兩種改性可吸收界面螺釘重建前交叉韌帶的生物力學(xué)研究

楊坤，朱偉民，黃江鴻，段莉，陳潔琳，崔家鳴，解磊，林威，熊建義，王大平*

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實(shí)驗(yàn)研究

兩種改性可吸收界面螺釘重建前交叉韌帶的生物力學(xué)研究

楊坤1，2，朱偉民2，黃江鴻2，段莉2，陳潔琳2，崔家鳴2，解磊2，林威2，熊建義2，王大平1，2*

(1.安徽醫(yī)科大學(xué)深圳市第二人民醫(yī)院臨床學(xué)院，廣東 深圳518000；2.深圳市第二人民醫(yī)院組織工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳518000)

摘要：目的探索兩種改性可吸收界面螺釘聚乳酸/羥基磷灰石/α-Fe2O3(PLLA/HA/α-Fe2O3)和聚乳酸-聚乙二醇/羥基磷灰石(PLLA-PEG/HA)重建前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)早期是否能滿足對(duì)移植物固定的初始力學(xué)要求。方法豬脛骨及游離的豬伸趾肌腱被隨機(jī)分為3組，每組包括8個(gè)脛骨及8個(gè)伸趾肌腱，分別應(yīng)用PLLA/HA/α-Fe2O3、PLLA-PEG/HA及臨床使用聚乳酸/羥基磷灰石(BioRCI-HA，Smith & Nephew，USA)三種界面螺釘對(duì)脛骨端移植物進(jìn)行擠壓固定。移植物固定完成后對(duì)三組實(shí)驗(yàn)樣本實(shí)施生物力學(xué)測(cè)試，包括最大載荷、剛度和失敗模式。結(jié)果最大載荷：BioRCI-HA組為(483.4±103.8) N，PLLA/HA/α-Fe2O3組為(456.0±102.0) N，PLLA-PEG/HA組為(445.7±90.1) N，三組最大載荷差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。抗拉剛度：BioRCI-HA組(48.0±6.7) N/mm>PLLA-PEG/HA組(40.7±6.7) N/mm和PLLA/HA/α-Fe2O3組(41.2±4.6) N/mm，前者抗拉強(qiáng)度較后兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。失敗模式：所有樣本測(cè)試失敗模式均為移植物滑出，并無出現(xiàn)移植物撕裂或者固定裝置損壞發(fā)生。結(jié)論改性界面螺釘PLLA/HA/α-Fe2O3、PLLA-PEG/HA在重建豬ACL中能滿足生物力學(xué)要求。

關(guān)鍵詞：前交叉韌帶；可吸收界面螺釘；生物力學(xué)

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)的損傷發(fā)生通常與運(yùn)動(dòng)損傷相關(guān)，ACL損傷后保守治療效果往往欠佳。目前關(guān)節(jié)鏡下四股腘繩肌腱重建前交叉韌帶已經(jīng)成為治療ACL損傷的主流[1]。界面螺釘作為一種較常用直接固定裝置，具有固定移植物靠近關(guān)節(jié)面、降低肌腱蠕變程度及防止關(guān)節(jié)液流入隧道等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于臨床[2]?？晌詹牧系慕缑媛葆斒桥R床研究熱點(diǎn)，目前市場(chǎng)上存在多種不同材質(zhì)的可吸收界面螺釘，然而并未出現(xiàn)一種較理想的可吸收界面

螺釘既可以滿足力學(xué)要求，又能很好促進(jìn)術(shù)后患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。本課題組在大量前期研究基礎(chǔ)上對(duì)聚乳酸/羥基磷灰石界面螺釘進(jìn)行改性，制備出2種改性界面螺釘PLLA/HA/α-Fe2O3和PLLA-PEG/HA[3]。

軟組織移植物重建ACL術(shù)后早期階段是移植物固定最薄弱時(shí)期[4]。最初6～8周固定裝置維持重建的ACL重建位置，隨后移植物逐步融入骨中形成較為牢固的腱-骨愈合[5]。ACL移植物初始固定的強(qiáng)度被認(rèn)為在ACL重建成敗及患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)中起到?jīng)Q定性作用。事實(shí)上，堅(jiān)強(qiáng)牢固的內(nèi)固定可以有效阻止移植物滑動(dòng)。本研究采用大型家畜體外模擬重建ACL，運(yùn)用3種不同材料可吸收界面螺釘對(duì)移植物進(jìn)行固定，從生物力學(xué)的角度來探討改性界面螺釘能否達(dá)到對(duì)移植物的最初固定要求。

1資料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料屠宰場(chǎng)購買新鮮的豬后肢24個(gè)模擬交叉韌帶重建，游離伸趾肌腱24條作為重建ACL移植物，量具測(cè)量移植物橫截面直徑約8 mm，長(zhǎng)度為10.5 cm。24個(gè)豬脛骨及24個(gè)移植物隨機(jī)分為三組。實(shí)驗(yàn)所用界面螺釘PLLA/HA/α-Fe2O3(8 mm，25 mm)、PLLA-PEG/HA(8 mm，25 mm)和BioRCI-HA(8 mm，25 mm)，所有螺釘均為合適的尺寸。實(shí)驗(yàn)分組：PLLA/HA/α-Fe2O3固定組(n=8)和PLLA-PEG/HA固定組(n=8)為實(shí)驗(yàn)組，BioRCI-HA固定組(n=8)為對(duì)照組(見圖1)。

