生物骨橫穿釘固定重建前交叉韌帶的生物力學研究

陸兮 申學振 郭旗 李宏亮 王江濤 齊瑋 曲峰 劉玉杰

. 臨床研究與實踐 Clinical research and practice .

生物骨橫穿釘固定重建前交叉韌帶的生物力學研究

陸兮 申學振 郭旗 李宏亮 王江濤 齊瑋 曲峰 劉玉杰

目的 以山羊膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶 （anterior cruciate ligament，ACL） 損傷為模型，比較生物骨橫穿釘和 Rigidfix 固定重建 ACL 的生物力學特征，探討生物骨橫穿釘?shù)某跏脊潭ㄐЧ７椒?采用 12 只山羊左右側(cè)膝關(guān)節(jié)模擬 ACL 重建，實驗組為生物骨橫穿釘組 （n=12），對照組為 Rigidfix 組 （n=12）。生物力學實驗包括位移數(shù)據(jù)、失效載荷、最大載荷等。選取載荷-位移曲線近似直線的斜率作為抗拉剛度。數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學處理，P≤0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。結(jié)果 疲勞試驗中，兩組在循環(huán) 200、400、1000 次的位移分別為 （0.53±0.11 vs. 0.55±0.11） cm、（0.78±0.16 vs. 0.84±0.17） cm、（1.21±0.26 vs. 1.23±0.28） cm，兩組差異無統(tǒng)計學意義 （P＞0.05）。生物骨橫穿釘組的最大失敗載荷與失效載荷分別為 （944.225±223.073） N、（864.864±191.209） N；Rigidfix 組為 （900.568±86.375） N、（807.473±68.125） N，兩組差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；抗拉剛度，生物骨橫穿釘組 （237.215±92.126） N / mm 與 Rigidfix 組 （230.357±49.792） N / mm，兩組差異無統(tǒng)計學意義 （P＞0.05）。結(jié)論 生物骨橫穿釘與 Rigidfix 在離體生物力學方面無統(tǒng)計學意義，提示生物橫穿釘有臨床應用的潛力。

前交叉韌帶重建；移植，同種；生物力學；膝關(guān)節(jié)

前交叉韌帶 （anterior cruciate ligament，ACL）是維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要解剖結(jié)構(gòu)，一旦損傷需要及時處理［1］。目前臨床推薦采用的橫穿式固定重建 ACL 手術(shù)方法，因其固定點接近解剖止點、肌腱移植物與骨道接觸廣泛，有利于腱骨愈合，受到了越來越多的關(guān)注。然而，此種術(shù)式中應用最多的可吸收材料橫穿釘 （即 Rigidfix），存在吸收過程中容易發(fā)生骨溶解和酸性物質(zhì)沉積等影響腱骨愈合的問題［2］。針對此，經(jīng)過長期的實驗探索，認為以人股骨皮質(zhì)骨為材料制備的橫穿釘 （以下簡稱：生物骨橫穿釘） 可以替代 Rigidfix 的以上不足，并采用此生物骨橫穿釘固定重建 ACL，進行相關(guān)的生物力學研究，為臨床進一步應用提供證據(jù)支持。

材料與方法

一、實驗分組

取 12 只雄性成年山羊新鮮膝關(guān)節(jié)標本及跟腱，標本均由解放軍總醫(yī)院動物實驗中心提供。左右側(cè)以 SPSS 18.0 軟件隨機數(shù)字法進行隨機分組，分為實驗組和對照組，每組 12 膝。實驗組采用生物骨橫穿釘固定，自體跟腱重建 ACL，對照組采用 Rigidfix （Depuy 公司提供） 固定自體跟腱重建 ACL。

二、實驗方法

1. 生物骨骨橫穿釘?shù)闹苽洌喝⌒迈r深冷凍的人股骨中上段，先用線鋸進行初步切割，再沿皮質(zhì)骨的縱軸將其切割為縱行的骨條，寬度約 5.0 mm，最后用數(shù)控車床進行加工，制備成直徑為 3.3 mm、長度為 42 mm 的生物骨橫穿釘。將制備好的生物骨橫穿釘置于化學純的丙酮溶液，在 18 ℃～30 ℃ 的溫度下震蕩丙酮脫脂，液體渾濁即更換丙酮繼續(xù)震動，直到溶液清澈無明顯漂浮的油脂。再用 75% 酒精浸泡 20 min，最后用標準液進行洗滌。待涼干后包裝，置于深低溫冷凍冰箱備用［3］。

2. ACL 動物模型制備：標本于室溫下解凍。取下跟腱，兩端用縫線固定在肌腱編織工作臺，愛惜幫 2 號縫線分別編織兩端，為減少系統(tǒng)誤差，將肌腱統(tǒng)一編織為直徑 7 mm，長度 8 cm。編織完畢給予20 N 預張力，時間 20 min。

