膝关节软骨全层缺损的手术修复技术进展

杨渝平 敖英芳

北京大学第三医院运动医学研究所（北京 100191）

膝关节软骨损伤是运动创伤和膝关节外科领域的常见病和多发病，软骨损伤后若得不到有效处理，可能最终会发展为骨性关节炎，导致膝关节功能丧失。随着近些年软骨损伤治疗技术的发展，膝关节软骨全层缺损的手术修复治疗受到越来越多临床医生的重视，但治疗效果却有很大差异。同时，对于关节软骨损伤的评价标准、手术方案以及手术时机的选择，都有很多争论。本文就膝关节软骨全层缺损的几种最主要的手术修复技术、适应症和临床效果做一综述。

1 微骨折技术

微骨折技术是各种软骨修复技术中最简便、应用最广泛的一种，属于骨髓刺激技术，由Steadman等［1］于1997年首先报道。使用该技术修复软骨创伤小，并发症少，疗效可靠，费用低廉；同时，保留了再次手术治疗的机会，故此技术一直被广泛使用。

一般认为此技术适用于40岁以下，且缺损面积较小（<2～4 cm2）的患者［2-7］。大于40岁的患者，干细胞和生长因子数量明显减少，缺损区的修复能力变弱，修复组织无论在结构还是生物力学特性方面都和正常软骨相去甚远，且术后2～3年易出现退变倾向［7］。而软骨缺损面积较大的患者，微骨折术后疗效较差，可能与修复过程中缺损区周边软骨细胞的作用有关，也可能与缺损区血凝块与软骨下骨板的黏附性较低、术后易脱落有关［8］。也有文献结果显示：微骨折对30岁以上患者的疗效不如30岁以下患者［4，9，10］。

微骨折是一种关节镜手术，一般只需要常规的关节镜入路就可以完成全部操作，但有时也需要做辅助入路以便更好地观察和处理软骨缺损区。其主要技术要求有以下几个［4，10，11］：①用刮匙或者髓核钳将软骨损伤区域周边不稳定的部分修整去除，使之成为一个四周被正常稳定的软骨包绕的区域，且边缘软骨要求是垂直的。②用刮匙清除缺损区的钙化软骨层，以增加再生组织的体积。注意不能破坏软骨下骨板。③清理完毕后，使用微骨折锥在软骨下骨板上凿孔。从靠近周围正常软骨的缺损区边缘开始，理想的孔间距离为3～4 mm，这可以避免骨孔间的塌陷贯穿，也可避免软骨下骨板的不稳。凿孔时微骨折凿应尽量垂直于软骨下骨板，可以采用辅助入路以帮助准确定位。要求在用微骨折锥进行打孔时，以观察到脂肪滴出现或者渗血为度。④完成凿孔后，松止血带，降低关节腔灌注压，检查确认所有骨孔中都可观察到渗血，才表明骨孔合格。⑤骨孔最初的渗血中骨髓成分含量最高，因此，如果镜下同时进行多项手术，应该最后进行微骨折术。

术后康复方案［4，9，10，12，13］：术后 2 周之内用膝关节持续被动活动器（CPM）保持关节被动活动，每日2～3次，每次1～2小时，每一个屈伸循环设定在1分钟即可。如果没有CPM机，或患者术后在家练习，则用双手抱膝模仿CPM机进行膝关节的被动活动，频率和时间同CPM机的设定。也有人建议每组屈伸500次，每天3组。这种活动建议持续到术后6周。待修复的软骨组织成熟后才能恢复体育运动，这个过程大概需要6～9个月。需要注意的是，CPM机最初的设定角度非常重要，例如：滑车30°区的软骨损伤，CPM机的设定角度应为0~ 20°；滑车60°区的软骨损伤，CPM机的设定角度应为0～40°；而滑车区80～90°区的软骨损伤时，CPM机的设定角度应为0～70°。股骨内、外髁负重区的软骨损伤，CPM的设定角度是0~ 40°。股骨内、外髁负重区的软骨损伤修复术后3 周内，患肢脚尖轻轻点地或者不负重，术后4～6周三分之一负重，术后6～8周二分之一负重，术后8 周后完全负重。非负重区的微骨折修复则从术后第1天起即可开始患肢带伸膝位支具，进行完全负重行走。

微骨折术后形成的软骨主要为纤维软骨［14］，但也有人认为是透明软骨和纤维软骨的混合体［11］。其优良率一般为 60 ～ 80%［2，5，6］。Steadman 等［12］长达7年的术后随访显示，优良率仍然有80%。他们认为，术后限制负重和早期进行CPM锻炼至关重要。

