生物骨横穿钉固定重建前交叉韧带的生物力学研究

陆兮 申学振 郭旗 李宏亮 王江涛 齐玮 曲峰 刘玉杰

. 临床研究与实践 Clinical research and practice .

生物骨横穿钉固定重建前交叉韧带的生物力学研究

陆兮 申学振 郭旗 李宏亮 王江涛 齐玮 曲峰 刘玉杰

目的 以山羊膝关节前交叉韧带 （anterior cruciate ligament，ACL） 损伤为模型，比较生物骨横穿钉和 Rigidfix 固定重建 ACL 的生物力学特征，探讨生物骨横穿钉的初始固定效果。方法 采用 12 只山羊左右侧膝关节模拟 ACL 重建，实验组为生物骨横穿钉组 （n=12），对照组为 Rigidfix 组 （n=12）。生物力学实验包括位移数据、失效载荷、最大载荷等。选取载荷-位移曲线近似直线的斜率作为抗拉刚度。数据进行统计学处理，P≤0.05 为差异有统计学意义。结果 疲劳试验中，两组在循环 200、400、1000 次的位移分别为 （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，两组差异无统计学意义 （P＞0.05）。生物骨横穿钉组的最大失败载荷与失效载荷分别为 （944.225±223.073） N、（864.864±191.209） N；Rigidfix 组为 （900.568±86.375） N、（807.473±68.125） N，两组差异无统计学意义（P＞0.05）；抗拉刚度，生物骨横穿钉组 （237.215±92.126） N / mm 与 Rigidfix 组 （230.357±49.792） N / mm，两组差异无统计学意义 （P＞0.05）。结论 生物骨横穿钉与 Rigidfix 在离体生物力学方面无统计学意义，提示生物横穿钉有临床应用的潜力。

前交叉韧带重建；移植，同种；生物力学；膝关节

前交叉韧带 （anterior cruciate ligament，ACL）是维持膝关节稳定的重要解剖结构，一旦损伤需要及时处理［1］。目前临床推荐采用的横穿式固定重建 ACL 手术方法，因其固定点接近解剖止点、肌腱移植物与骨道接触广泛，有利于腱骨愈合，受到了越来越多的关注。然而，此种术式中应用最多的可吸收材料横穿钉 （即 Rigidfix），存在吸收过程中容易发生骨溶解和酸性物质沉积等影响腱骨愈合的问题［2］。针对此，经过长期的实验探索，认为以人股骨皮质骨为材料制备的横穿钉 （以下简称：生物骨横穿钉） 可以替代 Rigidfix 的以上不足，并采用此生物骨横穿钉固定重建 ACL，进行相关的生物力学研究，为临床进一步应用提供证据支持。

材料与方法

一、实验分组

取 12 只雄性成年山羊新鲜膝关节标本及跟腱，标本均由解放军总医院动物实验中心提供。左右侧以 SPSS 18.0 软件随机数字法进行随机分组，分为实验组和对照组，每组 12 膝。实验组采用生物骨横穿钉固定，自体跟腱重建 ACL，对照组采用 Rigidfix （Depuy 公司提供） 固定自体跟腱重建 ACL。

二、实验方法

1. 生物骨骨横穿钉的制备：取新鲜深冷冻的人股骨中上段，先用线锯进行初步切割，再沿皮质骨的纵轴将其切割为纵行的骨条，宽度约 5.0 mm，最后用数控车床进行加工，制备成直径为 3.3 mm、长度为 42 mm 的生物骨横穿钉。将制备好的生物骨横穿钉置于化学纯的丙酮溶液，在 18 ℃～30 ℃ 的温度下震荡丙酮脱脂，液体浑浊即更换丙酮继续震动，直到溶液清澈无明显漂浮的油脂。再用 75% 酒精浸泡 20 min，最后用标准液进行洗涤。待凉干后包装，置于深低温冷冻冰箱备用［3］。