ACL 重建：切除前、后交叉韌帶，清理股骨止點。于羊 ACL 股骨生理止點，2 mm 直徑克氏針鉆取股骨隧道，用直徑 7 mm 鉆沿克氏針鉆股骨隧道。用 Rigidfix 橫釘專用器械 （Mitek，Norwood，Massachusetts） 鉆取橫穿釘骨道。位置為股骨外側(cè)。將編織的肌腱拉進隧道，導針沿橫釘套管插入，確認橫穿釘骨隧道位置在肌腱中心正確后，拉緊肌腱兩端，將 2 枚生物骨橫穿釘或 Rigidfix 打入，股骨端固定肌腱。兩橫釘打入順序為先近端，后遠端。牙托粉包埋股骨干，模型放置在 -20° 冰箱內(nèi)保存待生物力學備用。

三、生物力學測試

將標本復溫至室溫，采用 Instron E10000 生物力學機進行疲勞實驗和拔出實驗。標本固定在自行設計的夾具上，夾具固定點與股骨隧道入口的距離為30 mm，注意股骨隧道的方向與地面垂直。疲勞實驗進行之前對標本施加 20 次 0～50 N，頻率 1 Hz 的預載荷。然后再以 1 Hz 頻率，50～250 N，做 1000 次循環(huán)。拔出實驗以 25 mm / min 速度拔出，記錄失效載荷、最大失效載荷、位移數(shù)據(jù)等［4-5］。選取載荷-位移曲線近似直線的斜率作為抗拉剛度。

四、統(tǒng)計學處理

采用 SPSS 18.0 軟件進行統(tǒng)計分析，所有計量資料均以 x-±s 表示，兩組間均數(shù)比較采用配對樣本t 檢驗，以 P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié)　　果

一、疲勞實驗

疲勞試驗中，兩實驗組在進行循環(huán) 200 次、400 次及 1000 次的位移分別為 （0.53±0.11 vs. 0.55±0.11） cm、（0.78±0.16 vs. 0.84±0.17） cm、（1.21±0.26 vs. 1.23±0.28） cm，兩組差異無統(tǒng)計學意義 （P 均＞0.05），未出現(xiàn)循環(huán)失敗 （表 1）。

表 1 疲勞-實驗在特定循環(huán)的位移以第 20 次循環(huán)后位移為基準（n = 12，x ± s）Tab.1 Specific- cycling test of displacement， based on the 20th cycling （n = 12，±s）

表 1 疲勞-實驗在特定循環(huán)的位移以第 20 次循環(huán)后位移為基準（n = 12，x ± s）Tab.1 Specific- cycling test of displacement， based on the 20th cycling （n = 12，±s）

循環(huán) （次） 　　生物骨橫穿釘 （cm） 　Rigidfix （cm） 　P 值200 　0.53±0.11　0.55±0.11　0.723 400 　0.78±0.16　0.84±0.17　0.643 1000 　1.21±0.26　1.23±0.28　0.589

二、單次拔出實驗

單次拔出實驗結(jié)果提示，生物骨橫穿釘組的最大失敗載荷與失效載荷分別為 （944.225±223.073） N、（864.864±191.209） N；Rigidfix 組為 （900.568± 86.375） N、（807.473±68.125） N，兩組差異均無統(tǒng)計學意義 （P 均＞0.05）；此外，生物橫穿釘組和Rigidfix 組的抗拉剛度分別為 （237.215±92.126） N / mm （230.357±49.792） N / mm，兩組差異無統(tǒng)計學意義 （P＞0.05） （表 2）。

兩種生物釘?shù)氖∧Ｊ骄赃h端釘斷裂為主，兩組分別為 （9 / 12） vs. （8 / 12），而發(fā)生近端的則較少 （表 2）。

表 2 生物橫穿釘與 Rigidfx 單次拔出實驗 （n = 12，N，x- ± s）Tab.2 Single pulling out experiments of the allogenetic cortical bone cross-pin and Rigidfx （n = 12， N，±s）

表 2 生物橫穿釘與 Rigidfx 單次拔出實驗 （n = 12，N，x- ± s）Tab.2 Single pulling out experiments of the allogenetic cortical bone cross-pin and Rigidfx （n = 12， N，±s）

指標　　生物骨橫穿釘 （N）　Rigidfix （N）　P 值最大失敗載荷 （N） 　944.225±223.073　900.568±86.375　0.205失效載荷 （N） 　864.864±191.209　807.473±68.125　0.136剛度 （N / mm）　237.215± 92.126　230.357±49.792　0.179失敗模式　　斷釘 （11）、髁損毀 （1） 　　斷釘 （12） 　-遠端　9　8-近端　2　4-

