膨脹螺釘固定重建前交叉韌帶的生物力學(xué)研究*

陳帥 黃華揚(yáng) 鄭小飛 李憑躍 區(qū)永亮 沈洪園 王慶

（廣州軍區(qū)總醫(yī)院骨科醫(yī)院骨病關(guān)節(jié)科，廣州510010）

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament,ACL）是膝關(guān)節(jié)的重要穩(wěn)定結(jié)構(gòu)之一，也是運(yùn)動中常受損傷的部分，損傷后易引起半月板撕裂和關(guān)節(jié)軟骨退變等，嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)功能。近年來，關(guān)節(jié)鏡下自體腘繩肌腱移植重建ACL在臨床上倍受青睞[1]，但采用何種固定方法能提供堅強(qiáng)固定、恢復(fù)原有ACL的解剖學(xué)特點(diǎn)及生物力學(xué)特性，并減少固定對肌腱的切割損傷，一直是爭議的焦點(diǎn)。本研究設(shè)計膨脹界面螺釘對移植肌腱股骨端進(jìn)行膨脹擠壓固定，為進(jìn)一步探討其固定強(qiáng)度與效果，采用可吸收界面螺釘、金屬界面螺釘與膨脹界面螺釘進(jìn)行生物力學(xué)比較。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)標(biāo)本采用-20℃低溫冰凍保存的成人膝關(guān)節(jié)標(biāo)本21具，按隨機(jī)化分組原則分為膨脹螺釘組（n=7）、可吸收螺釘組（n=7）、金屬螺釘組（n=7）。膨脹界面螺釘為自行研制，專利號：201020237483.4，材料采用醫(yī)用鈦合金，委托施樂輝公司生產(chǎn)?？晌章葆?、金屬螺釘均為美國施樂輝公司生產(chǎn)（圖1）。

1.2 標(biāo)本制作

將冰凍膝關(guān)節(jié)標(biāo)本室溫下復(fù)溫24 h后解剖，分別取腘繩肌腱，并將對折后肌腱的直徑與骨道均設(shè)為8 mm。移植肌腱首先進(jìn)行20 N預(yù)張力10 min，消除粘彈性后備用。股骨側(cè)分別用膨脹螺釘、可吸收螺釘和金屬螺釘固定，前者模擬單隧道雙束ACL解剖重建，即按韌帶損傷的解剖位點(diǎn)重建；后兩者模擬單隧道單束ACL功能重建，即注重恢復(fù)功能而不強(qiáng)求在原解剖位點(diǎn)重建。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 固定方法：① 膨脹界面螺釘固定法：將取得的半腱肌和股薄肌對合為2股，修正肌腱直徑為4 mm，兩端編織縫合25 mm，然后穿過膨脹螺釘頂部孔道后對折為4股（圖2）。使用股骨定位器保留股骨后髁軟骨壁6 mm，在ACL原股骨止點(diǎn)中央處打入帶鼻孔導(dǎo)針，沿導(dǎo)針方向用直徑8 mm的鉆頭鉆入股骨骨道30 mm擴(kuò)大骨道，將移植肌腱牽入股骨隧道，模擬單隧道雙束ACL解剖重建，使用特制工具擰入螺釘內(nèi)芯進(jìn)行膨脹擠壓固定（圖3～5）。② 可吸收界面螺釘固定法：股骨骨道長度為30 mm，將編織縫合后的4股腘繩肌肌腱拉入股骨骨道內(nèi)，沿骨道內(nèi)導(dǎo)針擰入8 mm×30 mm（直徑×長度）可吸收界面螺釘。③ 金屬界面螺釘固定法：同可吸收界面螺釘固定法，沿骨道內(nèi)導(dǎo)針擰入8 mm×30 mm（直徑×長度）的金屬界面螺釘。

1.3.2 生物力學(xué)測試方法：采用bose萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試。將股骨標(biāo)本用特制夾具固定在實(shí)驗(yàn)臺上，肌腱游離端用夾具固定（圖6），從股骨隧道內(nèi)口到夾具之間的距離為32 mm（正常ACL的關(guān)節(jié)內(nèi)長度）。先行0～100 N的預(yù)載荷10次，再行變頻率循環(huán)載荷頻率1000次，應(yīng)力為50～200 N，將試驗(yàn)標(biāo)本以10 mm/min的加載速度沿股骨隧道相反方向行拔出試驗(yàn)。觀察并記錄循環(huán)載荷后的位移、抗拉剛度、100 N和400 N載荷位移、最大拔出載荷、失敗模式等數(shù)據(jù)。

1.3.3 肌腱切割的觀察及處理：上述各組固定方法行生物力學(xué)測試后，用鋸鋸開股骨隧道周圍骨質(zhì)，避免損傷移植肌腱，暴露骨隧道，觀察不同固定方法對移植肌腱的切割損傷程度（從骨道滑脫者可直接觀察），并分別取固定隧道內(nèi)口附近的肌腱組織做病理切片，觀察不同螺釘對肌腱組織切割傷的微觀變化。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 膨脹螺釘組、可吸收螺釘組和金屬螺釘組的股骨端生物力學(xué)數(shù)據(jù)