2. ACL 动物模型制备：标本于室温下解冻。取下跟腱，两端用缝线固定在肌腱编织工作台，爱惜帮 2 号缝线分别编织两端，为减少系统误差，将肌腱统一编织为直径 7 mm，长度 8 cm。编织完毕给予20 N 预张力，时间 20 min。

ACL 重建：切除前、后交叉韧带，清理股骨止点。于羊 ACL 股骨生理止点，2 mm 直径克氏针钻取股骨隧道，用直径 7 mm 钻沿克氏针钻股骨隧道。用 Rigidfix 横钉专用器械 （Mitek，Norwood，Massachusetts） 钻取横穿钉骨道。位置为股骨外侧。将编织的肌腱拉进隧道，导针沿横钉套管插入，确认横穿钉骨隧道位置在肌腱中心正确后，拉紧肌腱两端，将 2 枚生物骨横穿钉或 Rigidfix 打入，股骨端固定肌腱。两横钉打入顺序为先近端，后远端。牙托粉包埋股骨干，模型放置在 -20° 冰箱内保存待生物力学备用。

三、生物力学测试

将标本复温至室温，采用 Instron E10000 生物力学机进行疲劳实验和拔出实验。标本固定在自行设计的夹具上，夹具固定点与股骨隧道入口的距离为30 mm，注意股骨隧道的方向与地面垂直。疲劳实验进行之前对标本施加 20 次 0～50 N，频率 1 Hz 的预载荷。然后再以 1 Hz 频率，50～250 N，做 1000 次循环。拔出实验以 25 mm / min 速度拔出，记录失效载荷、最大失效载荷、位移数据等［4-5］。选取载荷-位移曲线近似直线的斜率作为抗拉刚度。

四、统计学处理

采用 SPSS 18.0 软件进行统计分析，所有计量资料均以 x-±s 表示，两组间均数比较采用配对样本t 检验，以 P＜0.05 为差异有统计学意义。

结　　果

一、疲劳实验

疲劳试验中，两实验组在进行循环 200 次、400 次及 1000 次的位移分别为 （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，两组差异无统计学意义 （P 均＞0.05），未出现循环失败 （表 1）。

表 1 疲劳-实验在特定循环的位移以第 20 次循环后位移为基准（n = 12，x ± s）Tab.1 Specific- cycling test of displacement， based on the 20th cycling （n = 12，±s）

表 1 疲劳-实验在特定循环的位移以第 20 次循环后位移为基准（n = 12，x ± s）Tab.1 Specific- cycling test of displacement， based on the 20th cycling （n = 12，±s）

循环 （次） 　　生物骨横穿钉 （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、单次拔出实验

单次拔出实验结果提示，生物骨横穿钉组的最大失败载荷与失效载荷分别为 （944.225±223.073） N、（864.864±191.209） N；Rigidfix 组为 （900.568± 86.375） N、（807.473±68.125） N，两组差异均无统计学意义 （P 均＞0.05）；此外，生物横穿钉组和Rigidfix 组的抗拉刚度分别为 （237.215±92.126） N / mm （230.357±49.792） N / mm，两组差异无统计学意义 （P＞0.05） （表 2）。

两种生物钉的失败模式均以远端钉断裂为主，两组分别为 （9 / 12） vs. （8 / 12），而发生近端的则较少 （表 2）。

表 2 生物横穿钉与 Rigidfx 单次拔出实验 （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 生物横穿钉与 Rigidfx 单次拔出实验 （n = 12，N，x- ± s）Tab.2 Single pulling out experiments of the allogenetic cortical bone cross-pin and Rigidfx （n = 12， N，±s）

指标　　生物骨横穿钉 （N）　Rigidfix （N）　P 值最大失败载荷 （N） 　944.225±223.073　900.568±86.375　0.205失效载荷 （N） 　864.864±191.209　807.473±68.125　0.136刚度 （N / mm）　237.215± 92.126　230.357±49.792　0.179失败模式　　断钉 （11）、髁损毁 （1） 　　断钉 （12） 　-远端　9　8-近端　2　4-

