膨胀螺钉固定重建前交叉韧带的生物力学研究*

陈帅 黄华扬 郑小飞 李凭跃 区永亮 沈洪园 王庆

（广州军区总医院骨科医院骨病关节科，广州510010）

前交叉韧带（anterior cruciate ligament,ACL）是膝关节的重要稳定结构之一，也是运动中常受损伤的部分，损伤后易引起半月板撕裂和关节软骨退变等，严重影响膝关节功能。近年来，关节镜下自体腘绳肌腱移植重建ACL在临床上倍受青睐[1]，但采用何种固定方法能提供坚强固定、恢复原有ACL的解剖学特点及生物力学特性，并减少固定对肌腱的切割损伤，一直是争议的焦点。本研究设计膨胀界面螺钉对移植肌腱股骨端进行膨胀挤压固定，为进一步探讨其固定强度与效果，采用可吸收界面螺钉、金属界面螺钉与膨胀界面螺钉进行生物力学比较。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验标本采用-20℃低温冰冻保存的成人膝关节标本21具，按随机化分组原则分为膨胀螺钉组（n=7）、可吸收螺钉组（n=7）、金属螺钉组（n=7）。膨胀界面螺钉为自行研制，专利号：201020237483.4，材料采用医用钛合金，委托施乐辉公司生产。可吸收螺钉、金属螺钉均为美国施乐辉公司生产（图1）。

1.2 标本制作

将冰冻膝关节标本室温下复温24 h后解剖，分别取腘绳肌腱，并将对折后肌腱的直径与骨道均设为8 mm。移植肌腱首先进行20 N预张力10 min，消除粘弹性后备用。股骨侧分别用膨胀螺钉、可吸收螺钉和金属螺钉固定，前者模拟单隧道双束ACL解剖重建，即按韧带损伤的解剖位点重建；后两者模拟单隧道单束ACL功能重建，即注重恢复功能而不强求在原解剖位点重建。

1.3 实验方法

1.3.1 固定方法：① 膨胀界面螺钉固定法：将取得的半腱肌和股薄肌对合为2股，修正肌腱直径为4 mm，两端编织缝合25 mm，然后穿过膨胀螺钉顶部孔道后对折为4股（图2）。使用股骨定位器保留股骨后髁软骨壁6 mm，在ACL原股骨止点中央处打入带鼻孔导针，沿导针方向用直径8 mm的钻头钻入股骨骨道30 mm扩大骨道，将移植肌腱牵入股骨隧道，模拟单隧道双束ACL解剖重建，使用特制工具拧入螺钉内芯进行膨胀挤压固定（图3～5）。② 可吸收界面螺钉固定法：股骨骨道长度为30 mm，将编织缝合后的4股腘绳肌肌腱拉入股骨骨道内，沿骨道内导针拧入8 mm×30 mm（直径×长度）可吸收界面螺钉。③ 金属界面螺钉固定法：同可吸收界面螺钉固定法，沿骨道内导针拧入8 mm×30 mm（直径×长度）的金属界面螺钉。

1.3.2 生物力学测试方法：采用bose万能材料试验机进行生物力学实验测试。将股骨标本用特制夹具固定在实验台上，肌腱游离端用夹具固定（图6），从股骨隧道内口到夹具之间的距离为32 mm（正常ACL的关节内长度）。先行0～100 N的预载荷10次，再行变频率循环载荷频率1000次，应力为50～200 N，将试验标本以10 mm/min的加载速度沿股骨隧道相反方向行拔出试验。观察并记录循环载荷后的位移、抗拉刚度、100 N和400 N载荷位移、最大拔出载荷、失败模式等数据。

1.3.3 肌腱切割的观察及处理：上述各组固定方法行生物力学测试后，用锯锯开股骨隧道周围骨质，避免损伤移植肌腱，暴露骨隧道，观察不同固定方法对移植肌腱的切割损伤程度（从骨道滑脱者可直接观察），并分别取固定隧道内口附近的肌腱组织做病理切片，观察不同螺钉对肌腱组织切割伤的微观变化。