循環(huán)載荷位移（載荷50～200 N，循環(huán)1000次）：可吸收螺釘組＜金屬螺釘組＜膨脹螺釘組，無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。100 N、400 N載荷位移和抗拉剛度各組間無統(tǒng)計學(xué)差異。最大拔出載荷：膨脹螺釘組＞可吸收螺釘組＞金屬螺釘組，膨脹螺釘組與可吸收螺釘組比較無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05），膨脹螺釘組與金屬螺釘組比較有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05，表1）。

2.2 失敗模式

膨脹螺釘組7例標(biāo)本失敗模式均為固定界面的滑脫；可吸收螺釘組6例為固定界面滑脫，1例為肌腱在隧道內(nèi)擠壓部位斷裂；金屬螺釘組5例為固定界面滑脫，2例為肌腱在骨道內(nèi)口擠壓部位斷裂。

2.3 切割程度及病理觀察

膨脹螺釘對移植肌腱的切割傷最輕，可吸收螺釘次之，金屬螺釘最重。在電子顯微鏡下可見不同固定方法對肌腱組織的切割損傷程度（圖7）。

3 討論

目前，ACL重建的移植替代物一直存在爭議，由于腘繩肌腱相對骨-髕腱-骨對周圍組織損傷小，后遺癥少，易于穿過骨隧道固定[1,2]，腘繩肌腱（半腱肌肌腱和股薄肌肌腱）移植重建ACL逐漸被廣泛采用。Harilainen等[3]研究發(fā)現(xiàn)4股腘繩肌腱移植物的最大失效強(qiáng)度為4213 N，約為正常ACL的2倍，符合重建韌帶“以強(qiáng)代弱”原則，被認(rèn)為是重建韌帶最好的移植物。

ACL重建的目的是恢復(fù)原有韌帶的功能和強(qiáng)度，研究指出重建ACL的移植肌腱強(qiáng)度大都接近或超過原有韌帶，手術(shù)成功的關(guān)鍵在于采取哪種固定方式既能滿足術(shù)后早期活動和功能鍛煉，又可促進(jìn)腱骨愈合[4]。大量動物實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，ACL重建腱骨愈合發(fā)生在術(shù)后6～12周，堅強(qiáng)固定是患者進(jìn)行康復(fù)功能鍛煉的前提條件。Rupp等[5]指出行走時正常ACL受到的強(qiáng)度為169 N，下樓梯時為445 N，Noyes等[6]研究表明日常活動中ACL所受到的最大強(qiáng)度為454 N。結(jié)合這些數(shù)據(jù)，移植肌腱的初始固定強(qiáng)度達(dá)到450 N以上才能滿足術(shù)后早期康復(fù)的要求。本研究表明膨脹螺釘組、可吸收螺釘組和金屬螺釘組對移植肌腱固定的最大拔出載荷分別為（517.57±26.09）N、（503.57±33.84）N、（460.43±42.75）N，均達(dá)到初始固定強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，膨脹螺釘和可吸收螺釘相比金屬螺釘顯示出更好的力學(xué)特性。

表1 膨脹界面螺釘、可吸收螺釘及金屬螺釘固定的股骨端生物力學(xué)數(shù)據(jù)（±s）

表1 膨脹界面螺釘、可吸收螺釘及金屬螺釘固定的股骨端生物力學(xué)數(shù)據(jù)（±s）

注：ΔP＜0.05，與金屬螺釘組比較有統(tǒng)計學(xué)差異

生物力學(xué)參數(shù)最大拔出載荷（N）循環(huán)載荷位移（mm）100 N位移（mm）400 N位移（mm）抗拉剛度（N/mm）膨脹螺釘組（n=7）517.57±26.09Δ 1.88±0.30 1.29±0.17 7.93±0.70 65.28±4.34可吸收螺釘組（n=7）503.57±33.84 1.64±0.24 1.31±0.21 7.95±0.62 64.29±3.59金屬螺釘組（n=7）460.43±42.75 1.77±0.13 1.33±0.15 8.00±0.64 62.47±3.87

本研究失敗模式中可吸收螺釘組1例和金屬螺釘組2例均因界面螺釘切割擠壓造成移植肌腱強(qiáng)度下降而出現(xiàn)肌腱斷裂失效，臨床常有類似情況發(fā)生，需要注意界面螺釘螺紋對肌腱的直接切割傷。Zantop等[7]研究發(fā)現(xiàn)金屬螺釘與可吸收螺釘對肌腱的切割傷與其螺紋密集度、偏心固定及骨密度等有關(guān)，金屬螺釘?shù)那懈顐黠@大于可吸收螺釘。膨脹螺釘組的7例標(biāo)本失敗模式均為固定界面的滑脫，因?yàn)橄鄬晌章葆敽徒饘俾葆?，膨脹螺釘?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于不依靠螺紋對肌腱的偏心擠壓固定，而是通過內(nèi)芯螺釘膨脹擠壓固定移植肌腱，不會產(chǎn)生普通界面螺釘螺紋對肌腱的切割傷，另外還增加了肌腱與骨道壁的接觸面積，更有利于腱骨愈合和產(chǎn)生更大的固定強(qiáng)度。

