富血小板血浆对软骨修复的生物力学研究

董海鹏，高石军，窦 砚，郑晓佐，左百军(河北医科大学第三医院关节二科,河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)

·论著·

富血小板血浆对软骨修复的生物力学研究

董海鹏，高石军*，窦 砚，郑晓佐，左百军
(河北医科大学第三医院关节二科,河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)

目的探讨自体富血小板血浆(platelet rich plasma，PRP)修复兔膝关节软骨损伤后生物力学变化。方法构建兔膝关节软骨完整模型作为对照组，构建兔膝关节股骨负重区内侧软骨损伤模型，用自体PRP注入右膝作为PRP组，用生理盐水(normal saline，NS)注入左膝作为NS组，术后1、3、5周分别取材，观察软骨修复情况，用压敏片测试膝关节内、外侧关节面接触面积及压强。结果术后1、3、5周，大体观察新生软骨组织，PRP组均好于NS组，术后5周PRP组与对照组比较，胫股关节内、外侧接触面积及压强差异无统计学意义(P>0.05)。结论PRP可以修复受损软骨，修复后膝关节软骨组织的接触面积及接触压力接近正常软骨组织。

软骨，关节；富血小板血浆；修复外科手术

膝关节软骨损伤是临床常见疾病，软骨损伤后可以导致明显的软骨退变，引起胫股关节生物力学特性改变，导致膝关节退变。治疗软骨损伤的方法很多，重建关节软骨的组织形态及生物力学特性是当今临床治疗关节软骨损伤的关键与难点，近年来研究[1-3]发现，富血小板血浆(plateletrichplasma，PRP)可以修复关节软骨的组织形态，但国内外对于PRP修复受损关节软骨后其生物力学特性的研究报道很少。本研究使用自体PRP修复膝关节软骨损伤后，对比胫股关节压强及接触面积的变化，进而探讨软骨损伤后经PRP修复在生物力学方面的作用。

1 材料与方法

1.1 实验动物：3～4个月龄新西兰大白兔24只，雌雄不限，体质量1.5～2.1kg(河北省实验动物中心提供)。构建兔膝关节软骨完整模型作为对照组(6个)，构建兔膝关节股骨负重区内侧软骨损伤模型，用自体PRP注入右膝作为PRP组(18个)，用生理盐水(NS)注入左膝作为NS组(18个)。

1.2 兔自体PRP的制备：采用二次离心法制备PRP，将5mL兔耳缘动脉血制备PRP约0.5mL，兔全血血小板计数为(151.35±39.81)×109/L；本实验制备的PRP血小板计数为(708.98±156.99)×109/L，达到4倍以上，为有效浓度。

1.3 实验方法: 随机选取18只实验动物称质量并记录，将4.5mL盐酸赛拉嗪注射液及2mL盐酸氯胺酮注射液溶入100mLNS中制备全麻药物，按2.5mL/kg耳缘静脉注射麻醉，膝前正中切口，以髌旁内侧入路切开膝关节囊，外侧推动髌骨致其外侧脱位，充分暴露关节内侧髁，用手术刀片在内侧髁负重区制造面积约2mm×3mm、厚度约3mm的软骨缺损，不伤及软骨下骨。PRP组关节腔内注入0.5mLPRP及50μL激活剂(葡萄糖酸钙、牛凝血酶)，NS组关节注射NS。术后均放回笼舍正常饲养，不予制动措施，前4天肌内注射庆大霉素4万U/d预防术后感染。术后1、3、5周空气栓塞法处死动物，其中每个时相点各处死6只，离关节面5cm处截断股骨和胫骨，去除多余软组织，-20℃冰箱内标号保存备用。剩余6只兔右膝手术造成软骨完整模型作为对照组保存备用，方法同上。

1.4 生物力学检测：控制室温22℃、湿度40%，标本伸直位(屈膝0°)固定于夹具上，将Prescale感压纸(LLW，日本富士公司)放入兔膝关节，应用CSS-44020生物力学试验机(长春试验机研究所)，以5mm/min、最大50N的压力行压力试验，至50N时保持压力2min，使压敏片稳定着色。取下压敏片，着色面固定于A4打印纸上，逐一标识、记录，共42例膝关节。采用AutoCAD软件(中望CAD标准版)行压敏片面积的测定，采用多线段测量不规则图形面积，测量胫股关节内侧及外侧关节压强并记录结果，压强结果采用富士压力读取器(FPD-306E和FPD-305E，日本富士公司)测定内侧及外侧胫股关节压力。

