带血管蒂髌腱移植物的力学性能

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.47.024

摘要/Abstract

摘要：

背景：临床上研究膝关节交叉韧带生物材料的力学性能具有重要意义，可为临床研制组织结构、生物力学及相容性好的材料提供理论依据。

目的：分析带血管蒂髌腱移植物的力学性能。

方法：切断42只新西兰大白兔左前腿前交叉韧带，随机分为2组，实验组植入自体带血管蒂髌腱移植物进行前交叉韧带修复，对照组植入自体不带血管蒂髌腱移植物进行前交叉韧带修复。移植后8，12，16周，检测两组移植标本的生物力学性能。

结果与结论：两组不同时间点的断裂位置比较差异无显著性意义；实验组移植后12，16周的膝关节前后松弛度高于对照组(P < 0.05)，两组移植后8周的膝关节前后松弛度比较差异无显著性意义；实验组移植后8，12，16周的最大载荷均高于对照组(P < 0.05)，移植后8，12，16周的刚度均高于对照组(P < 0.05)；两组移植后不同时间点的最大拉伸长度比较差异无显著性意义。表明带血管蒂髌腱移植物具有良好的力学性能。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 材料相容性, 带血管蒂髌腱移植物, 膝关节交叉韧带, 力学性能, 人工材料置换

Abstract:

BACKGROUND: The clinical study on the mechanical properties of biomaterials for cruciate ligament reconstruction is of great importance, which can provide a theoretical basis for the clinical development of materials with good structure, biomechanics and compatibility.
OBJECTIVE: To analyze the mechanical properties of vascularized patellar tendon graft.
METHODS: The anterior cruciate ligaments of the left foreleg from 42 New Zealand white rabbits were cut off. Then, these rabbits were randomly and evenly divided into two groups: experimental group and control group. Rabbits in the experimental group were implanted vascularized patellar tendon graft for anterior cruciate ligament repair. Rabbits in the control group were implanted with autologous non-vascularized patellar tendon graft for anterior cruciate ligament repair. At the 8th, 12th and 16th weeks after implantation, biomechanical properties of specimens from these two groups were detected.
RESULTS AND CONCLUSION: There was no significant difference on the fracture location at different time points between these two groups; at the 12th and 16th weeks after transplantation, the knee laxity in the experimental group was higher than that in the control group (P < 0.05). At the 8th week after transplantation, there was no significant difference in the knee laxity between these two groups. At the 8th, 12th and 16th weeks after transplantation, the maximum load in the experimental group was higher than that in the control group (P < 0.05). At the 8th, 12th and 16th weeks after transplantation, the stiffness in the experimental group was higher than that in the control group (P < 0.05). There was no significant difference in the maximum tensile elongation between these two groups at different time points after transplantation. These results demonstrate that vascularized patellar tendon graft has good mechanical properties.
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Transplants, Anterior Cruciate Ligament, Biomechanics, Tissue Engineering

徐昌，马强，艾尔西丁，王晓挺，沈志敏. 带血管蒂髌腱移植物的力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(47): 7676-7680.

Xu Chang, Ma Qiang, Aierxiding, Wang Xiao-ting, Shen Zhi-min . Mechanical properties of vascularized patellar tendon graft[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(47): 7676-7680.

图/表（结果） 5

参考文献

[1] 孙康,王立德,张羽飞.人工合成材料重建膝关节交叉韧带的进展[J].骨与关节损伤杂志,2000,15(3):236-238.

[2] 李祥明.人发人工腱材料修复膝关节交叉韧带和侧副韧带的疗效观察[J].云南医药,2003,24(1):33-34.

[3] 陆晓涛,李其训,王宇飞,等.人发角蛋白人工腱在膝关节前交叉韧带损伤中的应用[J].骨与关节损伤杂志,2003,18(6):402-403.

[4] 康一凡.关节镜下LARS人工韧带重建后交叉韧带及有限切开重建外侧副韧带[J].中国骨与关节损伤杂志,2008,23(3): 202-204.

[5] 范钦波,范继峰.关节镜下先进人工韧带加强系统和四股自体半腱肌腱重建前交叉韧带的疗效比较[J].中国修复重建外科杂志,2008,22(6):676-678.

[6] 王先采,张伟,孙水,等.关节镜下四股胭绳肌肌腱移植重建前交叉韧带术后康复[J].中华物理医学与康复杂志,2007,29(9): 637-639.

