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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實驗研究

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)科大學深圳市第二人民醫(yī)院臨床學院，廣東 深圳518000；2.深圳市第二人民醫(yī)院組織工程重點實驗室，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)早期是否能滿足對移植物固定的初始力學要求。方法豬脛骨及游離的豬伸趾肌腱被隨機分為3組，每組包括8個脛骨及8個伸趾肌腱，分別應用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)三種界面螺釘對脛骨端移植物進行擠壓固定。移植物固定完成后對三組實驗樣本實施生物力學測試，包括最大載荷、剛度和失敗模式。結果最大載荷：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)計學意義。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，前者抗拉強度較后兩者差異有統(tǒng)計學意義。失敗模式：所有樣本測試失敗模式均為移植物滑出，并無出現移植物撕裂或者固定裝置損壞發(fā)生。結論改性界面螺釘PLLA/HA/α-Fe2O3、PLLA-PEG/HA在重建豬ACL中能滿足生物力學要求。

關鍵詞：前交叉韌帶；可吸收界面螺釘；生物力學

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)的損傷發(fā)生通常與運動損傷相關，ACL損傷后保守治療效果往往欠佳。目前關節(jié)鏡下四股腘繩肌腱重建前交叉韌帶已經成為治療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節(jié)面、降低肌腱蠕變程度及防止關節(jié)液流入隧道等優(yōu)點而廣泛應用于臨床[2]?？晌詹牧系慕缑媛葆斒桥R床研究熱點，目前市場上存在多種不同材質的可吸收界面螺釘，然而并未出現一種較理想的可吸收界面

螺釘既可以滿足力學要求，又能很好促進術后患者運動功能恢復。本課題組在大量前期研究基礎上對聚乳酸/羥基磷灰石界面螺釘進行改性，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術后早期階段是移植物固定最薄弱時期[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度被認為在ACL重建成敗及患者運動功能恢復中起到決定性作用。事實上，堅強牢固的內固定可以有效阻止移植物滑動。本研究采用大型家畜體外模擬重建ACL，運用3種不同材料可吸收界面螺釘對移植物進行固定，從生物力學的角度來探討改性界面螺釘能否達到對移植物的最初固定要求。

1資料與方法

1.1實驗材料屠宰場購買新鮮的豬后肢24個模擬交叉韌帶重建，游離伸趾肌腱24條作為重建ACL移植物，量具測量移植物橫截面直徑約8 mm，長度為10.5 cm。24個豬脛骨及24個移植物隨機分為三組。實驗所用界面螺釘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。實驗分組：PLLA/HA/α-Fe2O3固定組(n=8)和PLLA-PEG/HA固定組(n=8)為實驗組，BioRCI-HA固定組(n=8)為對照組(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界面螺釘對脛骨端移植物固定去除脛骨近端周圍的肌肉及軟組織，調整脛骨定位器55°下定位，骨鉆由脛骨前內側向脛骨關節(jié)面建立直徑為8 mm骨道，骨道長度約25 mm。移植物置入脛骨隧道內，界面螺釘由脛骨前內側擰入骨道內對移植物行偏心擠壓固定，螺釘尾部達骨道的關節(jié)面開口(見圖2)。膝關節(jié)面以下15 cm處截斷脛骨，鹽水紗布包裹所有樣本置于-20℃下冰箱內保存，直到進行生物測試前。

圖2　脛骨骨道建立

1.3生物力學實驗測試前1天將所有樣本置于4℃冰箱內，測試當天將樣本置于37℃ 0.9%生理鹽水溶液中15 min，采用萬能材料試驗機(Instron-E10000，美國)進行生物力學測試。螺釘于多個方向將脛骨底端固定在預先定制的鋁制圓筒中，鋁制圓筒與萬能材料試驗機臺面相連。夾具夾持固定移植物游離端，調整脛骨隧道關節(jié)面開口到夾具之間的移植物長度為2 cm。在拔出載荷施加前，所有樣本進行10～110 N、20個循環(huán)預加載處理，以用來標準化力學性能。預加載結束后間隔60 s，以加載速度為1 mm/s進行單次拔出實驗，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　單次拔出實驗載荷—位移曲線圖

2結果

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)計學意義(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)計學意義(P<0.05)；PLLA-PEG/HA組大于PLLA/HA/α-Fe2O3組，兩組抗拉強度差異無統(tǒng)計學意義(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。本實驗所有樣本測試失敗模式均為移植物滑出，并無出現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的主要穩(wěn)定裝置，ACL在膝關節(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導致膝關節(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，術后都可能出現螺釘斷裂、骨道擴大、排斥反應、囊腫或膿腫形成及降解較慢等并發(fā)癥發(fā)生[7]。

本課題組通過對聚乳酸/羥基磷灰石界面螺釘進行改性，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強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節(jié)伸直過程需要ACL移植物承受約200 N的力[10]。為達到術后完全恢復，移植物最初固定強度應達到可以抵消膝關節(jié)伸直所產生的合力。通過本研究發(fā)現，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。3種界面螺釘的抗拉剛度，與報道大多數脛骨固定剛度9～50 N/mm是相符的[11]。

我們通過施行拔出試驗驗證3種界面螺釘固定的力學性能，這在術后早期恢復階段是相當重要的。然而，運用大型家畜模擬ACL重建的方式存在幾何學、運動學及解剖學的差異[12]。牛和豬脛骨近端的松質骨密度比青年人的脛骨松質骨密度要高，而更高的脛骨近端松質骨密度或許導致過高評估界面螺釘的拉伸強度及剛度[13-14]。雖然改性界面螺釘在單次拔出實驗與聚乳酸/羥基磷灰石界面螺釘并無明顯區(qū)別，然而移植物循環(huán)載荷下抵抗滑動的能力在患者術后恢復過程中也尤為重要，所以更多體外循環(huán)載荷下的力學性能研究有待以后進行。

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文章編號：1008-5572(2016)06-0518-04

基金項目：國家自然科學基金(81572198)；廣東省自然科學基金(2015A0303137772)；深圳市科技計劃項目(JSGG2014051905550503)；*本文通訊作者：王大平

中圖分類號：R318.01

文獻標識碼：A

收稿日期：2015-10-14

作者簡介：楊坤(1991- )，男，研究生在讀，安徽醫(yī)科大學深圳市第二人民醫(yī)院臨床學院，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