2 结 果

2.1 软骨修复大体观察：PRP组术后1、3周缺损软骨处可见新生软骨组织，表面略粗糙，缺损区边界未消失，术后5周缺损软骨处新生软骨组织修复完整，软骨表面光滑有光泽，缺损区边界消失；NS组术后1周未见明显软骨修复，术后3、5周仍可见软骨缺损，中央部不平整，可见软骨样组织覆盖，覆盖组织呈白色，与损伤边缘边界不清，软骨退变。

2.2 同时间胫股关节接触面积和压强比较：术后1、3周，PRP组、NS组内侧胫股关节接触面积均大于对照组，PRP组、NS组外侧胫股关节接触面积均小于对照组(P<0.05)；术后5周，NS组内侧胫股关节接触面积明显大于对照组，NS组外侧胫股关节接触面积明显小于对照组(P<0.05)；术后1、3、5周，PRP组内侧胫股关节接触面积均小于NS组，PRP组外侧胫股关节接触面积均大于NS组(P<0.05)。术后1、3、5周各组间胫股关节压强以及各时点之间差异均无统计学意义(P>0.05)，见表1。

GroupsMedialcontactarea(mm2)1week3weeks5weeksLateralcontactarea(mm2)1week3weeks5weeksControl15．79±0．6815．79±0．6815．79±0．6815．59±0．4315．59±0．4315．59±0．43NS19．91±1．56∗20．08±0．86∗#21．23±2．24∗12．49±0．84∗12．12±0．90∗11．51±1．41∗PRP18．38±0．86∗#17．74±0．86∗#15．69±0．70#△☆13．94±0．46∗#14．27±0．76∗#15．33±0．53#△☆ F21．44742．04130．49739．32234．93138．006 P0．0000．0000．0000．0000．0000．000GroupsMedialpressure(MPa)1week3weeks5weeksLateralpressure(MPa)1week3weeks5weeksControl1．84±0．211．84±0．211．84±0．211．83±0．251．83±0．251．83±0．25NS1．79±0．211．85±0．332．00±0．261．98±0．311．83±0．251．77±0．22PRP1．81±0．291．89±0．321．84±0．231．91±0．241．80±0．281．85±0．26 F0．0660．0590．0490．4690．0260．175 P0．9360．9520．6350．9740．9740．841

*P<0.05vscontrol group #P<0.05vsNS group △P<0.05vs1 week ☆P<0.05vs3 weeks byqtest

3 讨 论

PRP是自体血经浓集、分离后获得的血液制品，含血小板浓度为全血的4～ 5倍，血小板经激活后能释放出大量高浓度生长因子，可以刺激细胞增殖分化，促进软组织修复[4]。Sun等[1]将48例兔软骨缺损模型随机分为2组，实验组以PRP处理，对照组不作处理，结果提示PRP组在大体形态和组织学变化方面均显著优于对照组，并发现PRP有刺激新生软骨形成的作用。Saito等[2]在兔膝关节前交叉韧带损伤(anterior cruciate ligament transection,ACLT)造模骨关节炎的研究中的发现，在兔膝关节内注射PRP显著抑制ACLT兔模型软骨损伤形态和组织学的发展。Milano等[3]对羊膝关节软骨损伤后使用PRP与关节镜下微骨折术后组织学研究显示，从组织学方面评估，PRP组长期软骨组织形态及结构完整性明显优于微骨折组。本研究结果显示，大体观察术后5周PRP组受损软骨处新生软骨组织修复完整，NS组术后5周仍可见软骨缺损，使用PRP可以修复受损软骨，使软骨组织修复完整，表面光滑。

膝关节作用力的传递借助于半月板和关节软骨的蠕变使胫股之间的接触面增大，从而减少了单位面积的力负荷，胫股关节间力的传递和应力分布与正常的半月板和关节软骨的功能密切相关[5]。此外，膝关节在水平面的旋转运动是以内侧髁为中心，这种旋转方式使得膝关节内侧间隙易于发生退变，这也是膝关节骨关节炎病变往往以内侧间隙为重，甚至出现典型的内侧单间室骨关节炎和膝内翻畸形[6-7]。本研究PRP组在术后1、3、5周胫股关节内侧接触面积呈减少趋势，说明软骨得到修复，缺损区域填充，恢复软骨完整，胫股关节外侧接触面积呈增加趋势，到第5周非常接近对照组，说明关节内外侧都已基本恢复正常。因此，认为PRP可以改变关节软骨的生物力学特性。薛超等[8]研究发现正常兔膝关节在0°时其接触面积为(30.0±5.9)mm2，而在切除内侧半月板时为(13.0±2.8)mm2。而本研究有所不同，其原因为在生物力学测量时切除内外侧半月板，当胫股关节中保留内侧和外侧半月板时，股骨压缩到胫骨上的半月板，导致它们向四周伸展，使胫股关节的接触面积增大，减小关节软骨之间的接触应力。内侧软骨损伤后短期内其退变并不严重，半月板的存在可以增加胫股接触面积从而分担软骨受力，长期损伤后,巨大应力不均伴随内侧软骨接触面积增加，致使损伤区域增生，边缘骨赘形成，使内侧接触面积进一步增加，容易导致膝内翻畸形。本研究结果也证实这一点，NS组术后1、3、5周内侧软骨接触面积增加，缺损区域增加，轻度骨赘形成；而PRP组术后5周缺损区域被新生软骨组织替代，边缘光滑有光泽，内、外侧接触面积与对照组相似。