討　　論

ACL 是維持重要的膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要解剖結(jié)構(gòu)，ACL 損傷是最常見的運動損傷之一，常常發(fā)生于急停、轉(zhuǎn)動、跳躍、加減速等情況下［6-7］。ACL 損傷造成膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)、創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎，繼發(fā)骨關(guān)節(jié)炎或半月板損傷［8］。因此，恢復 ACL 的功能，對保持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定至關(guān)重要。關(guān)節(jié)鏡下 ACL 重建肌腱固定方式各有不同，Rigidfix 因其獨特的固定方式和良好的效果受到推崇，但是可吸收材料的問題不可回避［9］，尋找一種可替代 Rigidfix 的內(nèi)固定材料十分有必要。

同種異體骨移植具有 120 年以上歷史［10］，研究提示，深低溫冷凍同種異體皮質(zhì)骨有較強的骨誘導能力，環(huán)氧乙烷和低溫等離子體消毒對生物橫穿釘剪切強度、剛度等力學無明顯影響。本課題組前期實驗提示，以人股骨皮質(zhì)骨為材料制備的橫穿釘 （簡稱：生物骨橫穿釘），具有替代 Rigidfix 的潛力，并證明在材料力學方面，生物骨橫穿釘優(yōu)于 Rigidfix［11］。因而，本研究的重點是從生物力學方面對生物骨橫穿釘?shù)墓潭◤姸取⒖估芰Φ冗M行測試，并結(jié)合前期研究成果對進一步論證同種異體生物橫穿釘?shù)呐R床應用潛力。

ACL 損傷術(shù)后早期修復需要足夠的初始固定強度，Rigidfix 作為較成熟的固定材料已被廣泛采用，生物骨橫穿釘至少應該提供與之相當?shù)墓潭◤姸?，才有替代其臨床應用的可能，Noyes 等［12］認為初始的固定強度至少達到 454 N，在本研究的單次拔出實驗中生物橫穿釘組的失效載荷為 （864.864± 191.209） N，與 Rigidfix 組 （807.473±68.125） N 相比，兩者差異雖無統(tǒng)計學意義 （P＞0.05），但載荷數(shù)明顯高于 Rigidfix 組，且在抗拉剛度方面，兩組亦無明顯的差異 （P＞0.05），提示生物骨橫穿釘能夠提供 ACL 術(shù)后恢復所需的足夠初始固定強度。因此在提供足夠的初始固定強度下，最重要的是模擬臨床實際情況，即進行疲勞實驗，為臨床術(shù)后早期康復方案的制定提供實驗依據(jù)。本研究疲勞實驗結(jié)果提示，生物骨橫穿釘組與 Rigidfix 組在循環(huán) 200、400、1000 次的位移變化差異無統(tǒng)計學意義 （P 均＞0.05），認為生物骨橫穿釘具有與 Rigidfix 相當?shù)目蛊谔匦?。此外，ACL 重建失敗很重要的原因就是肌腱發(fā)生位移，本研究提示兩實驗組在 1000 次循環(huán)疲勞實驗后，肌腱在隧道內(nèi)位移均＜3 mm，與 Howell 等研究認為肌腱固定后在隧道內(nèi)位移超過3 mm 就為固定失敗的文獻報道一致［13］。

通過兩種手術(shù)操作及疲勞試驗、單次拔出實驗的對比分析，認為生物骨橫穿釘固定方法，完全可以達到 Rigidfix 的固定效果，因其固定接近關(guān)節(jié)線、使肌腱移植物可以與骨壁全方位接觸，有利于腱骨愈合；不僅能夠提供強大初始固定強度，而且能夠避免“蹦極、雨刷”效應和肌腱移植物切割，是一種可靠有效的 ACL 重建固定方式，具有良好的臨床應用前景。最重要的是，生物骨橫穿釘克服了Rigidfix 等可降解材料的骨溶解和吸收后的骨缺損等問題對 ACL 術(shù)后效果的影響。生物骨具有較好的生物相容性，生物力學性能與 Rigidfix 固定材料相比，參數(shù)滿意。在單次拉出及疲勞試驗測試中，生物骨橫穿釘與 Rigidfix 在離體生物力學無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），且其最大失敗載荷明顯強于 Rigidfix，提示生物橫穿釘有臨床應用的潛力。

本研究屬于離體研究，而生物骨橫穿釘術(shù)后的組織愈合及轉(zhuǎn)歸過程仍需要進一步的研究探索。

［1］ Vaishya R， Agarwal AK， Ingole S， et al. Current trends in anterior cruciate ligament reconstruction: a review. Cureus，2015， 7（11）:e378.

［2］ Bakhru P， Park B， Umans H， et al. MRI of broken bioabsorbable crosspinfxation in hamstring graft reconstruction of the anteriorcruciate ligament. Skeletal Radiol， 2011， 40（6）:737-743.

