两种改性可吸收界面螺钉重建前交叉韧带的生物力学研究

杨坤，朱伟民，黄江鸿，段莉，陈洁琳，崔家鸣，解磊，林威，熊建义，王大平*



实验研究

两种改性可吸收界面螺钉重建前交叉韧带的生物力学研究

杨坤1，2，朱伟民2，黄江鸿2，段莉2，陈洁琳2，崔家鸣2，解磊2，林威2，熊建义2，王大平1，2*

(1.安徽医科大学深圳市第二人民医院临床学院，广东 深圳518000；2.深圳市第二人民医院组织工程重点实验室，广东 深圳518000)

摘要：目的探索两种改性可吸收界面螺钉聚乳酸/羟基磷灰石/α-Fe2O3(PLLA/HA/α-Fe2O3)和聚乳酸-聚乙二醇/羟基磷灰石(PLLA-PEG/HA)重建前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)早期是否能满足对移植物固定的初始力学要求。方法猪胫骨及游离的猪伸趾肌腱被随机分为3组，每组包括8个胫骨及8个伸趾肌腱，分别应用PLLA/HA/α-Fe2O3、PLLA-PEG/HA及临床使用聚乳酸/羟基磷灰石(BioRCI-HA，Smith & Nephew，USA)三种界面螺钉对胫骨端移植物进行挤压固定。移植物固定完成后对三组实验样本实施生物力学测试，包括最大载荷、刚度和失败模式。结果最大载荷：BioRCI-HA组为(483.4±103.8) N，PLLA/HA/α-Fe2O3组为(456.0±102.0) N，PLLA-PEG/HA组为(445.7±90.1) N，三组最大载荷差异无统计学意义。抗拉刚度：BioRCI-HA组(48.0±6.7) N/mm>PLLA-PEG/HA组(40.7±6.7) N/mm和PLLA/HA/α-Fe2O3组(41.2±4.6) N/mm，前者抗拉强度较后两者差异有统计学意义。失败模式：所有样本测试失败模式均为移植物滑出，并无出现移植物撕裂或者固定装置损坏发生。结论改性界面螺钉PLLA/HA/α-Fe2O3、PLLA-PEG/HA在重建猪ACL中能满足生物力学要求。

关键词：前交叉韧带；可吸收界面螺钉；生物力学

前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)的损伤发生通常与运动损伤相关，ACL损伤后保守治疗效果往往欠佳。目前关节镜下四股腘绳肌腱重建前交叉韧带已经成为治疗ACL损伤的主流[1]。界面螺钉作为一种较常用直接固定装置，具有固定移植物靠近关节面、降低肌腱蠕变程度及防止关节液流入隧道等优点而广泛应用于临床[2]。可吸收材料的界面螺钉是临床研究热点，目前市场上存在多种不同材质的可吸收界面螺钉，然而并未出现一种较理想的可吸收界面

螺钉既可以满足力学要求，又能很好促进术后患者运动功能恢复。本课题组在大量前期研究基础上对聚乳酸/羟基磷灰石界面螺钉进行改性，制备出2种改性界面螺钉PLLA/HA/α-Fe2O3和PLLA-PEG/HA[3]。

软组织移植物重建ACL术后早期阶段是移植物固定最薄弱时期[4]。最初6～8周固定装置维持重建的ACL重建位置，随后移植物逐步融入骨中形成较为牢固的腱-骨愈合[5]。ACL移植物初始固定的强度被认为在ACL重建成败及患者运动功能恢复中起到决定性作用。事实上，坚强牢固的内固定可以有效阻止移植物滑动。本研究采用大型家畜体外模拟重建ACL，运用3种不同材料可吸收界面螺钉对移植物进行固定，从生物力学的角度来探讨改性界面螺钉能否达到对移植物的最初固定要求。

1资料与方法

1.1实验材料屠宰场购买新鲜的猪后肢24个模拟交叉韧带重建，游离伸趾肌腱24条作为重建ACL移植物，量具测量移植物横截面直径约8 mm，长度为10.5 cm。24个猪胫骨及24个移植物随机分为三组。实验所用界面螺钉PLLA/HA/α-Fe2O3(8 mm，25 mm)、PLLA-PEG/HA(8 mm，25 mm)和BioRCI-HA(8 mm，25 mm)，所有螺钉均为合适的尺寸。实验分组：PLLA/HA/α-Fe2O3固定组(n=8)和PLLA-PEG/HA固定组(n=8)为实验组，BioRCI-HA固定组(n=8)为对照组(见图1)。

