帶錨鈦纜重建喙鎖韌帶的生物力學(xué)研究

金翔赟 沈一凡 李廣翼 李曉林

肩鎖關(guān)節(jié)脫位約占所有肩關(guān)節(jié)損傷的9%，多見于青年及參與對抗性運動項目的運動員[1-2]。肩鎖關(guān)節(jié)脫位最常見的損傷機(jī)制是直接暴力作用于肩部外上緣，使肩胛骨向下移位，引起肩鎖韌帶、喙鎖韌帶及三角肌-斜方肌筋膜的損傷[3]。Rockwood分型為最常用分型，可根據(jù)損傷程度將肩鎖關(guān)節(jié)脫位由輕至重分為6型[4]。Ⅰ型和Ⅱ型肩鎖關(guān)節(jié)脫位通常采取保守治療[3,5-6]，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型肩鎖關(guān)節(jié)脫位則常采取手術(shù)治療[7]。但Ⅲ型肩鎖關(guān)節(jié)脫位的治療方案一直存在爭議，一般傾向于先保守治療，若保守治療失敗再手術(shù)治療[8]。

肩鎖關(guān)節(jié)脫位的手術(shù)內(nèi)固定方式經(jīng)歷了堅強(qiáng)內(nèi)固定、微動內(nèi)固定及解剖內(nèi)固定的演變。目前認(rèn)為，解剖重建喙鎖韌帶最符合肩鎖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性，臨床效果最佳。最常用的喙鎖韌帶重建技術(shù)為TightRope技術(shù)，即采用高強(qiáng)度縫線和紐扣鋼板來微創(chuàng)重建喙鎖韌帶。臨床結(jié)果及影像學(xué)表現(xiàn)均證實其療效令人滿意[9]。但TightRope技術(shù)也可能引起術(shù)后并發(fā)癥，主要包括：①縫線剛度不足，術(shù)后可因上肢重力發(fā)生拉伸，進(jìn)而導(dǎo)致肩鎖關(guān)節(jié)半脫位；②鎖骨上方局部應(yīng)力過大，導(dǎo)致鎖骨上方骨折，紐扣鋼板陷入鎖骨內(nèi)；③喙突骨折[10-12]。

為降低喙鎖重建術(shù)的并發(fā)癥發(fā)生率，本研究提出一種新型內(nèi)固定器械，即帶錨鈦纜系統(tǒng)。采用該器械的目的為，在解剖重建的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)內(nèi)固定的固定剛度，降低并發(fā)癥發(fā)生率。帶錨鈦纜系統(tǒng)包含以下幾部分：①置入喙突的直徑為5.0 mm的松質(zhì)骨螺釘，該螺釘頭端帶孔，可穿入鈦纜；②直徑為1.3 mm的鈦纜，其兩束分別模擬錐狀韌帶和斜方韌帶；③2個直徑為12 mm的墊圈及1個鎖緊扣(圖1)。 本研究通過體外生物力學(xué)測試，比較喙鎖韌帶與帶錨鈦纜的生物力學(xué)特性，預(yù)測帶錨鈦纜的臨床表現(xiàn)及可能存在的問題。

圖1 帶錨鈦纜系統(tǒng)實物圖

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本準(zhǔn)備

本研究采用10例新鮮冰凍尸體的肩關(guān)節(jié)標(biāo)本，由上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院提供，年齡(74.6±9.8)歲，其中男4例，女6例，已排除可能有陳舊性肩鎖關(guān)節(jié)脫位的肩關(guān)節(jié)。所有標(biāo)本均儲藏在-20 ℃冰箱內(nèi)，實驗前在室溫下解凍24 h。標(biāo)本首先通過剔除皮膚、皮下組織及肌肉暴露肩鎖韌帶與喙鎖韌帶，并在完整地取下肩胛骨與鎖骨后使肩鎖韌帶與喙鎖韌帶保持完整性。肩胛骨體以特制的包埋劑包埋，包埋劑凝固后，肩胛骨與包埋劑結(jié)合為一體。喙鎖韌帶在包埋過程中須保持長軸垂直向上，且在切除肩鎖韌帶后仍予以保留。實驗過程中標(biāo)本始終用生理鹽水保持濕潤。

2.2 帶錨鈦纜重建

本研究中使用的帶錨鈦纜系統(tǒng)為本文通信作者的專利產(chǎn)品[13]，由廣慈醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)。以帶錨鈦纜重建喙鎖韌帶的步驟如下：①以直徑為3.0 mm的鉆頭在喙突基底部前方1 cm處鉆孔，鉆頭方向與關(guān)節(jié)盂平行，并指向關(guān)節(jié)盂7點鐘方向；②在鉆孔處置入長度為30 mm、直徑為5.0 mm的螺釘，使鈦纜方向與喙鎖韌帶在喙突上的止點方向平行；③在鎖骨遠(yuǎn)端距肩鎖關(guān)節(jié)4 cm處偏后方及距肩鎖關(guān)節(jié)1.5 cm處偏前方，先用直徑為2.5 mm克氏針沿垂直方向鉆孔，再用穿線器將鈦纜穿過上述兩孔并置于鎖骨上方；④在鈦纜兩端分別置入墊圈，再將鈦纜兩端以相反方向穿入鎖緊扣，利用加壓器進(jìn)行復(fù)位，最后用鎖緊扣將鈦纜鎖緊。見圖2。