［3］ Liu C， Liu Y， Zhang Y， et al. Mechanical tests on the reconstructed anterior cruciate ligament fxed with allogenetic cortical bonecross-pin on the femoral side. Chin Med J （Engl），2014， 127（15）:2753-2758.

［4］ Bellisari GE， Kaeding CC， Litsky AS. Mechanical evaluation of cross pins used for femoral fxation of hamstring grafts in ACL reconstructions. Orthopedics， 2010， 33（10）:722.

［5］ Ahmad CS， Gardner TR， Groh M， et al. Mechanical properties of soft tissue femoral fxation devices for anterior cruciate ligament reconstruction. Am J Sports Med， 2004， 32（3）:635-640.

［6］ Shafizadeh S， Schneider MM， Bouillon B. Injuries of the anterior cruciate ligament in athletes. Chirurg， 2014， 85（10）: 888-894.

［7］ Dai B， Herman D， Liu H， et al. Prevention of ACL injury， part I: injury characteristics， risk factors， and loading mechanism. Res Sports Med， 2012， 20（3-4）:180-197.

［8］ Dhillon KS. Doc' do I need an anterior cruciate ligament reconstruction？ What happens if I do not reconstructthe cruciate ligament？ Malays Orthop J， 2014， 8（3）:42-47.

［9］ Boden RA， Razak A， Hussain SM， et al. Loose body following cross-pin fxation foranterior cruciate ligament reconstruction. J Orthop Traumatol， 2013， 14（2）:155-157.

［10］ Tomford WW. Bone allografts: past， present and future. Cell Tissue Bank， 2000， 1（2）:105-109.

［11］ 劉暢. 同種異體皮質(zhì)骨橫穿釘重建前交叉韌帶的實驗研究.中國人民解放軍醫(yī)學院， 2013.［2016-04-21］http://cdmd.cnki. com.cn/Article/CDMD-90115-1013213153.htm.

［12］ Noyes FR， Butler DL， Grood ES， et al. Biomechanical analysis of human ligament grafts used in knee-ligament repairs and reconstructions. J Bone Joint Surg Amvolume， 1984， 66（3）: 344-352.

［13］ Milano G， Mulas PD， Ziranu F， et al. Comparison between different femoral fxation devices for ACL reconstruction with doubledhamstring tendon graft: a biomechanical analysis. Arthroscopy， 2006， 22（6）:660-668.

（本文編輯：李貴存）

A biomechanical study of anterior cruciate ligament reconstruction by allogeneic cortical bone cross pin fxation

LU Xi， SHEN Xue-zhen， GUO Qi， LI Hong-liang， WANG Jiang-tao， QI Wei， QU Feng， LIU Yu-jie. Department of Orthopaedics， PLA General Hospital， Beijing， 100853， PRC

LIU Yu-jie， Email: liuyujie@163.com

Objective To compare the allogenetic cortical bone cross-pin and Rigidfix biomechanical characteristics of the anterior cruciate ligament （ACL） reconstruction and the initial fixed effects by goat knee ACL model. Methods Twelve goats' left and right knee joints were applied. All were divided into 2 groups: the experimental group of allogeneic cortical bone cross pin （n = 12）， the control group of Rigidfix （n = 12）. Biomechanical experiment included displacement data， maximum failure load， yield load etc. Load-displacement curve slope approximately to the straight line was selected as tensile stiffness. Data were statistically analyzed. P ≤ 0.05: statistically signifcant. Results In cycling test， the displacement at cycle 200， 400 and 1000 were （0.53 ± 0.11 vs. 0.55 ± 0.11） cm， （0.78 ± 0.16 vs. 0.84 ± 0.17） cm， and （1.21 ± 0.26 vs. 1.23 ± 0.28） cm without statistical signifcance （P ＞ 0.05）. The maximum failure load and yield load were （944.225 ± 223.073） N， （864.864 ± 191.209） N in the allogenetic cortical bone cross-pin group and （900.568 ± 86.375） N， （807.473 ± 68.125） N in the Rigidfx group without statistical signifcance （P ＞ 0.05）. Tensile stiffness was （237.215 ± 92.126） N / mm in the allogenetic cortical bone cross-pin group and （230.357 ± 49.792） N / mm in the Rigidfx group without statistical signifcance （P ＞ 0.05）. Conclusions Allogenetic cortical bone cross-pin and Rigidfx show no statistical signifcance in vitro biomechanics， suggesting that allogenetic cortical bone cross-pin has potential for clinical application.

Anterior cruciate ligament reconstruction； Transplantation， homologous； Biomechanics； Knee joint

10.3969/j.issn.2095-252X.2016.07.016中圖分類號：R687.4

100853 北京，解放軍總醫(yī)院骨科

劉玉杰，Email: liuyujie@163.com

2016-01-10）