2 自体骨软骨移植技术

Hangody等［15］于1997年最先报道了152例采用自体骨软骨移植治疗膝关节全层软骨缺损病例，主要采用马赛克技术（Mosaicplasty），获得了满意的临床效果。这种技术是采用膝关节非负重区作为供区，获取一定数量和大小的柱状骨软骨块，植入软骨全层缺损区。

自体骨软骨移植由于可以获得以透明软骨为主的修复结果，愈合速度也比较快，但因为受到供区材料来源限制，所以适用于小面积软骨缺损（1～2 cm2）、恢复要求比较高的运动员以及存在相关骨丢失的软骨缺损。另外，还可以用于微骨折治疗失败患者的翻修手术。这种技术的主要缺点是很可能引起供区的并发症［15，16］。

其主要技术要点有［4，15，16］：①通常在关节镜探查软骨情况后，做辅助小切口，既需保证可以顺利通过取材套筒，还需要保证取材套筒与供区和受区的关节面垂直，并选用圆柱状的测量棒确定所需移植物的个数和直径。然后选取最适大小的取材器垂直于供区关节面获取长度为10～15 mm的柱状骨软骨块。②可供取材的部位都是膝关节的非负重区，如内、外侧滑车嵴、髁间窝等处。③应用另一个直径稍小的取材器在受区制造一个圆柱形的骨软骨孔洞，并与柱状骨软骨块的长度、直径和角度相匹配。④将柱状骨软骨块植入骨洞，直至只有末端可见，然后用嵌入器轻轻敲压移植物，直至其表面与周围的关节面平齐，或者稍微低于周围关节面，但是不应超过2 mm，否则不利于移植软骨的愈合。⑤切忌用力过猛，以避免造成软骨细胞死亡。⑥如果需要移植1块以上的骨软骨块，则需重复上述过程直到软骨缺损被填满。只有在保证移植物与受区骨床的松质骨紧密接触的情况下，才能促进其与受区的愈合，否则将导致移植物的吸收和坏死。⑦供区可以选择旷置，或者人工合成材料填充，后者可以明显降低术后血肿的发生率。

术后患者轻负重4周（小面积损伤，1～2个柱状骨软骨移植物）到8周（大面积损伤）。CPM机练习并不是必须的。如果担心出现术后僵直，则可进行2～3周的CPM机练习。待股四头肌肌肉力量和本体感觉恢复后，可以进行体育运动，一般需要4～6个月。

这种技术与微骨折有相似的优良率，但经自体骨软骨移植修复后，患者可以更早地恢复运动能力（重返运动的比例分别为93%和52%）［4］。Mosaicplasty的特点是面积越大，用的骨软骨柱状移植物越多，失败率越高；加上关节面的任何部位都有用途，用所谓的“非重要区域”的软骨来修补损伤区的软骨，会带来比较高的取材部位的并发症［15，16］。

3 同种异体骨软骨移植技术

同种异体骨软骨移植治疗软骨缺损的历史可以追溯到20世纪初，但直至近10年前，做的手术例数并不多［17，18］。同种异体骨软骨移植的目的是移植一整块完全成熟的、能承受正常范围压力的软骨组织。比起自体骨软骨移植，其修复的受损区域无大小限制，但较大面积的修复需要切开手术，而且移植物来源也有一定的限制，费用也较高，还有造成疾病传播的潜在风险。另外，一旦移植失败，原有的软骨损伤就会变成骨软骨损伤。所以，对这种技术的应用也要掌握严格的适应症。

研究发现，同种异体软骨细胞具有免疫优越性。软骨组织没有血管，且软骨细胞都被致密的细胞外基质包绕，从而形成免疫屏障作用。所以，移植失败似乎并不是软骨移植物的免疫反应造成的，而可能是由于移植的骨组织愈合失败引起的［19，20］。移植的关节软骨已经发育成熟，所以不需要愈合。但是同种异体骨块移植物需要愈合，它起着支架的作用，随着时间的推移，逐渐被吸收，被正常的组织结构所移形替代［21］。移植的骨组织与受区骨组织的成功愈合是移植物发挥正常功能和承受压力的关键。但是骨块移植物会产生免疫反应，这主要是因其含有供体留下的血液成分。与人类白细胞抗原检测阴性的患者相比，阳性的患者在进行同种异体骨软骨移植术后，骨周围水肿更严重、所含异常移植物骨髓成分也更多。因此，移植时应尽可能减少移植物的骨成分，并通过灌洗尽可能多地清除供体的骨髓细胞［22，23］。

