富血小板血漿對軟骨修復的生物力學研究

董海鵬，高石軍，竇 硯，鄭曉佐，左百軍(河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院關(guān)節(jié)二科,河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

·論著·

富血小板血漿對軟骨修復的生物力學研究

董海鵬，高石軍*，竇 硯，鄭曉佐，左百軍
(河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院關(guān)節(jié)二科,河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

目的探討自體富血小板血漿(platelet rich plasma，PRP)修復兔膝關(guān)節(jié)軟骨損傷后生物力學變化。方法構(gòu)建兔膝關(guān)節(jié)軟骨完整模型作為對照組，構(gòu)建兔膝關(guān)節(jié)股骨負重區(qū)內(nèi)側(cè)軟骨損傷模型，用自體PRP注入右膝作為PRP組，用生理鹽水(normal saline，NS)注入左膝作為NS組，術(shù)后1、3、5周分別取材，觀察軟骨修復情況，用壓敏片測試膝關(guān)節(jié)內(nèi)、外側(cè)關(guān)節(jié)面接觸面積及壓強。結(jié)果術(shù)后1、3、5周，大體觀察新生軟骨組織，PRP組均好于NS組，術(shù)后5周PRP組與對照組比較，脛股關(guān)節(jié)內(nèi)、外側(cè)接觸面積及壓強差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。結(jié)論PRP可以修復受損軟骨，修復后膝關(guān)節(jié)軟骨組織的接觸面積及接觸壓力接近正常軟骨組織。

軟骨，關(guān)節(jié)；富血小板血漿；修復外科手術(shù)

膝關(guān)節(jié)軟骨損傷是臨床常見疾病，軟骨損傷后可以導致明顯的軟骨退變，引起脛股關(guān)節(jié)生物力學特性改變，導致膝關(guān)節(jié)退變。治療軟骨損傷的方法很多，重建關(guān)節(jié)軟骨的組織形態(tài)及生物力學特性是當今臨床治療關(guān)節(jié)軟骨損傷的關(guān)鍵與難點，近年來研究[1-3]發(fā)現(xiàn)，富血小板血漿(plateletrichplasma，PRP)可以修復關(guān)節(jié)軟骨的組織形態(tài)，但國內(nèi)外對于PRP修復受損關(guān)節(jié)軟骨后其生物力學特性的研究報道很少。本研究使用自體PRP修復膝關(guān)節(jié)軟骨損傷后，對比脛股關(guān)節(jié)壓強及接觸面積的變化，進而探討軟骨損傷后經(jīng)PRP修復在生物力學方面的作用。

1 材料與方法

1.1 實驗動物：3～4個月齡新西蘭大白兔24只，雌雄不限，體質(zhì)量1.5～2.1kg(河北省實驗動物中心提供)。構(gòu)建兔膝關(guān)節(jié)軟骨完整模型作為對照組(6個)，構(gòu)建兔膝關(guān)節(jié)股骨負重區(qū)內(nèi)側(cè)軟骨損傷模型，用自體PRP注入右膝作為PRP組(18個)，用生理鹽水(NS)注入左膝作為NS組(18個)。

1.2 兔自體PRP的制備：采用二次離心法制備PRP，將5mL兔耳緣動脈血制備PRP約0.5mL，兔全血血小板計數(shù)為(151.35±39.81)×109/L；本實驗制備的PRP血小板計數(shù)為(708.98±156.99)×109/L，達到4倍以上，為有效濃度。

1.3 實驗方法: 隨機選取18只實驗動物稱質(zhì)量并記錄，將4.5mL鹽酸賽拉嗪注射液及2mL鹽酸氯胺酮注射液溶入100mLNS中制備全麻藥物，按2.5mL/kg耳緣靜脈注射麻醉，膝前正中切口，以髕旁內(nèi)側(cè)入路切開膝關(guān)節(jié)囊，外側(cè)推動髕骨致其外側(cè)脫位，充分暴露關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)髁，用手術(shù)刀片在內(nèi)側(cè)髁負重區(qū)制造面積約2mm×3mm、厚度約3mm的軟骨缺損，不傷及軟骨下骨。PRP組關(guān)節(jié)腔內(nèi)注入0.5mLPRP及50μL激活劑(葡萄糖酸鈣、牛凝血酶)，NS組關(guān)節(jié)注射NS。術(shù)后均放回籠舍正常飼養(yǎng)，不予制動措施，前4天肌內(nèi)注射慶大霉素4萬U/d預防術(shù)后感染。術(shù)后1、3、5周空氣栓塞法處死動物，其中每個時相點各處死6只，離關(guān)節(jié)面5cm處截斷股骨和脛骨，去除多余軟組織，-20℃冰箱內(nèi)標號保存?zhèn)溆?。剩?只兔右膝手術(shù)造成軟骨完整模型作為對照組保存?zhèn)溆?，方法同上?/p>