图1　界面螺钉BioRCI-HA、PLLA/HA/α-Fe2O3、PLLA-PEG/HA大体照(从左至右依次排序)

1.2界面螺钉对胫骨端移植物固定去除胫骨近端周围的肌肉及软组织，调整胫骨定位器55°下定位，骨钻由胫骨前内侧向胫骨关节面建立直径为8 mm骨道，骨道长度约25 mm。移植物置入胫骨隧道内，界面螺钉由胫骨前内侧拧入骨道内对移植物行偏心挤压固定，螺钉尾部达骨道的关节面开口(见图2)。膝关节面以下15 cm处截断胫骨，盐水纱布包裹所有样本置于-20℃下冰箱内保存，直到进行生物测试前。

图2　胫骨骨道建立

1.3生物力学实验测试前1天将所有样本置于4℃冰箱内，测试当天将样本置于37℃ 0.9%生理盐水溶液中15 min，采用万能材料试验机(Instron-E10000，美国)进行生物力学测试。螺钉于多个方向将胫骨底端固定在预先定制的铝制圆筒中，铝制圆筒与万能材料试验机台面相连。夹具夹持固定移植物游离端，调整胫骨隧道关节面开口到夹具之间的移植物长度为2 cm。在拔出载荷施加前，所有样本进行10～110 N、20个循环预加载处理，以用来标准化力学性能。预加载结束后间隔60 s，以加载速度为1 mm/s进行单次拔出实验，记录载荷-位移曲线，观察最大载荷、抗拉刚度及失败模式(见图3)。

图3　单次拔出实验载荷—位移曲线图

2结果

2.1最大载荷3种界面螺钉固定平均最大载荷依次为：BioRCI-HA组(483.4±103.8) N，PLLA/HA/α-Fe2O3组(456.0±102.0) N，PLLA-PEG/HA组(445.7±90.1) N。各组最大载荷差异无统计学意义(P>0.05)(见图4)。

图4　三种界面螺钉固定的最大载荷比较

2.2刚度3种界面螺钉固定平均刚度依次为：BioRCI-HA组(48.0±6.7) N/mm，PLLA/HA/α-Fe2O3组(40.7±6.7) N/mm，PLLA-PEG/HA组(41.2±4.6) N/mm。BioRCI-HA组大于PLLA-PEG/HA组和PLLA/HA/α-Fe2O3组，差异有统计学意义(P<0.05)；PLLA-PEG/HA组大于PLLA/HA/α-Fe2O3组，两组抗拉强度差异无统计学意义(P>0.05)(见图5)。

图5　三种界面螺钉固定的抗拉刚度比较

2.3失败模式测试中移植物失败分为两种，移植物滑出定义为移植物近端或远端固定分离，移植物撕裂定义为拉伸过程中移植物中部撕裂。本实验所有样本测试失败模式均为移植物滑出，并无出现移植物撕裂或者固定装置损坏发生。

3讨论

ACL是胫骨在股骨上向前滑动的主要稳定装置，ACL在膝关节稳定中起到重要作用，临床上ACL一旦损伤不采取积极治疗可能会导致膝关节过早退变[6]。可吸收界面螺钉是临床上常用的ACL重建移植物固定装置，目前市面上可吸收界面螺钉材料多为高分子聚合物如聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸及L/DL聚乳酸等。但无论采取那种可吸收界面螺钉固定，术后都可能出现螺钉断裂、骨道扩大、排斥反应、囊肿或脓肿形成及降解较慢等并发症发生[7]。

本课题组通过对聚乳酸/羟基磷灰石界面螺钉进行改性，通过向聚乳酸/羟基磷灰石加入超顺磁性纳米α-Fe2O3粒子制备出新型磁性界面螺钉PLLA/HA/α-Fe2O3，通过使用亲水性更高的聚乳酸-聚乙二醇(PLLA-PEG)制备出新型亲水性更高的界面螺钉PLLA-PEG/HA，在不改变螺钉本身力学强度情况下通过增加界面螺钉超顺磁性及提高亲水性，从而改善术后腱-骨愈合及提高材料降解性能[8-9]。