美国食品药品管理局（FDA）自1993年开始对同种异体组织的应用进行监管，HIV病毒的传播感染率约为1/160万。但自20世纪80年代后期以来，还没有发现通过同种异体移植传播感染HIV的病例［24］。

同种异体骨软骨移植的典型适应症为2 cm2以上大面积创伤性或退行性股骨髁软骨和骨软骨缺损，特别是同时合并骨丢失 > 6 mm的损伤。同种异体骨软骨移植也可用于软骨修复术失败后的翻修手术。对于胫骨平台或者髌股关节软骨损伤，该方法更适用于没有关节退变的年轻患者［23，25］。

同种异体骨软骨移植的禁忌症包括风湿或其它系统性关节炎、晚期退行性骨关节炎、弥漫性糖皮质激素所致的骨坏死、顽固的膝关节不稳，或者膝关节力线不良等［22，23，26，27］。

新鲜冷藏的同种异体移植物最适于同种异体骨软骨移植。冷冻或冻干的软骨都没有足够的活性软骨细胞［24，28］。新鲜冷藏移植体的软骨细胞在7天内的活性率为98%，到28天时降到70%［29，30］。细胞活性的降低与细胞密度的降低和代谢活动的减少有关。同种异体移植物的疾病安全检测需要14～20天，所以延迟的移植手术会影响细胞的活性和组织代谢，但不会影响透明基质和同种异体骨组织的生物力学性质［31，32］。目前，延迟手术对手术临床效果的影响还不清楚。

胫股关节的同种异体骨软骨移植手术的技术要点主要有［23，33，34］：①最好选择与缺损区大小、侧别以及前后方向均匹配的移植物进行手术。这样可以更好地保证供体和受体相同区域的软骨微小单元的方向分布一致，加快替代和愈合速度，提高修复效果。对于大多数的软骨缺损，推荐使用圆柱状骨软骨移植物。②将引导针钻入缺损区中央，然后使用钻孔器清除残留的软骨组织及软骨下骨，直到正常的松质骨。单纯的软骨缺损清除3～5 mm的骨组织即可，而对于深层损伤或者存在剥脱性骨软骨炎引起的骨坏死则需要清除8～10 mm的骨组织。③使用大小匹配的环钻自供区钻取圆柱状骨软骨块，根据测量的缺损区深度修整移植物的松质骨部分，然后用脉冲式冲洗器去除移植物骨质上残留的骨髓成分。④直接用手将移植物嵌入缺损区，因为嵌入器可能破坏表面的软骨细胞。调整膝关节的方向将移植物准确嵌入。⑤一般采取嵌压固定就足够了，如果有需要也还可以使用大头钉或者螺钉固定。对于不规则形状的缺损，需要手工修整移植物以匹配缺损区的形状，并且大多需要采取额外的固定方法固定。内固定物表面应低于关节面，而且螺钉最好固定在髁间窝或者远离关节面的髁边缘。

因髌股关节复杂的解剖和三维结构，使得滑车和髌骨软骨缺损的同种异体骨软骨移植手术最困难［22，23］。滑车沟两侧的外周软骨缺损可以选用圆柱形骨软骨块进行移植，但滑车部因为是弧形沟槽结构，很难采用柱状移植体将软骨表面修复好。但可以采用整块移植的方法来更好地解决这个问题：只要供体和受体的股骨髁侧别和大小相同，就可以取一块与缺损区位置、大小、方向均相同的骨软骨块来进行移植修复，这样，就可以顺利完成手术，因为异体骨软骨块的滑车沟可以替代受体损伤的滑车沟。而对于滑车的广泛性软骨损伤，甚至可以从供体取下整个滑车和两侧髁的骨软骨体，来取代受体相应的损伤部分，采用可吸收棒和/或螺钉固定［35］。髌骨大范围的软骨损伤需要使用同种异体髌骨表面移植［17，25］。使用摆锯将弥漫性受损的髌骨关节面全层削除，方法很像关节置换术。术者应该保留足够的髌骨组织（厚度至少12～14 mm）。髌骨关节面的同种异体移植物也使用摆锯采用相同的方法获取，只取骨软骨部分。随后将骨软骨移植物放置在切割好的受体骨面上，然后用小的双螺纹加压螺钉沿髌骨嵴从前到后固定。螺纹应恰好达到关节面下的软骨下骨层，保证其不要穿透髌骨软骨。手术应同时纠正髌骨异常轨迹。

在骨质愈合之前，同种异体骨软骨移植的康复训练必须避免对供－受交界面造成过多的负荷。轻负重建议持续6～12周，具体的时间由移植物的位置和大小决定。早期开始逐渐加强关节活动度的训练。髌股关节面的移植手术应避免开链运动。脉冲超声治疗可以促进移植物的愈合［36］。