1.4 统计学处理

2 结果

2.1 膨胀螺钉组、可吸收螺钉组和金属螺钉组的股骨端生物力学数据

循环载荷位移（载荷50～200 N，循环1000次）：可吸收螺钉组＜金属螺钉组＜膨胀螺钉组，无统计学差异（P＞0.05）。100 N、400 N载荷位移和抗拉刚度各组间无统计学差异。最大拔出载荷：膨胀螺钉组＞可吸收螺钉组＞金属螺钉组，膨胀螺钉组与可吸收螺钉组比较无统计学差异（P＞0.05），膨胀螺钉组与金属螺钉组比较有统计学差异（P＜0.05，表1）。

2.2 失败模式

膨胀螺钉组7例标本失败模式均为固定界面的滑脱；可吸收螺钉组6例为固定界面滑脱，1例为肌腱在隧道内挤压部位断裂；金属螺钉组5例为固定界面滑脱，2例为肌腱在骨道内口挤压部位断裂。

2.3 切割程度及病理观察

膨胀螺钉对移植肌腱的切割伤最轻，可吸收螺钉次之，金属螺钉最重。在电子显微镜下可见不同固定方法对肌腱组织的切割损伤程度（图7）。

3 讨论

目前，ACL重建的移植替代物一直存在争议，由于腘绳肌腱相对骨-髌腱-骨对周围组织损伤小，后遗症少，易于穿过骨隧道固定[1,2]，腘绳肌腱（半腱肌肌腱和股薄肌肌腱）移植重建ACL逐渐被广泛采用。Harilainen等[3]研究发现4股腘绳肌腱移植物的最大失效强度为4213 N，约为正常ACL的2倍，符合重建韧带“以强代弱”原则，被认为是重建韧带最好的移植物。

ACL重建的目的是恢复原有韧带的功能和强度，研究指出重建ACL的移植肌腱强度大都接近或超过原有韧带，手术成功的关键在于采取哪种固定方式既能满足术后早期活动和功能锻炼，又可促进腱骨愈合[4]。大量动物实验研究证实，ACL重建腱骨愈合发生在术后6～12周，坚强固定是患者进行康复功能锻炼的前提条件。Rupp等[5]指出行走时正常ACL受到的强度为169 N，下楼梯时为445 N，Noyes等[6]研究表明日常活动中ACL所受到的最大强度为454 N。结合这些数据，移植肌腱的初始固定强度达到450 N以上才能满足术后早期康复的要求。本研究表明膨胀螺钉组、可吸收螺钉组和金属螺钉组对移植肌腱固定的最大拔出载荷分别为（517.57±26.09）N、（503.57±33.84）N、（460.43±42.75）N，均达到初始固定强度的标准，膨胀螺钉和可吸收螺钉相比金属螺钉显示出更好的力学特性。

表1 膨胀界面螺钉、可吸收螺钉及金属螺钉固定的股骨端生物力学数据（±s）

表1 膨胀界面螺钉、可吸收螺钉及金属螺钉固定的股骨端生物力学数据（±s）

注：ΔP＜0.05，与金属螺钉组比较有统计学差异

生物力学参数最大拔出载荷（N）循环载荷位移（mm）100 N位移（mm）400 N位移（mm）抗拉刚度（N/mm）膨胀螺钉组（n=7）517.57±26.09Δ 1.88±0.30 1.29±0.17 7.93±0.70 65.28±4.34可吸收螺钉组（n=7）503.57±33.84 1.64±0.24 1.31±0.21 7.95±0.62 64.29±3.59金属螺钉组（n=7）460.43±42.75 1.77±0.13 1.33±0.15 8.00±0.64 62.47±3.87

本研究失败模式中可吸收螺钉组1例和金属螺钉组2例均因界面螺钉切割挤压造成移植肌腱强度下降而出现肌腱断裂失效，临床常有类似情况发生，需要注意界面螺钉螺纹对肌腱的直接切割伤。Zantop等[7]研究发现金属螺钉与可吸收螺钉对肌腱的切割伤与其螺纹密集度、偏心固定及骨密度等有关，金属螺钉的切割伤明显大于可吸收螺钉。膨胀螺钉组的7例标本失败模式均为固定界面的滑脱，因为相对可吸收螺钉和金属螺钉，膨胀螺钉的优点在于不依靠螺纹对肌腱的偏心挤压固定，而是通过内芯螺钉膨胀挤压固定移植肌腱，不会产生普通界面螺钉螺纹对肌腱的切割伤，另外还增加了肌腱与骨道壁的接触面积，更有利于腱骨愈合和产生更大的固定强度。

