3.21°，见表3。

2.3 在4 N·m外旋载荷下膝关节半月板和软骨的应力变化基于膝关节4 N·m外旋扭矩，正常膝关节股骨、胫骨软骨应力峰值出现于外侧软骨前角位置，半月板应力峰值出现于外侧前角，股骨软骨、内外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为 0.65，2.83，3.06和1.02 MPa。随着MCL损伤程度加重，股骨、胫骨软骨及内外侧半月板应力呈现渐增的趋势，分布上，股骨及胫骨软骨最大应力分布于外侧部位，内外侧半月板应力均主要分布于前后角位置。DMCL断裂时，股骨软骨、内外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为 0.68，2.93，3.16和1.05 MPa；SMCL断裂后股骨软骨、内外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为 0.90，3.27，3.91和1.30 MPa；MCL完全断裂后股骨软骨、外侧半月板和胫骨软骨最大应力分别为0.97，3.42，4.21和1.37 MPa，见图7，8。股骨外旋角从完整MCL的2.20°变为DMCL断裂、SMCL断裂和MCL完全断裂的2.38°，2.45°，2.81°，见表4。

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引言

内侧副韧带(medial collateral ligament，MCL)是维持人体膝关节内侧稳定性最主要的韧带，其主要的功能是抗外翻、内外旋应力[1-2]，其功能与前交叉韧带具有协同作用，共同维持膝关节的稳定性[3]。对于MCL的解剖学研究已经很多，LAPRADE等[4]总结出人体膝关节MCL分为深层内侧副韧带(deep medial collateral ligament，DMCL)和浅层内侧副韧带(superficial medial collateral ligament，SMCL)，并且DMCL和SMCL功能并不完全相同。在临床上，对于膝关节MCL损伤的患者，约50%为MCL部分断裂，尤其SMCL断裂最多见[5]。而MCL不同程度断裂损伤后，膝关节的稳定性将受到影响，使得膝关节的运动状态和生物力学发生改变[6-7]。
为了解MCL损伤后对膝关节生物力学的影响，既往的研究主要利用尸体标本及动物模型[8-9]。然而传统的力学方法存在花费昂贵、重复性差等缺点，近些年随着有限元的出现及发展，很好地解决了以上问题，同时存在无创性、可视化及可重复性等特点，已经被广泛应用于医学骨科领域。GARDINER等[10]运用有限元技术，建立包括MCL在内的人体膝关节三维模型，分析膝关节韧带的三维应力-应变关系及膝关节在外翻状态下MCL及膝关节应变分布情况。张盼盼[6]通过建立包括DMCL及SMCL在内的膝关节三维模型，分析得出MCL不同程度断裂损伤后对膝关节运动特性的影响程度也有所差异，DMCL或SMCL断裂均会改变膝关节运动特性，影响膝关节功能，其中MCL完全断裂损伤对膝关节屈曲运动特性影响最大。膝关节运动状态的改变，将导致半月板在股骨、胫骨之间出现异常运动，引起半月板部分区域应力集中，从而容易继发半月板损伤。
以往的研究大多集中在MCL完全断裂后对膝关节的生物力学影响[2，11]。然而，在临床中发现，膝关节MCL损伤的患者中，约50%为MCL部分断裂。而在膝关节伸直状态下，MCL部分断裂损伤后对膝关节稳定性是否存在影响以及继发膝关节损伤的作用尚未明确[12-13]。因此，在膝关节伸直状态下，掌握MCL不同程度断裂损伤对膝关节生物力学的影响，对于预防膝关节继发损伤及提高膝关节MCL损伤的治疗具有重要的临床意义。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计膝关节三维有限元模型的建立及分析实验。
1.2 时间及地点实验于 2021年9月至2023年7月在新乡医学院第一附属医院(新乡市骨关节退行性性疾病研究重点实验室)完成。
1.3 材料影像学数据来自1 名健康青年志愿者，年龄 27 岁，体质量70 kg，身高177 cm，体质量指数 22.34 kg/m2，既往无膝关节相关疾病史。此次研究经新乡医学院第一附属医院医学伦理委员会批准(EC-023-099，2021-07-31)，志愿者知情同意并签署知情同意书。
对志愿者做右膝关节 CT 和MRI薄层扫描 (1 mm)，志愿者取仰卧位，没有负重，扫描范围包括膝关节上下各 15 cm，获取影像学资料 (DICOM 格式 )。设备包括：64 排螺旋 CT 扫描机 (Siemens 公司，德国 )，3.0T磁共振(GE 公司，美国)。
1.4 方法