[7] Rotter N,Haisch A,Bücheler M.Cartilage and bone tissueengineering for reconstructive head and neck surgery.Eur Arch Otorhinolaryngol.2005;262(7):539-545.

[8] Du C,Cui FZ,Zhang W,et al. Formation of calcium phosphate/ collagen composites through mineralization of collagen matrix. J Biomed Mater Res.2000;50(4):518-527.

[9] 韩伟.人工膝关节置换治疗重症膝关节病118例[J].中国组织工程研究与临床康复,2009,13(35):6995-7000.

[10] 谢正阳,侍勇,刘志元.人工膝关节在运动性损伤中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(22):4093-4096.

[11] 孙鲁宁,蔡文辉,沈计荣.人工全膝关节置换术后肌力锻炼对假体膝关节功能的作用[J].中国临床康复,2003,7(32):4415-4418.

[12] 胡金萍.几种高分子生物材料屏障作用预防肌腱粘连的系统评价[J].中国组织工程研究与临床康复,2009,13(29):5793-5797.

[13] 王庆丰.武术运动踝关节骨损伤原理与组织工程学康复术[J].中国组织工程研究与临床康复,2011,14(38):7153-7156.

[14] 吴文杰,刘树江,王臣.全膝关节置换术非技术性常见失败原因分析[J].临床医药实践杂志,2008,1(8):618-620.

[15] 王鹏,宣昭鹏,赵承斌,等.个体化钛合金掌指关节假体的生物力学研究[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(26): 4770-4773.

[16] 白凤德,刘光耀,朱兴华,等.槽型自动加压防拔钉接骨钢板的设计、生物力学研究及应用[J].试验技术与试验机,1997,37(2): 61-63.

[17] Rhinelander FW,Wilson JW. Blood supply to developing mature and healing bone. In Sumner～Smith G (ed). Bone in Clinical Orthopaedics: A Study of Clinical Osteology,chap 2. Philadelphia,WB Saunders,2012.

[18] 王彩梅,毛恩荣.个体化人工膝关节假体的计算机辅助设计[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(44):8661-8664.

[19] 纪斌平.人工膝关节置换术[J].人人健康,2009,28(4):33-33.

[20] 章培建.人工膝关节置换相关问题的临床问答[J].中国组织工程研究与临床康复,2009,13(12):2560-2560.

[21] 赵艳.人工膝关节的生物摩擦学特点[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(22):4090-4093.

[22] Weiss JA,Maakestad BJ.Permeability of human medial collateral ligament in compression transverse to the collagen fiber direction.J Biomech.2006;39(2):276-283.

[23] Kock HJ,Sturmer KM,Letsch R,et al. Interface and biocompatibility of polyethylene terephthalate knee ligament pros theses. A his tological and ultras tructural device retrieval analys is in failed synthetic implants used for surgical repair of anterior cruciate ligaments.Arch Orthop Trauma Surg.2014; 114(1):1-7.

[24] 张弛,蒋垚,炳芳,等.组织工程学前交叉韧带人工韧带的特征[J].中国组织工程研究与临床康复,2007,11(6):1150-1151.

[25] Handl M,Drzik M,Cerulli G,et al. Reconstruction of the anterior cruciate ligament: dynamic strain evaluation of the graft. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc.2007;15(3): 233-241.

[26] 党培业,牛东生,白志刚.全膝关节置换治疗膝关节高度屈曲畸形的临床研究[J].宁夏医学杂志,2010,32(4):349-350．

[27] 沈奕,宋德业,王万春.旋转铰链式膝关节假体置换治疗复杂膝关节疾病[J].中国组织工程研究与临床康复,2009,13(35): 6931-6934.

[28] 刘渝松,马善治,郭亮,等.中医综合治疗优化方案治疗膝关节骨性关节炎150例临床观察[J].实用中医药杂志,2012,28(1):5-8.

[29] 陈大伟,张方建,白书臣,等.中医外治三联法治疗膝骨性关节炎6 0例临床观察[J].中医杂志,2012,53(5):399-332.

[30] 刘建卫,黄培祥.鹿瓜多肽注射液配合中药外洗治疗膝关节骨性关节炎疗效观察[J].中国医学创新,2013,10(1):133-134.

[31] 林桦楠,陈海鹏.膝关节骨性关节炎关节镜术后注射玻璃酸钠的临床研究[J].中国医学创新,2013,10(3):8-9.