1.4 生物力學檢測：控制室溫22℃、濕度40%，標本伸直位(屈膝0°)固定于夾具上，將Prescale感壓紙(LLW，日本富士公司)放入兔膝關(guān)節(jié)，應(yīng)用CSS-44020生物力學試驗機(長春試驗機研究所)，以5mm/min、最大50N的壓力行壓力試驗，至50N時保持壓力2min，使壓敏片穩(wěn)定著色。取下壓敏片，著色面固定于A4打印紙上，逐一標識、記錄，共42例膝關(guān)節(jié)。采用AutoCAD軟件(中望CAD標準版)行壓敏片面積的測定，采用多線段測量不規(guī)則圖形面積，測量脛股關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)及外側(cè)關(guān)節(jié)壓強并記錄結(jié)果，壓強結(jié)果采用富士壓力讀取器(FPD-306E和FPD-305E，日本富士公司)測定內(nèi)側(cè)及外側(cè)脛股關(guān)節(jié)壓力。

2 結(jié) 果

2.1 軟骨修復大體觀察：PRP組術(shù)后1、3周缺損軟骨處可見新生軟骨組織，表面略粗糙，缺損區(qū)邊界未消失，術(shù)后5周缺損軟骨處新生軟骨組織修復完整，軟骨表面光滑有光澤，缺損區(qū)邊界消失；NS組術(shù)后1周未見明顯軟骨修復，術(shù)后3、5周仍可見軟骨缺損，中央部不平整，可見軟骨樣組織覆蓋，覆蓋組織呈白色，與損傷邊緣邊界不清，軟骨退變。

2.2 同時間脛股關(guān)節(jié)接觸面積和壓強比較：術(shù)后1、3周，PRP組、NS組內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積均大于對照組，PRP組、NS組外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積均小于對照組(P<0.05)；術(shù)后5周，NS組內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積明顯大于對照組，NS組外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積明顯小于對照組(P<0.05)；術(shù)后1、3、5周，PRP組內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積均小于NS組，PRP組外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積均大于NS組(P<0.05)。術(shù)后1、3、5周各組間脛股關(guān)節(jié)壓強以及各時點之間差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，見表1。

GroupsMedialcontactarea(mm2)1week3weeks5weeksLateralcontactarea(mm2)1week3weeks5weeksControl15．79±0．6815．79±0．6815．79±0．6815．59±0．4315．59±0．4315．59±0．43NS19．91±1．56?20．08±0．86?#21．23±2．24?12．49±0．84?12．12±0．90?11．51±1．41?PRP18．38±0．86?#17．74±0．86?#15．69±0．70#△☆13．94±0．46?#14．27±0．76?#15．33±0．53#△☆ F21．44742．04130．49739．32234．93138．006 P0．0000．0000．0000．0000．0000．000GroupsMedialpressure(MPa)1week3weeks5weeksLateralpressure(MPa)1week3weeks5weeksControl1．84±0．211．84±0．211．84±0．211．83±0．251．83±0．251．83±0．25NS1．79±0．211．85±0．332．00±0．261．98±0．311．83±0．251．77±0．22PRP1．81±0．291．89±0．321．84±0．231．91±0．241．80±0．281．85±0．26 F0．0660．0590．0490．4690．0260．175 P0．9360．9520．6350．9740．9740．841

*P<0.05vscontrol group #P<0.05vsNS group △P<0.05vs1 week ☆P<0.05vs3 weeks byqtest