1.4.1 三维模型建立将志愿者的 CT 影像资料(DICOM 格式)导入Mimics 19.0软件，通过调节阈值，将CT影像区别出骨骼及软组织结构；并进行膝关节骨骼三维模型转换提取，对提取的骨骼进行填补空洞，生成膝关节初步骨骼三维模型；将志愿者的 MRI 影像资料(DICOM 格式)导入同样Mimics 19.0软件中，调节阈值，建立膝关节韧带、软骨及半月板的蒙罩图，对蒙罩进行编辑，生成膝关节初步韧带、软骨及半月板三维模型；再将骨骼三维模型与软骨、韧带及半月板三维模型配准融合，最终得到膝关节初步的三维模型，见图1，以 STL 格式保存并输出。

1.4.2 有限元模型建立将 Mimics输出的膝关节初步三维模型导入 Geomagic 2017软件中，通过优化平滑处理，生成膝关节实体模型；膝关节各部件依次按照上述操作完成实体化，最后以STP格式保存输出。生成的STP格式文件在Soildworks 2020软件中运行，因为通过影像学资料提取的半月板及软骨失真严重，根据提取的半月板及软骨轮廓及走行，构建出完整的膝关节半月板及软骨模型。通过配准融合后，建立正常的膝关节模型。并在此基础上模拟出膝关节MCL不同程度损伤的模型，共分为4组，包括：①MCL完整组；②DMCL断裂组；③SMCL断裂组；④MCL完全断裂组，见图2。

1.4.3 材料赋值及模型验证在 Ansys 软件中，设置骨骼的弹性模量为 17 000 MPa，泊松比 0.30；软骨的弹性模量为5 MPa，泊松比为 0.46；半月板的弹性模量为 59 MPa，泊松比为 0.49；韧带的弹性模量为390 MPa，泊松比为 0.30[14]。表1。

为验证膝关节三维有限元模型的有效性，通过约束固定股骨，在胫骨后方施加了134 N向前推力载荷，计算出胫骨前移程度为4.62 mm，GEESLIN等[15]在同等工况下测得的4.75 mm 结果相似；在股骨顶端施加10 N·m外翻力矩，计算出SMCL股骨止点处受力最大，应力峰值为10.73 MPa，在先前的研究中，使用相同的载荷，应力分布一致[14]，并且应力峰值10.38 MPa相似[16]。此次实验结果与之前报道的有限元研究结果一致，证明了模型的有效性。
1.4.4 边界条件根据膝关节的解剖学特征，设置半月板与股骨接触面为无摩擦，内外侧半月板前后角与胫骨平台绑定接触，股骨、胫骨、腓骨与软骨接触面及韧带止点接触面设置为绑定。选择四节点线性四面体单元，网格大小3 mm，对膝关节各部件进行网格划分。股骨的6个自由度不受固定，在胫骨远端和腓骨远端设置固定。
1.4.5 载荷在此次实验中，根据MCL限制膝关节外翻的生理功能，以及对膝关节内外旋有一定控制作用，故此次研究对膝关节施加3种不同模式载荷：①股骨顶端施加10 N·m外翻力矩；②股骨顶端施加4 N·m内旋力矩；③股骨顶端施加4 N·m外旋力矩。
1.5 主要观察指标膝关节伸直位时MCL不同程度损伤对膝关节半月板、关节软骨应力及膝关节稳定性的影响。