讨　　论

ACL 是维持重要的膝关节稳定的重要解剖结构，ACL 损伤是最常见的运动损伤之一，常常发生于急停、转动、跳跃、加减速等情况下［6-7］。ACL 损伤造成膝关节不稳、创伤性关节炎，继发骨关节炎或半月板损伤［8］。因此，恢复 ACL 的功能，对保持膝关节稳定至关重要。关节镜下 ACL 重建肌腱固定方式各有不同，Rigidfix 因其独特的固定方式和良好的效果受到推崇，但是可吸收材料的问题不可回避［9］，寻找一种可替代 Rigidfix 的内固定材料十分有必要。

同种异体骨移植具有 120 年以上历史［10］，研究提示，深低温冷冻同种异体皮质骨有较强的骨诱导能力，环氧乙烷和低温等离子体消毒对生物横穿钉剪切强度、刚度等力学无明显影响。本课题组前期实验提示，以人股骨皮质骨为材料制备的横穿钉 （简称：生物骨横穿钉），具有替代 Rigidfix 的潜力，并证明在材料力学方面，生物骨横穿钉优于 Rigidfix［11］。因而，本研究的重点是从生物力学方面对生物骨横穿钉的固定强度、抗拉能力等进行测试，并结合前期研究成果对进一步论证同种异体生物横穿钉的临床应用潜力。

ACL 损伤术后早期修复需要足够的初始固定强度，Rigidfix 作为较成熟的固定材料已被广泛采用，生物骨横穿钉至少应该提供与之相当的固定强度，才有替代其临床应用的可能，Noyes 等［12］认为初始的固定强度至少达到 454 N，在本研究的单次拔出实验中生物横穿钉组的失效载荷为 （864.864± 191.209） N，与 Rigidfix 组 （807.473±68.125） N 相比，两者差异虽无统计学意义 （P＞0.05），但载荷数明显高于 Rigidfix 组，且在抗拉刚度方面，两组亦无明显的差异 （P＞0.05），提示生物骨横穿钉能够提供 ACL 术后恢复所需的足够初始固定强度。因此在提供足够的初始固定强度下，最重要的是模拟临床实际情况，即进行疲劳实验，为临床术后早期康复方案的制定提供实验依据。本研究疲劳实验结果提示，生物骨横穿钉组与 Rigidfix 组在循环 200、400、1000 次的位移变化差异无统计学意义 （P 均＞0.05），认为生物骨横穿钉具有与 Rigidfix 相当的抗疲劳特性。此外，ACL 重建失败很重要的原因就是肌腱发生位移，本研究提示两实验组在 1000 次循环疲劳实验后，肌腱在隧道内位移均＜3 mm，与 Howell 等研究认为肌腱固定后在隧道内位移超过3 mm 就为固定失败的文献报道一致［13］。

通过两种手术操作及疲劳试验、单次拔出实验的对比分析，认为生物骨横穿钉固定方法，完全可以达到 Rigidfix 的固定效果，因其固定接近关节线、使肌腱移植物可以与骨壁全方位接触，有利于腱骨愈合；不仅能够提供强大初始固定强度，而且能够避免“蹦极、雨刷”效应和肌腱移植物切割，是一种可靠有效的 ACL 重建固定方式，具有良好的临床应用前景。最重要的是，生物骨横穿钉克服了Rigidfix 等可降解材料的骨溶解和吸收后的骨缺损等问题对 ACL 术后效果的影响。生物骨具有较好的生物相容性，生物力学性能与 Rigidfix 固定材料相比，参数满意。在单次拉出及疲劳试验测试中，生物骨横穿钉与 Rigidfix 在离体生物力学无统计学意义（P＞0.05），且其最大失败载荷明显强于 Rigidfix，提示生物横穿钉有临床应用的潜力。

本研究属于离体研究，而生物骨横穿钉术后的组织愈合及转归过程仍需要进一步的研究探索。

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（本文编辑：李贵存）

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中图分类号：R687.4

100853 北京，解放军总医院骨科

刘玉杰，Email: liuyujie@163.com

2016-01-10）