同种异体骨软骨移植的失败原因通常是骨质愈合不完全及其引起的软骨下骨塌陷，也可能是嵌压固定技术不当引起的［21］。其它关节病变如关节力线不良或关节不稳如果不及时处理纠正，将不断给移植物造成过重的负荷，从而可能导致移植手术失败。同种异体骨软骨移植对于单极软骨损伤和力线正常的患者疗效最好，而对于髌股关节病变、骨坏死、股骨和胫骨的联合骨关节病治疗效果欠佳。

4 自体软骨细胞移植技术

自体软骨细胞移植是以细胞为基础的软骨修复技术，由两个主要步骤组成，也需要两次手术。第一步是关节镜下取出一定量的软骨，然后在体外培养；第二步是在关节镜下或者关节切开，将培养好的软骨细胞填充到缺损区，表面用特殊的膜缝合覆盖。覆盖膜主要有两种：骨膜和胶原膜。两种膜各有利弊：骨膜覆盖是FDA唯一批准认证的方法，但有增生肥大的倾向，研究发现有20～50%需要再次行关节镜手术清理肥厚的骨膜区域［37-39］。这种方法在欧洲已经不再使用。另外一种方法是胶原膜覆盖。研究发现其临床效果比较好，而且再手术率比骨膜低［40，41］。但因其不是标准认证的操作，须征求病人同意后才能使用。

自体软骨细胞移植技术适用于中等和大面积全层缺损（>3～4 cm2）、股骨髁和滑车的局部缺损。另外，尽管髌骨软骨缺损不是自体软骨细胞移植的标准适应症，但是现在除了特别微小的软骨缺损，自体软骨细胞移植几乎已成为其它所有髌股间室软骨缺损的修复选择。

自体软骨细胞移植技术要点主要有［37-41］：①首先行关节镜探查，检查髌骨轨迹和软骨损伤情况，需要记录缺损大小和位置，给下一步的实验室所需培养的细胞数量提供重要的参考指标。确定选择自体软骨细胞移植来治疗后，使用软骨刮匙从髁间窝的顶部或者滑车近端的内侧部分刮取全层软骨组织。其尺寸应符合：宽5 mm左右、长10 mm左右、重200～300 mg。②取下的软骨组织直接保存在无菌转运培养基中，转运至实验室进行细胞培养。应用酶消化法分离关节软骨细胞约200,000～300,000个，将其扩增培养至每0.4 ml培养液中约1200万个细胞。扩增培养的时间约为6周。如果有必要，也可以中途进行2周的冷冻保存。标准的软骨细胞培养可以获得1.2 ml即4800万个软骨细胞。当然，还可以通过传代培养获取更多的细胞。③细胞数量足够后，对患者进行二次手术。关节镜下或者关节切开，首先进行缺损区域的准备，即将软骨缺损的边缘部分修整成由正常完整软骨组成的稳定且垂直的边缘，因为这样才有利于覆盖膜的缝合。清除钙化软骨层，但不应破坏正常的软骨下骨板，从而尽可能地减少出血。因为软骨下骨板渗出的血液中含有多种干细胞，会稀释体外培养的已分化成熟的软骨细胞；出血还可破坏力学稳定性，甚至破坏覆盖的骨膜和缝线。④清理完毕后，可用铝箔或手套包装纸参照缺损区的形状和大小剪一个模板。由于骨膜瓣在取材后会有一定程度的收缩，所以，如果选用骨膜作为覆盖膜，那么所制作的模板就应在各个方向上都比软骨实际缺损区宽1～2 mm。如果选用的是胶原膜，就可以采用同样的大小。⑤骨膜取材推荐位置为胫骨的近端内侧面，鹅足止点的远端。这是因为骨膜在鹅足止点近端与缝匠肌纤维交叉混合，会降低移植物的质量。取下骨膜后，用记号笔标出骨膜的上表面，取出后立即摊放在潮湿的海绵上，以防止干燥和收缩。⑥将软骨缺损区用纱布蘸干后，把骨膜形成层朝下覆盖在软骨缺损区。使用6-0角针带可吸收缝线缝合骨膜，缝线要求经过无菌矿物油或甘油浸透处理。缝线先穿过骨膜，再穿过周围的软骨，进针点与缺损边缘的距离约3 mm左右。骨膜边缘稍稍外翻，这样更有利于缺损区的密封。缝线在骨膜上打结，高度要低于周围软骨。骨膜的四周须做间断缝合。每次缝合后都要调整骨膜的张力，随时根据需要修整骨膜，使之既不要太松而下沉到缺损内，也不要太紧而被缝线切割断裂。理想的覆盖膜应该重现软骨缺损表面的轮廓。在骨膜的最高处留一个足够宽的开口，用于下一步通过注射针注入软骨细胞。用纤维蛋白胶封固缝线以防漏水。用结核菌素注射器和18号针头向膜下注入适量生理盐水，检查是否漏液。漏液处加针缝合或者加用纤维蛋白胶封固。注意在注入软骨细胞之前须将生理盐水抽干。⑦无菌条件下将软骨细胞通过骨膜预留的开口缓慢地注入到软骨缺损区，直到缺损区被细胞悬浮液填满。最后，注射口再缝合1到2针，并用纤维蛋白胶封闭。