讨论

膝关节MCL在限制和维持膝关节运动、保护膝关节内侧稳定性具有重要作用，尤其SMCL在膝关节前内侧稳定性方面发挥着主要作用[17]。大量的尸体研究已经总结出MCL结构，MCL包括深、浅两层，其与后斜韧带、后关节囊一起被称为膝关节的内侧韧带复合体[4，14]。SMCL也称为胫骨侧副韧带，其纤维起于股骨内上髁后上方，止于膝关节胫骨内侧髁有远、近2个附着点。DMCL常被认为是增厚的内侧关节囊，可分为板股韧带和板胫韧带两部分。临床上MCL损伤是膝关节运动损伤中常见的损伤类型之一，其损伤主要发生在膝关节外翻时[18]。随着外翻应力的增加，可出现MCL完全断裂，膝关节MCL损伤断裂后将影响膝关节的稳定性，可造成膝关节内其他结构的慢性损害[19-20]。为了避免MCL损伤断裂后对膝关节产生进一步损伤，深入探讨MCL不同程度断裂损伤对膝关节软骨、半月板生物力学及膝关节稳定性的影响具有重要临床意义。
膝关节因复杂的解剖结构和三维运动特性导致了其复杂的生物力学特性，传统的力学方法研究其生物力学功能往往涉及关节外施加载荷和使用机械测量仪器[8，21]。然而利用传统的方法研究关节内的应力分布问题较为困难，因此建立膝关节二维数字模型及动态三维模型已成为研究膝关节生物力学特性的重要领域。自1972年BREKELMANS等[22]首次将有限元分析应用于矫形外科生物力学以来，现在已被广泛应用到脊柱、四肢骨以及关节[23]。三维有限元模型的建立，以CT或MRI扫描具有无创性的特点应用最为广泛[10]，CT 对骨骼的敏感度较 MRI 高，MRI 对软组织较为敏感[24]，以往研究的膝关节模型多单独采用 CT 或 MRI 来建模 [10，25-26]。王俊然等[26]通过CT扫描数据构建正常的膝关节骨骼三维有限元模型，而半月板及软骨根据生理解剖及以往数据刻画出来，用非线性弹簧单元来代替韧带，这种模型的软组织结构并非数据提取所得，误差较大。单独使用CT或MR成像将显著降低这些模型的准确性，从而导致膝关节力学分析不准确。因而，此次研究结合膝关节 CT 和 MRI 数据，用 CT 提取骨骼及MRI 提取软组织，建立出较为真实的膝关节三维有限元模型；并依据MCL的解剖，模拟膝关节MCL不同程度损伤的情况，探讨MCL不同程度损伤对膝关节软骨、半月板及膝关节稳定性的影响。
此次研究分别对4组膝关节模型施加3种不同模式载荷。在 10 N·m外翻载荷下，膝关节外翻角从MCL完整时的3.78°变为DMCL断裂、SMCL断裂和MCL完全断裂时的4.02°，4.69°和5.27°。杭声琪等[27]在同等载荷下计算出膝关节外翻角为3.62°，与此次研究结果的3.78°基本一致，表明MCL倾向于限制膝关节外翻运动。DMCL和/或SMCL断裂后股骨外侧髁更多的挤压关节软骨和半月板，引起关节面的应力分布失衡，更多负荷分布在膝关节外侧。从应力云图得出，膝关节半月板应力变化较股骨、胫骨软骨应力变化更显著，DMCL断裂后半月板应力增加5.60%，SMCL断裂后半月板应力增加23.86%，MCL完全断裂后半月板应力增加40.02%，说明SMCL对外翻运动的限制作用比DMCL的作用更大。REN等[7]研究得出在膝关节伸直位，MCL的主要作用是抵抗膝关节的外翻运动，其中SMCL起着最重要的作用，而DMCL的作用相对较小，与此次研究结果相符。此次研究结果显示，膝关节在外翻状态下，DMCL和/或SMCL断裂后外侧半月板应力变化最为明显，而SMCL断裂较DMCL断裂对半月板产生更显著的影响，长期作用将引起外侧半月板磨损增加。HWANG等[28]研究发现外侧半月板的退变可能发展为半月板撕裂，最终可能导致完全破坏。相比之下内侧半月板及软骨负荷较小，长期应力刺激不充分，也会引起半月板和软骨退化，进而诱发骨关节炎等[29]。
在 4 N·m 外旋力矩的载荷下，股骨外旋角从 MCL 完整时的2.20° 分别变为 DMCL 断裂、SMCL 断裂和 MCL完全断裂时的 2.38°，2.45° 和 2.81°。股骨外旋角度在 SMCL 与DMCL 断裂之间没有明显差异，而DMCL和SMCL同时断裂时，股骨外旋角表现出较大变化，从应力云图得出，MCL损伤后，外侧半月板应力明显增加，并且半月板应力在SMCL断裂及MCL完全断裂时表现出较大的变化，SMCL断裂后半月板应力增加27.77%，MCL完全断裂后半月板应力增加37.58%。DMCL和/或SMCL断裂后外旋增加，导致胫股关节接触和运动机制发生改变，半月板作为膝关节的主要承载结构，其承载部位和最大等效应力值也发生变化，而长期的应力改变是造成半月板继发退变的重要因素。通过以上数据说明MCL在维持膝关节外旋稳定中具有重要作用。此次研究内外侧半月板应力分布区域变化较小，考虑因为此次实验中将膝关节模型固定在伸直状态，膝关节自身存在“扣锁机制”，限制膝关节旋转活动[30]。