圖1　界面螺釘BioRCI-HA、PLLA/HA/α-Fe2O3、PLLA-PEG/HA大體照(從左至右依次排序)

1.2界面螺釘對(duì)脛骨端移植物固定去除脛骨近端周圍的肌肉及軟組織，調(diào)整脛骨定位器55°下定位，骨鉆由脛骨前內(nèi)側(cè)向脛骨關(guān)節(jié)面建立直徑為8 mm骨道，骨道長(zhǎng)度約25 mm。移植物置入脛骨隧道內(nèi)，界面螺釘由脛骨前內(nèi)側(cè)擰入骨道內(nèi)對(duì)移植物行偏心擠壓固定，螺釘尾部達(dá)骨道的關(guān)節(jié)面開口(見圖2)。膝關(guān)節(jié)面以下15 cm處截?cái)嗝劰?，鹽水紗布包裹所有樣本置于-20℃下冰箱內(nèi)保存，直到進(jìn)行生物測(cè)試前。

圖2　脛骨骨道建立

1.3生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試前1天將所有樣本置于4℃冰箱內(nèi)，測(cè)試當(dāng)天將樣本置于37℃ 0.9%生理鹽水溶液中15 min，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)(Instron-E10000，美國(guó))進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試。螺釘于多個(gè)方向?qū)⒚劰堑锥斯潭ㄔ陬A(yù)先定制的鋁制圓筒中，鋁制圓筒與萬能材料試驗(yàn)機(jī)臺(tái)面相連。夾具夾持固定移植物游離端，調(diào)整脛骨隧道關(guān)節(jié)面開口到夾具之間的移植物長(zhǎng)度為2 cm。在拔出載荷施加前，所有樣本進(jìn)行10～110 N、20個(gè)循環(huán)預(yù)加載處理，以用來標(biāo)準(zhǔn)化力學(xué)性能。預(yù)加載結(jié)束后間隔60 s，以加載速度為1 mm/s進(jìn)行單次拔出實(shí)驗(yàn)，記錄載荷-位移曲線，觀察最大載荷、抗拉剛度及失敗模式(見圖3)。

圖3　單次拔出實(shí)驗(yàn)載荷—位移曲線圖

2結(jié)果

2.1最大載荷3種界面螺釘固定平均最大載荷依次為：BioRCI-HA組(483.4±103.8) N，PLLA/HA/α-Fe2O3組(456.0±102.0) N，PLLA-PEG/HA組(445.7±90.1) N。各組最大載荷差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)(見圖4)。

圖4　三種界面螺釘固定的最大載荷比較

2.2剛度3種界面螺釘固定平均剛度依次為：BioRCI-HA組(48.0±6.7) N/mm，PLLA/HA/α-Fe2O3組(40.7±6.7) N/mm，PLLA-PEG/HA組(41.2±4.6) N/mm。BioRCI-HA組大于PLLA-PEG/HA組和PLLA/HA/α-Fe2O3組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；PLLA-PEG/HA組大于PLLA/HA/α-Fe2O3組，兩組抗拉強(qiáng)度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)(見圖5)。

圖5　三種界面螺釘固定的抗拉剛度比較

2.3失敗模式測(cè)試中移植物失敗分為兩種，移植物滑出定義為移植物近端或遠(yuǎn)端固定分離，移植物撕裂定義為拉伸過程中移植物中部撕裂。本實(shí)驗(yàn)所有樣本測(cè)試失敗模式均為移植物滑出，并無出現(xiàn)移植物撕裂或者固定裝置損壞發(fā)生。

3討論

ACL是脛骨在股骨上向前滑動(dòng)的主要穩(wěn)定裝置，ACL在膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定中起到重要作用，臨床上ACL一旦損傷不采取積極治療可能會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)過早退變[6]?？晌战缑媛葆斒桥R床上常用的ACL重建移植物固定裝置，目前市面上可吸收界面螺釘材料多為高分子聚合物如聚乳酸、聚乳酸-羥基乙酸及L/DL聚乳酸等。但無論采取那種可吸收界面螺釘固定，術(shù)后都可能出現(xiàn)螺釘斷裂、骨道擴(kuò)大、排斥反應(yīng)、囊腫或膿腫形成及降解較慢等并發(fā)癥發(fā)生[7]。

本課題組通過對(duì)聚乳酸/羥基磷灰石界面螺釘進(jìn)行改性，通過向聚乳酸/羥基磷灰石加入超順磁性納米α-Fe2O3粒子制備出新型磁性界面螺釘PLLA/HA/α-Fe2O3，通過使用親水性更高的聚乳酸-聚乙二醇(PLLA-PEG)制備出新型親水性更高的界面螺釘PLLA-PEG/HA，在不改變螺釘本身力學(xué)強(qiáng)度情況下通過增加界面螺釘超順磁性及提高親水性，從而改善術(shù)后腱-骨愈合及提高材料降解性能[8-9]。