3 討 論

PRP是自體血經(jīng)濃集、分離后獲得的血液制品，含血小板濃度為全血的4～ 5倍，血小板經(jīng)激活后能釋放出大量高濃度生長因子，可以刺激細胞增殖分化，促進軟組織修復[4]。Sun等[1]將48例兔軟骨缺損模型隨機分為2組，實驗組以PRP處理，對照組不作處理，結(jié)果提示PRP組在大體形態(tài)和組織學變化方面均顯著優(yōu)于對照組，并發(fā)現(xiàn)PRP有刺激新生軟骨形成的作用。Saito等[2]在兔膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷(anterior cruciate ligament transection,ACLT)造模骨關(guān)節(jié)炎的研究中的發(fā)現(xiàn)，在兔膝關(guān)節(jié)內(nèi)注射PRP顯著抑制ACLT兔模型軟骨損傷形態(tài)和組織學的發(fā)展。Milano等[3]對羊膝關(guān)節(jié)軟骨損傷后使用PRP與關(guān)節(jié)鏡下微骨折術(shù)后組織學研究顯示，從組織學方面評估，PRP組長期軟骨組織形態(tài)及結(jié)構(gòu)完整性明顯優(yōu)于微骨折組。本研究結(jié)果顯示，大體觀察術(shù)后5周PRP組受損軟骨處新生軟骨組織修復完整，NS組術(shù)后5周仍可見軟骨缺損，使用PRP可以修復受損軟骨，使軟骨組織修復完整，表面光滑。

膝關(guān)節(jié)作用力的傳遞借助于半月板和關(guān)節(jié)軟骨的蠕變使脛股之間的接觸面增大，從而減少了單位面積的力負荷，脛股關(guān)節(jié)間力的傳遞和應(yīng)力分布與正常的半月板和關(guān)節(jié)軟骨的功能密切相關(guān)[5]。此外，膝關(guān)節(jié)在水平面的旋轉(zhuǎn)運動是以內(nèi)側(cè)髁為中心，這種旋轉(zhuǎn)方式使得膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙易于發(fā)生退變，這也是膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎病變往往以內(nèi)側(cè)間隙為重，甚至出現(xiàn)典型的內(nèi)側(cè)單間室骨關(guān)節(jié)炎和膝內(nèi)翻畸形[6-7]。本研究PRP組在術(shù)后1、3、5周脛股關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)接觸面積呈減少趨勢，說明軟骨得到修復，缺損區(qū)域填充，恢復軟骨完整，脛股關(guān)節(jié)外側(cè)接觸面積呈增加趨勢，到第5周非常接近對照組，說明關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)都已基本恢復正常。因此，認為PRP可以改變關(guān)節(jié)軟骨的生物力學特性。薛超等[8]研究發(fā)現(xiàn)正常兔膝關(guān)節(jié)在0°時其接觸面積為(30.0±5.9)mm2，而在切除內(nèi)側(cè)半月板時為(13.0±2.8)mm2。而本研究有所不同，其原因為在生物力學測量時切除內(nèi)外側(cè)半月板，當脛股關(guān)節(jié)中保留內(nèi)側(cè)和外側(cè)半月板時，股骨壓縮到脛骨上的半月板，導致它們向四周伸展，使脛股關(guān)節(jié)的接觸面積增大，減小關(guān)節(jié)軟骨之間的接觸應(yīng)力。內(nèi)側(cè)軟骨損傷后短期內(nèi)其退變并不嚴重，半月板的存在可以增加脛股接觸面積從而分擔軟骨受力，長期損傷后,巨大應(yīng)力不均伴隨內(nèi)側(cè)軟骨接觸面積增加，致使損傷區(qū)域增生，邊緣骨贅形成，使內(nèi)側(cè)接觸面積進一步增加，容易導致膝內(nèi)翻畸形。本研究結(jié)果也證實這一點，NS組術(shù)后1、3、5周內(nèi)側(cè)軟骨接觸面積增加，缺損區(qū)域增加，輕度骨贅形成；而PRP組術(shù)后5周缺損區(qū)域被新生軟骨組織替代，邊緣光滑有光澤，內(nèi)、外側(cè)接觸面積與對照組相似。