圖2帶錨鈦纜重建流程 a. 于喙鎖韌帶的喙突止點斜行鉆孔 b. 置入帶錨鈦纜 c. 于喙鎖韌帶的鎖骨兩止點分別垂直鉆孔 d. 利用穿線器將鈦纜通過上述兩孔穿至鎖骨上方，并置入墊圈后鎖緊

2.3 生物力學(xué)測試

本實驗采用E10000測試機(jī)(INSTRON公司)及WaveMatrix動態(tài)記錄軟件進(jìn)行生物力學(xué)測試，其負(fù)荷精度誤差<0.5%。首先將10個喙鎖韌帶完整的標(biāo)本作為原始喙鎖韌帶組，對其進(jìn)行疲勞實驗及拉伸實驗；再采用帶錨鈦纜對上述標(biāo)本進(jìn)行喙鎖韌帶重建，作為帶錨鈦纜重建組，對其重復(fù)進(jìn)行疲勞實驗及拉伸實驗。具體實驗方法如下：肩胛骨通過特制固定器械固定在測試機(jī)底部，鎖骨遠(yuǎn)端則固定在可垂直活動的夾持器上，該夾持器用以提供拉伸負(fù)荷(圖3)。在開始測試前，預(yù)加載5 N的力使鎖骨與肩胛骨維持在其解剖位置，并用20 N的力垂直拉伸10次以解除爬行現(xiàn)象。在疲勞試驗中，用20 ～70 N的力和1 Hz的頻率對鎖骨遠(yuǎn)端向上拉伸1 000次，以模擬康復(fù)鍛煉中的生理負(fù)荷；同時記錄鎖骨遠(yuǎn)端與肩胛骨的負(fù)荷-位移曲線，記錄第1次拉伸及第1 000次拉伸時的最大位移，以兩者差值作為疲勞拉伸長度。拉伸實驗中，從5 N的力開始，以5 mm/min的速度向上拉伸鎖骨遠(yuǎn)端，直至喙鎖韌帶失效[14]；記錄失效時的最大拉力及長度，記錄拉力-長度曲線，并通過線性擬合方法計算剛度。

2.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析。所得測量數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用配對t檢驗比較完整韌帶及重建模型的疲勞拉伸長度、最大拉力負(fù)荷、最大拉伸長度及剛度，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖3 生物力學(xué)測試

3 結(jié)果

原始喙鎖韌帶組及帶錨鈦纜重建組均能承受疲勞實驗，兩組的疲勞拉伸長度沒有顯著性差異(P>0.05)。兩組的斷裂強(qiáng)度及拉伸長度有顯著性差異(P<0.05)，但剛度無顯著性差異(P>0.05)。原始喙鎖韌帶組均因喙鎖韌帶斷裂而失效，帶錨鈦纜重建組最終都因螺釘拔出而失效。見表1。

表1 兩組疲勞拉伸長度、斷裂強(qiáng)度、拉伸長度和剛度的比較

4 討論

為降低喙鎖韌帶重建后肩鎖關(guān)節(jié)半脫位及縫線斷裂的發(fā)生率，本研究采用高強(qiáng)度及高剛度的帶錨鈦纜系統(tǒng)，模擬喙鎖韌帶進(jìn)行喙鎖重建，以維持復(fù)位后肩鎖關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，從而使喙鎖韌帶自然愈合。通過體外生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，帶錨鈦纜系統(tǒng)的剛度與喙鎖韌帶相似，可承受術(shù)后康復(fù)鍛煉時的反復(fù)生理負(fù)荷而不發(fā)生半脫位，可有效降低術(shù)后半脫位、內(nèi)固定斷裂及內(nèi)固定周圍骨折的發(fā)生率。