[32] 崔永红,章晓华.玻璃酸钠联合鹿瓜多肽治疗膝关节骨性关节炎疗效观察[J].中国医学创新,2013,10(5):56-57.

[33] 赵钦福,王文,李云,等.关节镜下有效选择性治疗中老年膝关节骨性关节炎[J].中国医学创新,2013,10(8):16-17.

[34] 董瑞华,郑立新,张鲁阳,等.药物熏蒸治疗类风湿关节炎临床观察[J].中国医学创新,2013,10(12):35-37.

[35] 林国聪.抗-CCP与RF检测对类风湿性关节炎的临床意义[J].中国医学创新,2012,9(8):82-83.

[36] 赖爱云,徐健,梁维,等.甲氨蝶呤联合来氟米特治疗类风湿关节炎的疗效观察[J].中国医学创新,2012,9(10):32-33.

[37] 罗世兴,赵劲民,苏伟,等.保留和不保留后交叉韧带全膝置换疗效的Meta分析[J].中国矫形外科杂志,2010,18(14):1145-1146.

[38] 党培业,牛东生,白志刚.全膝关节置换治疗膝关节高度屈曲畸形的临床研究[J].宁夏医学杂志,2010,32(4):349-350．

[39] Mihalko WM,Miller C,Krackow KA.Total knee arthroplasty ligament balancing and gap kinematics with posterior cruciate ligament retention and sacrifice. Am J Orthop.2010;29(8): 610-616.

[40] Yaglshita K,Muneta T,Shinomiya K.Quantitative evaluation of the effect of soft tissue release on soft tissue balance in total knee arthroplasty. J Bone Joint Surg (Br).2011;83:439.

引言

膝关节在人体直立、行走、跳跃中发挥了重要的作用，其结构对于身体稳定性和灵活性有着更好的要求。从人体膝关节解剖结构来看：保护机体膝关节稳定性的韧带关节囊网则属于内源性稳定装置，它主要由关节囊、关节各类韧带组成。而膝关节韧带属于韧带关节囊中比较重要的组成部分，它能够连接股骨下端与胫骨上端作用，并且能够有效限制胫骨前、后移动。膝关节交叉韧带断裂是引起膝关节不稳的主要原因，患者发病后可以出现明显的关节不稳、疼痛和肿胀，膝关节松弛，严重者将会引起关节软骨发生破坏，并且能够引起关节内相关结构的损伤，导致关节稳定性下降，从而加速机体整个关节的病变^[1-2]。临床上，引起膝关节交叉韧带断裂的原因相对较多，常见的有足球、排球以及网球等体育运动等^[3]，目前中国尚缺乏相关流行病学调查且研究较少，所以膝关节交叉韧带损伤也一直是骨科医师难以攻克的难题^[4]。

膝关节是人体主要的负重运动关节，在关节韧带的辅助下能够承受较大的重力，如屈、伸及扣锁活动等^[5-6]，受力多集中于股骨两踝和胫骨平台间，随着中心的变化而发生动态的改变，且受力的突然变化和复杂性是造成膝关节损伤的因素之一^[7-8]。患者膝关节交叉韧带断裂后如果得不到及时有效的治疗，病变范围会慢慢扩大，导致关节活动受限，活动能力丧失或下降^[9]。近年来，膝关节交叉韧带修复重建在临床上广为采用，常用的修复材料以自体移植物为主，虽然这种方法能够改善患者症状，但并发症发生率较高，重建后移植物疾病传播或免疫性排斥发生率较高，材料力学性能较差^[10-11]。因此，临床上研究膝关节交叉韧带生物材料的力学性能具有重要意义，可为临床研制组织结构、生物力学及相容性好的材料提供理论依据。

实验探讨膝关节交叉韧带生物材料的力学性能，为膝关节交叉韧带修复、人工材料置换等提供依据。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计随机分组，动物对照实物。

1.2 时间及地点于2014年12月至2015年4月在新疆医科大学实验室完成。

1.3 材料

实验动物：成年大白兔42只，体质量(2.1±0.15)kg，雌雄不拘，由新疆医科大学动物实验中心提供，饲养严格遵守相关标准进行饲养，合格证号为2000A027^[12]。将42只兔随机分为实验组与对照组，每组21只。

器械：一套普通手术器械、眼科剪一把，5包1号、4号缝合线(浙江宁波医用缝针厂)、电子称(上海第二天平仪器厂)、100支容量为5 mL、10 mL注射器、MP200A型电子天平一台(上海第二天平仪器厂)、解剖台、7号无菌手套、电转、3 mm骨圆针、鼓锤一把、石膏绷带、纱布、咬骨钳、MTS-858型材料实验机(美国制造)^[13-14]。