关于自体软骨细胞移植治疗髌股间室软骨缺损的最初研究发现，该手术方法的效果并不理想，只有2/7的优良率［42］。然而，随着人们对髌股关节生物力学的不断了解，以及对异常髌骨轨迹更加积极的处理，自体软骨细胞移植治疗髌股间室软骨缺损的临床效果已经大大提高。最近研究发现自体软骨细胞移植的成功率在80%以上［43-45］。自体软骨细胞移植对于股骨髁软骨缺损的治疗优良率在70%以上。

对于胫股间室软骨修复，Knutsen等［11］在一项临床随机对照实验中发现，微骨折和自体软骨细胞移植的临床效果相当。但是微骨折对于4 cm2以上大面积软骨缺损的治疗效果显著降低，而自体软骨细胞移植的临床效果不受缺损面积大小的影响。由此，他们总结提出大面积软骨缺损应该采取自体软骨细胞移植技术。Basad等［46］对此进行了进一步的研究。他们选取4 cm2以上的大面积软骨缺损作为研究对象，通过随机对照实验对基质诱导的自体软骨细胞移植和微骨折技术进行了比较。结果发现自体软骨细胞移植的临床效果明显优于微骨折。Saris等［47，48］最近发表的一篇随机对照实验研究发现，即使对小面积软骨缺损（平均2.6 cm2），自体软骨细胞移植的组织学和功能改善结果均显著优于微骨折。

自体软骨细胞移植的康复训练分为三个阶段［37-41］，与软骨组织的成熟过程相对应，即增殖期、过渡期、塑形改建期。刚开始，细胞移植物比较软，与周围的软骨和软骨下骨连接不是很紧密，容易受到剪切力和压力的破坏，应当予以保护。术后每天需进行6～8小时的持续被动活动，持续6周。患者拄拐足尖点地轻负重。具体的康复方案则取决于软骨损伤的部位。如髁软骨损伤的患者可以进行全范围的主动活动，而髌股关节软骨缺损的患者只能做被动伸膝和主动屈膝运动。因此，股骨髁软骨损伤的患者在疼痛忍受范围之内可以进行屈膝90°以内的持续被动活动，而髌股软骨缺损的患者只能进行屈膝40°以内的CPM练习。为减少关节纤维粘连的发生，术后三周内患者应每天至少三次将腿垂在床边，达到屈膝90°。康复第二阶段（术后7周开始），患者逐渐过渡到全负重，并开始闭链力量训练。康复第三阶段（术后12周开始），缓慢恢复日常活动，进一步加强肌肉力量和本体感觉的恢复训练。术后12～18个月之内，患者不应进行碰撞性运动如跑步等。术后至少18个月内避免剪切运动。

1999年，Behrens等［49］报道了基质诱导的自体软骨细胞移植术（Matrix-Induced Autologous Chondrocyte Implantation，MACI），被称为第三代自体骨软骨移植技术。其主要特点是将自体软骨在体外分离出软骨细胞，培养扩增后接种到Ⅰ/ Ⅲ型双层胶原膜上，然后共同培养数日，细胞与支架结合紧密后，胶原膜被生物蛋白胶粘贴到关节软骨全层缺损区。术后积极的康复训练可促进新生组织生长。术后平均5年随访，效果满意［50］。Bartlett等［51］对ACI 和MACI 进行了前瞻性随机对照研究，发现两种方法在关节功能改善程度、软骨修复评分、类透明软骨修复比例、移植物肥大发生率、再手术率等方面均无显著性差异，但后者减少了取自体骨膜带来的术后并发症。

综上所述，膝关节全层软骨损伤的修复手术方法很多。这些方法各有优劣，各有各的适应症，所以应该将它们看作是互补的，而不是相互排斥的。我们医生所需要做的就是根据患者软骨损伤的具体情况以及患者对运动能力恢复的要求，选择最佳的方法为患者治疗。

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