人工韧带生物材料修复膝关节交叉韧带损伤：问题及前景

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.08.020

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

人工韧带：指采用生物材料制造，模拟人体肌腱、韧带的形态，具有生物力学性能，可用于人体肌腱、韧带修复、重建或替代的移植物。人工韧带应用于膝关节交叉韧带修复重建已有很长的历史。

膝交叉韧带：又称十字韧带，位于膝关节中央稍后方，非常强韧，由滑膜衬覆，可分为前、后2条。两条韧带协同可限制膝关节过度运动。运动员常有十字韧带撕裂的情况发生。

背景：相关研究已证实人工韧带的实验结果和短期临床效果令人满意，可尽早恢复膝关节的稳定性，保证运动功能。

目的：综述人工韧带的基础与临床研究进展。

方法：应用计算机检索万方数据库、中国知网和PubMed数据库1985至2015年有关人工韧带修复膝关节交叉韧带损伤的文章，检索关键词为“交叉韧带损伤，生物材料，人工韧带，cruciate ligament injuries，Artificial ligament，biological materials”。

结果与结论：与自体、异体韧带相比，人工韧带力学性能良好，植入后即刻就可以得到足够的抗拉强度与关节稳定性，确保膝关节交叉韧带重建的作用。人工韧带技术发展经历了碳纤维韧带、聚酯材料人工韧带和支架型人工韧带，LARS人工韧带作为一种新型的聚酯材料人工韧带，表现出了良好的生物相容性，细胞能够在其表面良好地黏附、增殖与分化。然而有关人工韧带的使用也存在争论，其临床远期效果仍待进一步观察，有关人工韧带的材料选择、形态仿生设计、编织工艺和手术技术改进等需要进一步研究。

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

ORCID: 0000-0002-3074-6722(侯立刚)

关键词: 生物材料, 材料相容性, 人工韧带, 交叉韧带, 膝关节, 损伤修复, 综述

Abstract:

BACKGROUND: Related studies have confirmed that the experimental results and short-term clinical outcomes of artificial ligaments are satisfactory that the artificial ligaments can restore the stability of knee joint as soon as possible and ensure motor function.
OBJECTIVE: To summarize the basic and clinical research progress of artificial ligaments.
METHODS: The articles regarding artificial ligaments in repair of knee joint cruciate ligament injury were retrieved from Wanfang database, CNKI and PubMed database during 1985 to 2015 by computer. The keywords were “cruciate ligament injuries, artificial ligament, biological materials” in Chinese and English, respectively.
RESULTS AND CONCLUSION: Compared with autologous and allogenic ligaments, artificial ligament has good mechanical properties, and can get sufficient tensile strength and joint stability immediately after implantation, so as to ensure the cruciate ligament reconstruction of the knee joint. Artificial ligament technology has experienced carbon fiber ligament, polyester material and stent artificial ligaments. As a new type of polyester artificial ligament, LARS artificial ligament shows a good biocompatibility, on which, cells can adhere, proliferate and differentiate well. However, the controversies over the use of artificial ligament still exist, and its long-term clinical effects still need further observation. Further researches regarding the material selection, shape bionic design, weaving and surgical techniques of artificial ligaments are still further needed.

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引言

膝关节交叉韧带处于膝关节中间，是膝关节屈曲及旋转活动主要的静力稳定结构，分为前交叉韧带和后交叉韧带，对保持膝关节的稳定起着极为重要的作用^[1]。膝关节交叉韧带损伤是一种高能量损伤，若不及时治疗会造成膝关节失稳及载荷传导紊乱的功能性障碍，且多伴有其他部位的严重损伤^[2]。膝关节前交叉韧带位于膝关节内、滑膜腔外，是关节内的重要解剖结构，具有重要的生理功能和意义^[3]。它不仅起着一种简单的僵绳作用，在阻止胫骨内旋、稳定关节、制止膝关节过伸过屈等方面发挥着重要功能，同时还具有拉衡张力或剪力，防止胫骨在股骨上前后过度滑动、前移也有特殊效果^[4]。膝关节前交叉韧带在韧带中最易受到损伤，一旦断裂，可对膝关节稳定性产生一定影响，如伴有内侧副韧带、半月板等严重损伤，继而严重影响膝关节和肢体功能^[5]。膝关节后交叉韧带损伤可导致膝关节不稳，多伴有后外侧韧带复合结构损伤，使胫骨处于向后半脱位状态^[6]。尽管不同的韧带损伤机制不同，但由于膝关节前交叉韧带抗张强度弱于后交叉韧带，因此后交叉韧带损伤远比前交叉韧带损伤少见^[7]。膝关节交叉韧带断裂不能自行修复，因此应尽早予以修复，以避免和减少继发骨性关节炎、半月板损伤等骨关节病的发生。重建膝关节交叉韧带能够保证膝关节稳定，对恢复膝关节功能具有极为重要的意义。