研究表明，股四頭肌收縮牽引膝關(guān)節(jié)伸直過程需要ACL移植物承受約200 N的力[10]。為達(dá)到術(shù)后完全恢復(fù)，移植物最初固定強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到可以抵消膝關(guān)節(jié)伸直所產(chǎn)生的合力。通過本研究發(fā)現(xiàn)，改性界面螺釘在最大失敗載荷、失敗模式上與臨床使用的聚乳酸/羥基磷灰石界面螺釘無明顯差異；改進(jìn)界面螺釘在抗拉剛度方面較聚乳酸/羥基磷灰石界面螺釘稍弱，可能與改性螺釘螺紋制作工藝有關(guān)。3種界面螺釘?shù)目估瓌偠?，與報(bào)道大多數(shù)脛骨固定剛度9～50 N/mm是相符的[11]。

我們通過施行拔出試驗(yàn)驗(yàn)證3種界面螺釘固定的力學(xué)性能，這在術(shù)后早期恢復(fù)階段是相當(dāng)重要的。然而，運(yùn)用大型家畜模擬ACL重建的方式存在幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及解剖學(xué)的差異[12]。牛和豬脛骨近端的松質(zhì)骨密度比青年人的脛骨松質(zhì)骨密度要高，而更高的脛骨近端松質(zhì)骨密度或許導(dǎo)致過高評(píng)估界面螺釘?shù)睦鞆?qiáng)度及剛度[13-14]。雖然改性界面螺釘在單次拔出實(shí)驗(yàn)與聚乳酸/羥基磷灰石界面螺釘并無明顯區(qū)別，然而移植物循環(huán)載荷下抵抗滑動(dòng)的能力在患者術(shù)后恢復(fù)過程中也尤為重要，所以更多體外循環(huán)載荷下的力學(xué)性能研究有待以后進(jìn)行。

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文章編號(hào)：1008-5572(2016)06-0518-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(81572198)；廣東省自然科學(xué)基金(2015A0303137772)；深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(JSGG2014051905550503)；*本文通訊作者：王大平

中圖分類號(hào)：R318.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2015-10-14

作者簡(jiǎn)介：楊坤(1991- )，男，研究生在讀，安徽醫(yī)科大學(xué)深圳市第二人民醫(yī)院臨床學(xué)院，518000。

A Biomechanical Study of Two Modified Dioabsorbable Interference Screw for Fixation of Soft Tissue Grafts in Anterior Cruciate Ligament Reconstruction

Yang Kun1，2，Zhu Weimin2，Huang Jianghong2，etal

(1.Shenzhen Second People′s Hospital Affiliated to Anhui Medical University，Shenzhen 518000，China；2.The Key Laboratory of Tissue Engineering of Shenzhen Second People′s Hospital，Shenzhen 518000，China)

Abstract：ObjectiveTo evaluate the biomechanical properties of soft-tissue grafts reconstructed anterior cruciate ligament(ACL) with two modified bioabsorbable interference screws，Poly-L-lactic acid/hydroxyapatite/α-Fe2O3(PLLA/HA/α-Fe2O3) screw and Poly-L-lactic acid-polyethylene glycol/hydroxyapatite(PLLA-PEG/HA) screw.MethodsPorcine tibia and hoof extensor tendons were divided into 3 matched groups with 8 tibia and 8 extensor tendons in each group.PLLA/HA/α-Fe2O3 screws、PLLA-PEG/HA screws and poly-L-lactic acid and hydroxyapatite(BioRCI-HA，Smith & Nephew，USA)screws were used for tibial fixation in soft-tissue grafts ACL reconstruction.All specimens were subjected to tensile loading，including load to failure，stiffness and mechanism of failure recorded.ResultsThe mean load to failure were (483.4±103.8) N in BioRCI-HA screw group，(456.0±102.0) N in PLLA/HA/α-Fe2O3 screw group，(445.7±90.1) N in PLLA-PEG/HA screw group.No statistically significant differences were noted in mean load to failure.The mean stiffness：BioRCI-HA screw(48.0±6.7) N/mm>PLLA-PEG/HA screw (40.7±6.7) N/mm and PLLA/HA/α-Fe2O3 screw (41.2±4.6) N/mm.BioRCI-HA screws showed a greater stiffness than PLLA-PEG/HA screws and PLLA/HA/α-Fe2O3 screws respectively.Mechanism of failure recorded：no graft failure or fixation failure was observed in either testing.When testing for pull out failure，all grafts were slipped out.ConclusionIn this porcine model，PLLA-PEG/HA screws and PLLA/HA/α-Fe2O3 screws provided comparable biomechanical strength with BioRCI-HA screw.

Key words：anterior cruciate ligament；bioabsorbable interference screw；biomechanical strength