药物及试剂：50袋250 mL生理盐水(新疆医科大学附属第六医院药剂科)、40瓶80 U青霉素、1 000 mL 3%戊巴比妥钠溶液、500 mL 2%碘酒、500 mL体积分数75%乙醇、100 g甲基丙稀酸骨粘合剂、1 000 mL器械消毒液及 200 mL 8%硫化钠^[15-16]。

1.4 实验方法

移植物的准备：采用3%戊巴比妥钠溶液腹腔注射麻醉大白兔，耳静脉滴注250 mL生理盐水，采用8%硫化钠稀释液对右后腿进行脱毛处理，并采用聚维酮碘液消毒，覆盖无菌孔巾，在膝关节前正中处做一个长度为5 cm的切口，充分暴露髌腱，采用牙刀及鼓锤等在髌腱中1/3和胫骨髌骨止点切取髌骨胫骨长骨条，髌骨条大小控制在 2.5 mm×2 mm×10 mm，胫骨条大小控制在3 mm× 2.5 mm×13 mm，对照组切除脂肪垫和内侧支持带血管及前交叉韧带，制备不带血管蒂的髌腱移植物；实验组切除内侧支持带血管及前交叉韧带，保留脂肪垫，制备带血管蒂的髌腱移植物。

前交叉韧带重建模型：切取两组兔左前腿前交叉韧带，从内向外钻一个直径为3 mm的骨洞，将移植物的轴放置在和前交叉韧带一样的轴放置。两组移植物髌腱的骨栓必须与3 mm直径的股骨隧道相匹配和符合，放置好后，将线固定在股骨隧道口直径为6 mm的聚乙烯脂纽扣上，然后尽可能将膝关节伸展，在移植物的另一端施加力到胫骨远端，以便能够从远端拉出。当移植物骨端放置胫骨另一端后，进行Lachmen试验，待屈曲角度控制在15°时且前后移位量小于12 mm时进行缝合，并采用石膏板等固定^[17-18]。手术期间行Lachmen试验时，实验组移植物既不能够拉伸也不能压迫支持^[19-20]。

术后处理：术后3 d注射青霉素30×10⁴ U/kg，1次/d，并对切口换药；同时兔腿轻微背侧屈，每条腿采用石膏进行固定。1周后拆除石膏，使其在笼中的自由活动，5 d拆除伤口缝合线^[21]。

获取标本：术后8，12，16周采用静脉注射空气方法处死大白兔，每个时间点每组7只，切除膝关节周围的皮肤、肌肉、韧带及肌腱、膝关节内的后交叉韧带，保留股骨-前交叉韧带-胫骨。股骨胫骨端保留5 cm，然后以生理盐水纱块包裹标本^[22-23]。

1.5 主要观察指标将移植标本骨端采用甲基丙烯酸骨黏合剂进行包裹，尽可能将其放在关节最近位置，制备成拉伸试件。待黏合剂凝固后，将其放置在SWD-10型材料测试机上。测试过程中采用生理盐水保持湿润。实验过程中保持移植物纤维束的走向，使得组织能够垂直排列在承载器方向，使得拉伸载荷能够沿着纤维束的方向，控制拉伸速度为200 mm/min，直到标本断裂，认真记录相关数据，并绘制载荷-变形曲线^[24-25]。

1.6 统计学分析对研究所得数据利用SPSS 18.0软件进行处理，其中符合正态分布的数据进行单因素方差分析，存在统计学意义予以LSD法两两比较。检测P值，如果经检测P < 0.05，则提示经比较两组数据间存在统计学差异。