膝关节交叉韧带损伤后，移植重建是目前治疗的主要手段，临床上用于重建膝关节交叉韧带最常用的材料主要有自体韧带、异体韧带和人工韧带3大类。自体韧带包括腘绳肌、阔筋膜等都在临床上应用广泛，这些自体组织具有足够的强度和弹性，可与骨髓道形成牢固的骨性愈合，所以取得了较好的临床效果^[8]。但由于自体韧带有供源不足，存在取材部位并发症问题，并且自体韧带重建之后，韧带化过程中会出现韧带松动、断裂现象，自体韧带的强度也会随着时间变化而下降，对重建效果造成一定影响^[9]。已见大量异体韧带与自体韧带移植相似的随访报道，由于异体肌键组织抗原性很弱且不损伤患者自身结构而受重视^[10]。然而异体韧带也存在较高的传染疾病和免疫排斥风险，且移植后需要经历血管重建、细胞增殖等过程，恢复较慢，对患者尤其是运动员来说影响极大^[11]。由此可见，自体韧带和异体韧带重建膝关节交叉韧带虽然是以往的主流选择，但均存在各自的缺点。于是人工韧带在20世纪60至80年代期间成为研究热点。长期以来，在人工韧带方面的研究也从未停止，学者们对人工韧带生物材料进行了广泛而深入的研究^[12]。

人工韧带指采用生物材料制造，模拟人体肌腱、韧带的形态，具有生物力学性能，可用于人体肌腱、韧带修复、重建或替代的移植物^[13]。人工韧带应用于膝关节交叉韧带修复重建已有很长的历史。20世纪60至80年代，聚乙烯、碳纤维等多种材料制造的人工韧带不断出现，以欧美和日本应用较多。早期人工韧带重建后，一些患者发生膝关节滑膜炎，人工韧带断裂或松弛，膝关节不稳定，有部分作者报告术后4年的失败率高达60%^[14]。早期人工韧带失败的主要原因有人工韧带材料生物相容性差、整体结构设计不合理、固定困难、生物力学强度差，韧带疲劳断裂，骨隧道扩大，滑膜炎和骨溶解等一系列问题，由于这些早期人工韧带有较高的失败率，在20世纪90年代逐渐退出市场^[15]。

人工韧带的理想材料必须满足下列标准^[16-17]：①具备与膝关节交叉韧带相似的强度、生理弹性和低疲劳性等基本特性。②良好的生物相容性，无组织反应。③允许有生理排列、再生新韧带倾向的组织逐渐长入。④具有正常韧带的功能，能恢复膝关节正常运动功能。⑤植入可靠，操作具有可重复性，材料安全性随着材料改进逐渐增加。⑥材料来源不受限制。

随着人工韧带在材料及制作工艺的不断改进，相关研究已证实人工韧带的实验结果和短期临床效果令人满意，可尽早恢复双膝关节稳定性，保证运动功能。应用人工韧带重建膝关节交叉韧带的成败主要取决应用的材料^[18]。近几年文献报道，采用聚酯材料人工韧带进行修复与重建膝关节交叉韧带损伤，可获得足够的稳定性，恢复快，还可以减少患者传染其他疾病的可能，而且聚酯材料人工韧带强度较高，供体操作简单、创伤小、不损伤和牺牲自身组织，材料较多，组织相容性好，不存在愈合问题，在一定程度上弥补了自体韧带和异体韧带的不足^[19]。文章就人工韧带近年来的基础与临床研究进展及有关问题进行综述。

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材料方法

讨论

重建所需修复材料包括自体移植物、同种导体移植物和人工韧带。自体移植物可来自于骨-髌腱-骨复合体、腘绳肌腱、跟腱，自体移植物组织均是膝关节稳定结构的一部分，重建后存在膝关节屈伸肌力减弱的现象且持续时间较长，存在痛疼和滑膜炎等并发症，而且并不清楚自体移植物是否能发展为正常韧带组织。同种异体移植物则存在免疫排斥反应，有疾病传播的可能性，而且韧带化时间延迟。人工韧带操作简单，材料来源可控，不损伤自体组织，不需制动，重建后稳定性好。

人工韧带技术发展经历了碳纤维韧带、聚酯材料人工韧带和支架型人工韧带，由于早期人工韧带在结构、材料和组织相容性方面的缺陷，使早期人工韧带作用一定时间后被不可逆拉长，失去韧带的牵引功能而逐渐被淘汰^[48]。国内外仍有一些学者对此领域进行长期的研究，目前市场上主要是聚酯材料人工韧带，生物型人工韧带是未来发展的方向。

LARS人工韧带作为一种新型的聚酯材料人工韧带，生物相容性较好，在体内不被降解，在力学和组织相容性等相关指标上已逐渐满足了肌腱、韧带，特别是前交叉韧带重建的条件^[49]。它由高韧性的聚酯纤维构成，主要设计原理是模仿人体韧带的解剖结构和生物力学，具有抗重复扭曲、弯曲、抗疲劳、避免过度牵拉等优点，而且聚酯纤维具有组织相容性好、不易引起滑膜炎等特点^[50]。LARS人工韧带在国际上的使用至今已有18年的历史^[51]。目前国内外临床应用的人工韧带主要为LARS韧带。聚酯材料人工韧带的另一个代表为Leeds-Keio人工韧带，其同样由聚酯纤维制成，采用开放编制结构，特有的网孔结构设计和网状编织结构均能允许和刺激宿主胶原纤维的长入，并按正常韧带纤维方向排列，在应力刺激下完成塑形改造，人工韧带逐渐获得正常韧带的结构和抗拉强度，最终形成一条新的韧带。然而有关人工韧带的使用也存在争论，并且其临床远期效果仍待进一步观察，有关人工韧带材料选择、形态仿生设计、编织工艺和手术技术改进等需要进一步研究。

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