Elliott等[8]将ACL重建的固定方法分为两类：①靠近关节面的骨隧道内口固定（aperture fixation,AF），如各种界面螺钉；② 远离关节面的外周固定（peripheral fixation,PF），如悬吊接骨板、门形钉等。界面螺钉于原ACL位点固定移植肌腱，最靠近关节面，是AF的经典固定方式。研究表明AF相比PF能有效减少肌腱固定后与骨隧道间的蹦极效应和雨刷效应[9]，阻止骨道扩大，利于腱骨愈合。本研究设计的膨胀螺钉也属于AF系统，但不同于普通界面螺钉在解剖位点的偏心固定，而是将腘绳肌腱穿过膨胀螺钉顶部孔道后自然分为前内侧束和后外侧束，直接在原ACL股骨侧止点模拟单隧道ACL双束解剖重建，并于中间拧入内芯螺钉向骨道壁两侧膨胀挤压固定肌腱。生物力学测试，膨胀螺钉组的固定强度、抗拉刚度等力学性能均优于可吸收螺钉组及金属螺钉组，但无统计学差异。Gadikota等[10]研制AperFix股骨固定装置，使腘绳肌腱实现单隧道双束ACL解剖重建的设想，其机理与本研究相似。

ACL重建术后松弛失效的主要原因是移植肌腱在骨道内发生滑移或脱落，有学者研究指出肌腱固定后在骨道内位移超过3 mm即为固定失败[11]。生物力学研究表明，ACL重建术后单一载荷并不能模拟正常膝关节的运动力学特征，循环载荷可最大程度地模拟人体膝关节运动力学特征，循环载荷位移逐渐成为ACL重建术后检测松弛程度的重要指标。本研究的生物力学结果：膨胀螺钉组的循环载荷位移大于可吸收螺钉组和金属螺钉组，膨胀螺钉组100 N、400 N的位移小于可吸收螺钉组和金属螺钉组，这种情况可能与术者对膨胀螺钉膨胀挤压固定的膨胀程度把握不够、膨胀螺钉-移植肌腱-骨道的匹配不合理或骨道骨质疏松等有关。但本研究中3组的循环载荷位移、100 N位移均未超过3 mm，与其他固定方法比较无统计学差异，显示出良好的生物力学特性。

膨胀界面螺钉的固定强度与普通界面螺钉一样受诸多因素影响，与螺钉长度、直径、螺钉的膨胀程度及骨道的骨密度等密切相关。增加螺钉长度和直径可减少肌腱在骨道内微动，增加腱骨接触面积，改善腱骨愈合，增强膝关节的稳定性。Herrera等[12]研究比较直径×长度为10 mm×35 mm、10 mm×28 mm、9 mm×35 mm和9 mm×28 mm的界面螺钉的固定强度，结果长度和直径越大固定强度越高。本研究中肌腱的直径与骨道统一设为8 mm，可吸收螺钉与金属螺钉的规格统一为8 mm×30 mm，膨胀螺钉规格为7 mm×30 mm，拧入内芯螺钉后直径可膨胀至10 mm左右。理论上膨胀螺钉的固定强度应大于普通界面螺钉，本研究中亦得到验证。但也有学者研究发现螺钉直径即便超过骨隧道3 mm也不增加其固定强度[13]，但螺钉直径增大势必造成移植肌腱切割更为严重。另外，股骨端植钉区域的骨密度也会影响膨胀螺钉的固定强度，Nyland等[14]研究发现螺钉的固定强度与植钉部位的骨密度呈正相关。

总之，腘绳肌腱移植股骨端膨胀界面螺钉固定为ACL重建提供更可靠、有效的固定方式，对移植肌腱损伤小，可以满足ACL重建固定肌腱的需要，亦可实现单隧道ACL双束解剖重建。但对于膨胀螺钉膨胀程度的把握、增加膨胀螺钉-移植肌腱-骨隧道接触面积是否能提高固定强度和改善腱骨愈合，尚需动物实验进一步验证。

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