Gushue等[9]分析了正常兔膝关节生物力学的特点，发现兔关节运动时接触压力峰值内侧胫股关节要高于外侧胫股关节。本研究结果也发现内侧接触压力要大于外侧接触压力，但是差别不明显。原因可能是本研究标本是尸体，其加载的压力是恒定的，并且压力为其3倍体质量以模仿动物行走时膝关节所承受负荷。对同时间内外侧胫股关节接触面积和压强比较的统计结果显示，术后1、3、5周，PRP组、NS组与对照组两两比较内外侧胫股关节压强，差异均无统计学意义，原因可能是加载于标本上的应力为超负荷应力，即为动物体质量3倍以上，此时内外侧压力都超过软骨形变范围，致使压力分布无明显差别。对于不同时间点内外侧胫股关节接触面积和压强比较，术后5周，PRP组内侧接触面积逐渐减小，外侧接触面积逐渐增大，而NS组外侧胫股关节压强的比较虽无统计学意义，但术后5周有趋势小于1周及3周，我们认为软骨损伤后会导致关节面的生物力学改变。关节面局部的应力集中可致关节软骨的病损，关节面的接触压降低和失去接触也会导致软骨的退变。由于软骨面的退变导致的软骨厚度的丧失还可导致正常软骨面的应力重新分布，导致整个软骨损伤的扩展。这说明关节软骨损伤后没有进行有效治疗，其长期影响会改变关节内生物力学特性。也可能观察例数太少，有待今后扩大例数进一步研究。

本研究提示PRP对兔关节软骨组织形态的修复有积极促进作用，新生软骨组织的接触面积及接触压力接近正常膝关节软骨组织，这为临床应用PRP治疗软骨损伤提供了实验依据。

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[9] GUSHUE DL,HOUCK J,LERNER AL.Rabbit knee joint biomechanics:motion analysis and modeling of forces during hopping[J].J Orthop Res,2005,23(4):735-742.

(本文编辑：许卓文)

BIOMECHANICALSTUDYONPLATELET-RICHPLASMAINREPAIROFARTICULARCARTILAGE

DONGHaipeng，GAOShijun*，DOUYan，ZHENGXiaozuo，ZUOBaijun
(SecondDepartmentofJoint,theThirdHospitalofHebeiMedicalUniversity,HebeiOrthopaedicBiomechanicsLaboratory,Shijiazhuang050051,China)

ObjectiveTostudythebiomechaniccharacteristicsofkneejointaftercartilagerepairingwithplatelet-richplasma(PRP).MethodsThemodelsofcartilageinjuryonweight-bearingareainthemedialfemoralwereconstructed,andwererespectivelyrepairedbyPRPandnormalsaline(NS).Theuninjuredcartilageswereregardedascontrolgroup.Therepairofinjuredcartilagewereexamined,andthemedialandlateralcontactareaandpressureofthekneejointwererecorded1,3,5weekspostoperatively.ResultsThenewlyrepairedcartilagewasobservedinPRPgroup,andthereparativeeffectwasbetterthantheNSgroup1,3,5weekspostoperatively.TherewerenosignificantdifferenceinthefieldsofthecontactareaandpressureofthemedialandlateralthetibiofemoraljointfiveweeksafteroperationbetweenthePRPgroupandthecontrolgroup(P>0.05).ConclusionThePRPwasapotentialfactorforrepairinginjuredcartilage.ThecontactareaandpressureofthekneejointafterrepairbyPRPweresimilartothenormalcartilage.

cartilage,articular；plateletrichplasma;reconstructivesurgicalprocedures

2013-11-18；

2013-12-17

董海鹏(1984-)，男，河北石家庄人，河北医科大学第三医院医学硕士研究生，从事关节外科疾病诊治研究。

*通讯作者。E-mail:gaoshijun@126.com

R327.72

A

1007-3205(2014)06-0635-04

10.3969/j.issn.1007-3205.2014.06.006