帶錨鈦纜系統(tǒng)有以下特點：①實現(xiàn)解剖固定。喙鎖韌帶分為斜方韌帶與錐狀韌帶，生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，手術(shù)治療肩鎖關(guān)節(jié)脫位時，錐狀韌帶和斜方韌帶應(yīng)當(dāng)分別予以解剖重建[15-16]。使用帶錨鈦纜系統(tǒng)重建可最大程度地模擬喙鎖韌帶的解剖形態(tài)及力學(xué)表現(xiàn)。在距鎖骨遠(yuǎn)端15 mm處偏前方、40 mm處偏后方及喙突基底部前方10 mm處鉆孔可實現(xiàn)兩束鈦纜分別重建錐狀韌帶及斜方韌帶。鈦纜兼具柔韌性及抗拉伸性，允許肩鎖關(guān)節(jié)進(jìn)行正常生理運動，且可防止異常的過度活動。②降低手術(shù)風(fēng)險。喙突下方有臂叢神經(jīng)及動靜脈穿過，TightRope技術(shù)在術(shù)中需暴露喙突下方，可能增加手術(shù)風(fēng)險；帶錨鈦纜置入方向為喙突基底部指向關(guān)節(jié)盂7點鐘方向，該區(qū)域無重要血管神經(jīng)通過，因此可降低手術(shù)風(fēng)險。③縮短手術(shù)時間。帶錨鈦纜重建手術(shù)全程只需3次鉆孔及1次鎖緊，在鎖緊加壓器的幫助下可使肩鎖關(guān)節(jié)輕松復(fù)位。手術(shù)時間縮短有利于顯著降低感染率和出血量。④減少術(shù)中損傷。帶錨鈦纜重建技術(shù)只需暴露鎖骨遠(yuǎn)端4 cm處窗口即可完成手術(shù)操作，不損傷肩峰下任何軟組織，不會引起肩峰下骨溶解，患者功能恢復(fù)更快。

在疲勞實驗中，通過用20～70 N的力垂直拉伸1 000次模擬術(shù)后功能鍛煉時的生理負(fù)荷發(fā)現(xiàn)，帶錨鈦纜系統(tǒng)可承受疲勞實驗且表現(xiàn)出與喙鎖韌帶相似的延長性，延伸長度僅為(0.32±0.16) mm。由此可見，帶錨鈦纜系統(tǒng)可承受術(shù)后正常功能鍛煉時的反復(fù)外力，且不會由于功能鍛煉而導(dǎo)致內(nèi)固定失效或肩鎖關(guān)節(jié)半脫位。

在拉伸實驗中，帶錨鈦纜重建組的剛度與原始喙鎖韌帶組無差異。而傳統(tǒng)的TightRope縫線的剛度較喙鎖韌帶低[17]，術(shù)后行上肢重力及功能鍛煉時易發(fā)生縫線拉伸和延長，導(dǎo)致喙鎖間隙增寬及肩鎖關(guān)節(jié)半脫位。本研究以鈦纜代替縫線，發(fā)現(xiàn)帶錨鈦纜與喙鎖韌帶的剛度相似，提示重建術(shù)后肩關(guān)節(jié)可恢復(fù)正?；顒樱也粫谏现闹亓ψ饔孟掳l(fā)生喙鎖間隙增寬及肩鎖關(guān)節(jié)半脫位。

本研究發(fā)現(xiàn)，帶錨鈦纜系統(tǒng)的不足之處在于其固定強(qiáng)度略低于原始喙鎖韌帶，約為喙鎖韌帶的68%。拉伸實驗中，帶錨鈦纜重建標(biāo)本最終都因螺釘拔出而失效，但未發(fā)生內(nèi)固定鈦纜斷裂及鎖緊扣松脫等情況，提示螺釘在喙突固定的部分是整個內(nèi)固定系統(tǒng)中最薄弱處。盡管如此，帶錨鈦纜系統(tǒng)尚足以提供對抗上肢可承受的拉力，僅在極限情況下(如患者體質(zhì)量過大、摔倒或拎重物時)可能發(fā)生內(nèi)固定失效。

本研究存在以下不足：第一，肩鎖關(guān)節(jié)脫位好發(fā)于年輕男性，而本研究中采用的尸體年齡偏大，且未進(jìn)行骨密度測定，因此可能由骨密度偏低導(dǎo)致固定強(qiáng)度降低，從而影響實驗結(jié)果，帶錨鈦纜在實際應(yīng)用時的負(fù)載可能高于本研究結(jié)果；第二，由于樣本量較小，本實驗未比較帶錨鈦纜與TightRope的生物力學(xué)特性，而是將其與喙鎖韌帶比較，以喙鎖韌帶強(qiáng)度作為基線。與其他技術(shù)相比，帶錨鈦纜重建技術(shù)的生物力學(xué)強(qiáng)度的優(yōu)勢和不足尚有待進(jìn)一步研究。

帶錨鈦纜系統(tǒng)是一種操作簡單且安全的解剖型內(nèi)固定系統(tǒng)，通過鈦纜分別解剖重建錐狀韌帶及斜方韌帶可提供術(shù)后早期的穩(wěn)定性，有利于韌帶愈合。通過體外生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，雖然帶錨鈦纜的最大負(fù)荷低于喙鎖韌帶，但足以承受術(shù)后康復(fù)鍛煉時的反復(fù)生理負(fù)荷，且其剛度與喙鎖韌帶相似，可減少術(shù)后半脫位的發(fā)生率，其臨床效果還有待進(jìn)一步評估。