Gushue等[9]分析了正常兔膝關(guān)節(jié)生物力學的特點，發(fā)現(xiàn)兔關(guān)節(jié)運動時接觸壓力峰值內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)要高于外側(cè)脛股關(guān)節(jié)。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)接觸壓力要大于外側(cè)接觸壓力，但是差別不明顯。原因可能是本研究標本是尸體，其加載的壓力是恒定的，并且壓力為其3倍體質(zhì)量以模仿動物行走時膝關(guān)節(jié)所承受負荷。對同時間內(nèi)外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積和壓強比較的統(tǒng)計結(jié)果顯示，術(shù)后1、3、5周，PRP組、NS組與對照組兩兩比較內(nèi)外側(cè)脛股關(guān)節(jié)壓強，差異均無統(tǒng)計學意義，原因可能是加載于標本上的應(yīng)力為超負荷應(yīng)力，即為動物體質(zhì)量3倍以上，此時內(nèi)外側(cè)壓力都超過軟骨形變范圍，致使壓力分布無明顯差別。對于不同時間點內(nèi)外側(cè)脛股關(guān)節(jié)接觸面積和壓強比較，術(shù)后5周，PRP組內(nèi)側(cè)接觸面積逐漸減小，外側(cè)接觸面積逐漸增大，而NS組外側(cè)脛股關(guān)節(jié)壓強的比較雖無統(tǒng)計學意義，但術(shù)后5周有趨勢小于1周及3周，我們認為軟骨損傷后會導致關(guān)節(jié)面的生物力學改變。關(guān)節(jié)面局部的應(yīng)力集中可致關(guān)節(jié)軟骨的病損，關(guān)節(jié)面的接觸壓降低和失去接觸也會導致軟骨的退變。由于軟骨面的退變導致的軟骨厚度的喪失還可導致正常軟骨面的應(yīng)力重新分布，導致整個軟骨損傷的擴展。這說明關(guān)節(jié)軟骨損傷后沒有進行有效治療，其長期影響會改變關(guān)節(jié)內(nèi)生物力學特性。也可能觀察例數(shù)太少，有待今后擴大例數(shù)進一步研究。

本研究提示PRP對兔關(guān)節(jié)軟骨組織形態(tài)的修復有積極促進作用，新生軟骨組織的接觸面積及接觸壓力接近正常膝關(guān)節(jié)軟骨組織，這為臨床應(yīng)用PRP治療軟骨損傷提供了實驗依據(jù)。

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(本文編輯：許卓文)

BIOMECHANICALSTUDYONPLATELET-RICHPLASMAINREPAIROFARTICULARCARTILAGE

DONGHaipeng，GAOShijun*，DOUYan，ZHENGXiaozuo，ZUOBaijun
(SecondDepartmentofJoint,theThirdHospitalofHebeiMedicalUniversity,HebeiOrthopaedicBiomechanicsLaboratory,Shijiazhuang050051,China)

ObjectiveTostudythebiomechaniccharacteristicsofkneejointaftercartilagerepairingwithplatelet-richplasma(PRP).MethodsThemodelsofcartilageinjuryonweight-bearingareainthemedialfemoralwereconstructed,andwererespectivelyrepairedbyPRPandnormalsaline(NS).Theuninjuredcartilageswereregardedascontrolgroup.Therepairofinjuredcartilagewereexamined,andthemedialandlateralcontactareaandpressureofthekneejointwererecorded1,3,5weekspostoperatively.ResultsThenewlyrepairedcartilagewasobservedinPRPgroup,andthereparativeeffectwasbetterthantheNSgroup1,3,5weekspostoperatively.TherewerenosignificantdifferenceinthefieldsofthecontactareaandpressureofthemedialandlateralthetibiofemoraljointfiveweeksafteroperationbetweenthePRPgroupandthecontrolgroup(P>0.05).ConclusionThePRPwasapotentialfactorforrepairinginjuredcartilage.ThecontactareaandpressureofthekneejointafterrepairbyPRPweresimilartothenormalcartilage.

cartilage,articular；plateletrichplasma;reconstructivesurgicalprocedures

2013-11-18；

2013-12-17

董海鵬(1984-)，男，河北石家莊人，河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院醫(yī)學碩士研究生，從事關(guān)節(jié)外科疾病診治研究。

*通訊作者。E-mail:gaoshijun@126.com

R327.72

A

1007-3205(2014)06-0635-04

10.3969/j.issn.1007-3205.2014.06.006