在 4 N·m 内旋力矩的载荷下，股骨内旋角从完整 MCL 的 2.61° 分别变为 DMCL 断裂、SMCL 缺陷和 MCL完全断裂时的2.85°，3.07° 和 3.21°。当SMCL断裂时胫股骨内旋角变化明显。从应力云图看出，MCL损伤后，股骨、胫骨软骨应力分布无明显变化，而当SMCL断裂及MCL完全断裂时，半月板应力峰值从内侧半月板前角转移至外侧半月板前角，SMCL断裂后半月板应力增加12.88%，MCL完全断裂后半月板应力增加19.84%，表明SMCL 对限制膝关节内旋的作用大于 DMCL。MCL损伤后膝关节旋转不稳，关节内应力重新分配，引起半月板应力峰值增加，改变胫股关节接触机制和正常应力分布。以往生物力学实验及临床研究己经证明半月板应力分布的改变是造成其膝关节退变的重要因素[31-32]。吴铮等[33]通过有限元分析得出膝关节外侧半月板损伤对整个膝关节的功能产生巨大影响，尤其对于胫骨软骨产生不利的影响，膝关节生物力学特性的改变增加了骨关节炎的发病风险。此次实验得出DMCL和/或SMCL断裂损伤后容易导致膝关节半月板继发性损伤，而半月板的损伤将进一步影响膝关节功能。此次研究结果可为临床上MCL 部分断裂损伤治疗的必要性提供生物力学支持。
此次研究通过对膝关节施加3种不同载荷，证实在膝关节伸直状态下，维持膝关节外翻及旋转稳定性的主要是SMCL，而DMCL作为膝关节次级稳定结构，对于维持膝关节旋转稳定性有重要的作用。CAVAIGNAC等[34]研究发现，DMCL在膝关节伸直和微屈曲的旋转稳定性中起着关键作用，在单独DMCL切除术后，膝关节的内外旋转角度将增加。在尸体模型研究中发现，通过损伤DMCL，内旋和外旋动作会引起膝关节不稳定，进而会导致半月板及软骨磨损增加[35]，加速骨关节炎的进展。BLACK 等[36]研究发现，DMCL断裂影响膝关节的稳定性，重建DMCL可以稳定膝关节半月板，减少膝关节继发性损伤。WILLIAMS等[37]同样在研究中强调了DMCL对于膝关节的重要性，DMCL损伤会引起膝关节旋转松弛。临床研究也发现，人工膝关节置换DMCL断裂的患者，假体的磨损将明显增加[38]。尽管DMCL对膝关节稳定性有贡献，以往临床上往往忽略DMCL断裂损伤的诊治，而此次研究结果验证了DMCL对膝关节的稳定性具有重要作用，尤其是对于半月板稳定性的影响。由于MCL的复杂解剖和生物力学特性，因此全面掌握 MCL 各结构在维持膝关节稳定中的作用，为 MCL 损伤治疗提供更多的理论支持。
此次研究的局限性：首先，此次研究仅选择一名志愿者，未加入尸体标本进行同期对比，还需要进一步的研究论证；其次，未对膝关节各屈曲角度的情况进行建模研究，后期需完善膝关节屈曲状态下的力学实验研究；最后，此次研究将膝关节内侧结构简化为内侧副韧带深、浅两层，未考虑其他软组织结构，如后斜韧带，作者课题组后期将进一步建立更全面的膝关节模型来研究膝关节内侧结构的功能。
分析3种载荷下膝关节模型可知，在膝关节处于伸直状态下，MCL不同程度损伤后半月板应力增加最大，而股骨、胫骨软骨应力变化相对较小。SMCL断裂引起半月板应力增加大于DMCL断裂，并且外侧半月板较内侧月板应力的变化更为显著。结果表明，膝关节伸直状态下，膝关节SMCL断裂继发半月板损伤的风险远大于DMCL断裂，而外侧半月板更易受到损伤；SMCL和DMCL对膝关节的旋转稳定性均有重要作用，对于膝关节旋转要求较高的运动如足球、冰球等，在MCL出现损伤时，应谨防半月板出现继发性损伤，尽早进行临床干预。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

内侧副韧带不同程度损伤时膝关节的应力变化

Stress changes of knee joint with different degrees of medial collateral ligament injury

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