讨论

膝关节是人体最为复杂的关节，而膝关节韧带断裂在临床上发生率较高，患者发病后主要以疼痛、活动不便为主。常规方法更多以韧带缝合修复治疗为主，这种方法虽然能够改善患者症状，但临床上对于膝关节交叉韧带生物材料的选择尚存在较大争议。传统的修复材料以自体移植物和同种异体移植物为主，两者均需要经历一个相对漫长的过程，如血管的重建、细胞的增殖等，增加了患者痛苦^[26]。近年来，随着医疗技术的飞速发展，人工韧带在膝关节交叉韧带断裂中广为使用，且效果理想，这种方法不会损伤和牺牲患者自身组织，手术相对比较简单，创伤较小，利于患者术后恢复^[27]。兔和人体髌腱的血供基本相同，主要来源于两个方面：①脂肪垫，膝下动脉内外支在髌腱后方吻合形成，主要供应髌腱后部^[28]；②伸膝支持带，由于人体髌腱主要由膝下内侧动脉和胫前反动脉组成，供应侧的髌骨-髌腱复合体中存在一个相对比较特殊的血管束，它更多分布在髌腱内侧1/3的前后面。髌下脂肪垫的血液供应来源相对较多，更多来源于膝下内外动脉两个主要的供血动脉。膝下内动脉主要起源于腘动脉和膝中动脉，沿着腘肌向内下在膝内侧副韧带深面，能够和膝上内动脉和膝下内动脉相互吻合^[29-30]。

膝关节韧带显示出比较复杂的流变学特性，其单轴拉伸时产生的应力-应变曲线凹面向上，即应力对应变的二阶导数大于零。受其他众多因素的影响，如物种的类型、骨骼成熟程度、生化、固定等因素的影响，导致韧带力学性能也存在明显的变化。数据显示：1 500 N的负荷能使人体前交叉韧带发生损伤；兔膝关节内侧副韧带的极限拉伸强度为(110±19) MPa，约比前交叉韧带内侧部位高出70%，而兔膝关节内侧副韧带弹性模量约2倍于前交叉韧带。在韧带的拉伸试验中，参与对抗张力的韧带纤维数量在不断增加，纤维排列改变形成韧带初始的低张力区域。此后，当更多的纤维参与抗张力，应力水平将会得到相应增加，直到所有的韧带纤维均能够承载负荷。膝关节在人体中位置相对比较特殊，膝关节韧带与许多连接性软组织具有一定的相似性，均具有随着时间及过程相关的黏弹性特点。相关研究中采用冯元桢的准线性黏弹性理论，研究犬膝关节内侧副韧带的蠕变性、应力松弛及滞后性等特性。韧带的黏弹性属性能够更加清晰地反映胶原固有性质及胶原与基质之间存在的相互作用，并且这一性能在临床应用较多，如在前交叉韧带重建手术中，术后移植物上维持的张力更多会依赖于移植物本身的黏弹性。

髌腱移植力学性能恢复的影响因素相对较多，常见的有良好的血运、精细的外科技术及正确的位置固定和适当的移植物整理等^[31-32]。普遍认为移植物固定位置的选择是等长重建，这样更加有利于膝关节功能的恢复，即在膝关节交叉韧带修复过程中前交叉韧带长度和张力必须保持不变^[33]，材料既能够在任何屈伸位置限制胫骨的前移，同时又不会限制膝关节的活动范围，更不会因为术后由于张力变化太大而引起韧带的过早松弛或发生断裂等现象^[34-36]。因此，本实验中固定点选择在原前交叉韧带附着点作为其中心固定点^[37-38]。本实验中，两组移植8周的膝前后松弛度差异不显著(P > 0.05)；实验组移植12，16周膝前后松弛度显著高于对照组(P < 0.05)。Andrew等认为移植物的松紧度对患者膝关节交叉韧带的稳定性具有重要意义，移植物松紧度的微小变化将会引起膝关节稳定性和活动度的明显降低，而适当松紧度能够对韧带的生长产生明显的生理刺激，更加有利于患者膝关节交叉韧带生物力学的恢复。

此外，制动对膝关节交叉韧带的力学性能也会产生明显的影响。本实验中，实验组移植8，12，16周的最大载荷量显著高于对照组(P < 0.05)，由此看出制动会引起韧带力学性质和结构的改变，即使是正常的膝关节韧带，长时间制动也会引起硬度、最大负荷及能量吸收的减少^[39]。因此，实验中对兔采用石膏进行1周的固定，并采用多种方式使兔能够在笼中自由活动。本实验中，实验组移植8，12，16周的刚度显著高于对照组(P < 0.05)，由此看出保持血运更加有利于提高移植物的生物力学特性，更有利于患者术后恢复。本实验中，两组最大拉伸长度差异不显著(P > 0.05)。带血管移植物的生物力学性能更加接近人体韧带，能够有效降低抗张强度，增加移植物的强度，从而降低术后缺血坏死及再血管化过程，因此，手术过程中应该最大可能地保留移植物血供，提高临床治疗效果^[40]。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程