Elliott等[8]將ACL重建的固定方法分為兩類：①靠近關(guān)節(jié)面的骨隧道內(nèi)口固定（aperture fixation,AF），如各種界面螺釘；② 遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)面的外周固定（peripheral fixation,PF），如懸吊接骨板、門形釘?shù)取＝缑媛葆斢谠瑼CL位點(diǎn)固定移植肌腱，最靠近關(guān)節(jié)面，是AF的經(jīng)典固定方式。研究表明AF相比PF能有效減少肌腱固定后與骨隧道間的蹦極效應(yīng)和雨刷效應(yīng)[9]，阻止骨道擴(kuò)大，利于腱骨愈合。本研究設(shè)計的膨脹螺釘也屬于AF系統(tǒng)，但不同于普通界面螺釘在解剖位點(diǎn)的偏心固定，而是將腘繩肌腱穿過膨脹螺釘頂部孔道后自然分為前內(nèi)側(cè)束和后外側(cè)束，直接在原ACL股骨側(cè)止點(diǎn)模擬單隧道ACL雙束解剖重建，并于中間擰入內(nèi)芯螺釘向骨道壁兩側(cè)膨脹擠壓固定肌腱。生物力學(xué)測試，膨脹螺釘組的固定強(qiáng)度、抗拉剛度等力學(xué)性能均優(yōu)于可吸收螺釘組及金屬螺釘組，但無統(tǒng)計學(xué)差異。Gadikota等[10]研制AperFix股骨固定裝置，使腘繩肌腱實(shí)現(xiàn)單隧道雙束ACL解剖重建的設(shè)想，其機(jī)理與本研究相似。

ACL重建術(shù)后松弛失效的主要原因是移植肌腱在骨道內(nèi)發(fā)生滑移或脫落，有學(xué)者研究指出肌腱固定后在骨道內(nèi)位移超過3 mm即為固定失敗[11]。生物力學(xué)研究表明，ACL重建術(shù)后單一載荷并不能模擬正常膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動力學(xué)特征，循環(huán)載荷可最大程度地模擬人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動力學(xué)特征，循環(huán)載荷位移逐漸成為ACL重建術(shù)后檢測松弛程度的重要指標(biāo)。本研究的生物力學(xué)結(jié)果：膨脹螺釘組的循環(huán)載荷位移大于可吸收螺釘組和金屬螺釘組，膨脹螺釘組100 N、400 N的位移小于可吸收螺釘組和金屬螺釘組，這種情況可能與術(shù)者對膨脹螺釘膨脹擠壓固定的膨脹程度把握不夠、膨脹螺釘-移植肌腱-骨道的匹配不合理或骨道骨質(zhì)疏松等有關(guān)。但本研究中3組的循環(huán)載荷位移、100 N位移均未超過3 mm，與其他固定方法比較無統(tǒng)計學(xué)差異，顯示出良好的生物力學(xué)特性。

膨脹界面螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度與普通界面螺釘一樣受諸多因素影響，與螺釘長度、直徑、螺釘?shù)呐蛎洺潭燃肮堑赖墓敲芏鹊让芮邢嚓P(guān)。增加螺釘長度和直徑可減少肌腱在骨道內(nèi)微動，增加腱骨接觸面積，改善腱骨愈合，增強(qiáng)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。Herrera等[12]研究比較直徑×長度為10 mm×35 mm、10 mm×28 mm、9 mm×35 mm和9 mm×28 mm的界面螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度，結(jié)果長度和直徑越大固定強(qiáng)度越高。本研究中肌腱的直徑與骨道統(tǒng)一設(shè)為8 mm，可吸收螺釘與金屬螺釘?shù)囊?guī)格統(tǒng)一為8 mm×30 mm，膨脹螺釘規(guī)格為7 mm×30 mm，擰入內(nèi)芯螺釘后直徑可膨脹至10 mm左右。理論上膨脹螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度應(yīng)大于普通界面螺釘，本研究中亦得到驗(yàn)證。但也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)螺釘直徑即便超過骨隧道3 mm也不增加其固定強(qiáng)度[13]，但螺釘直徑增大勢必造成移植肌腱切割更為嚴(yán)重。另外，股骨端植釘區(qū)域的骨密度也會影響膨脹螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度，Nyland等[14]研究發(fā)現(xiàn)螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度與植釘部位的骨密度呈正相關(guān)。

總之，腘繩肌腱移植股骨端膨脹界面螺釘固定為ACL重建提供更可靠、有效的固定方式，對移植肌腱損傷小，可以滿足ACL重建固定肌腱的需要，亦可實(shí)現(xiàn)單隧道ACL雙束解剖重建。但對于膨脹螺釘膨脹程度的把握、增加膨脹螺釘-移植肌腱-骨隧道接觸面積是否能提高固定強(qiáng)度和改善腱骨愈合，尚需動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

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