研究表明，股四头肌收缩牵引膝关节伸直过程需要ACL移植物承受约200 N的力[10]。为达到术后完全恢复，移植物最初固定强度应达到可以抵消膝关节伸直所产生的合力。通过本研究发现，改性界面螺钉在最大失败载荷、失败模式上与临床使用的聚乳酸/羟基磷灰石界面螺钉无明显差异；改进界面螺钉在抗拉刚度方面较聚乳酸/羟基磷灰石界面螺钉稍弱，可能与改性螺钉螺纹制作工艺有关。3种界面螺钉的抗拉刚度，与报道大多数胫骨固定刚度9～50 N/mm是相符的[11]。

我们通过施行拔出试验验证3种界面螺钉固定的力学性能，这在术后早期恢复阶段是相当重要的。然而，运用大型家畜模拟ACL重建的方式存在几何学、运动学及解剖学的差异[12]。牛和猪胫骨近端的松质骨密度比青年人的胫骨松质骨密度要高，而更高的胫骨近端松质骨密度或许导致过高评估界面螺钉的拉伸强度及刚度[13-14]。虽然改性界面螺钉在单次拔出实验与聚乳酸/羟基磷灰石界面螺钉并无明显区别，然而移植物循环载荷下抵抗滑动的能力在患者术后恢复过程中也尤为重要，所以更多体外循环载荷下的力学性能研究有待以后进行。

参考文献：

[1]Weimann A，Rodieck M，Zantop T，etal.Primary stability of hamstring graft fixation with biodegradable suspension versus interference screws[J].Arthroscopy，2005，21(3)：266-274.[1]

[2]王俊良，刘玉杰.界面螺钉在前交叉韧带重建移植物固定中的应用进展[J].军医进修学院学报，2012，33(3)：308-309.[1]

[3]Zhu W，Huang J，Lu W，etal.Performance test of Nano-HA/PLLA composites for interface fixation[J].Artifi Cells Nanomed Biotechnol，2014，42(5)：331-335.[1]

[4]John A，Stanley RK，Field J.Augmentation of tibial fixation of soft-tissue grafts in anterior cruciate ligament reconstruction[J].Arthroscopy，2007，23(11)：1193-1197.

[5]Beynnon BD，Johnson RJ，Abate JA，etal.Treatment of anterior cruciate ligament injuries，part I[J].Am J Sports Med，2005，33(8)：1579-1602.[1]

[6]Papalia R，Vasta S，D′Adamio S，etal.Metallic or bioabsorbable interference screw for graft fixation in anterior cruciate ligament (ACL) reconstruction?[J].Br Med Bull，2013，109(1)：19-29.[1]

[7]Pereira HMD，Correlo VM，Silva-Correia J，etal.Migration of“bioabsorbable”screws in ACL repair.How much do we know?A systematic review[J].Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，2013，21(4)：986-994.[1]

[8]Shimizu K，Ito A，Yoshida T，etal.Bone tissue engineering with human mesenchymal stem cell sheets constructed using magnetite nanoparticles and magnetic force[J].J Biomed Mater Res Appl Biomater，2004，11(9-10)：1553-1561.[1]

[9]Yang JL，Zhao T，Chen XS，etal.Nonisothermal crystallization behavior of poly(L-Lactide)-poly(ethylene glycol) diblock copolymer[J].Chemical Journal of Chinese Universities.2006，27(6)：1162-1166.[1]

[10]Engebretsen L，Lew WD，Lewis JL，etal.Knee mechan-ics after repair of the anterior cruciate ligament.A cadaver study of ligament augmentation[J].Acta Orthop Scand，1989，60(6)：703-709.[1]

[11]Bartz RL，Mossoni K，Tyber J，etal.A biomechanical comparison of initial fixation strength of 3 different methods of anterior cruciate ligament soft tissue graft tibial fixation：resistance to monotonic and cyclic loading[J].Am J Sports Med，2007，35(6)：949-954.[1]

[12]Bailey SB.Foam-reinforced elderly human tibia approximates young human tibia better than porcine tibia a study of the structural properties of tuhree soft tissue fixation devices[J].Am J Sports Med，2004，32(3)：755-764.[1]

[13]Wall A，Board T.The compressive behavior of bone as a two-phase porous structure[M]//London：Classic Papers in Orthopaedics Springer，2014：457-460.[1]

[14]Rupp S，Seil R，Schneider A，etal.Ligament graft initial fixation strength using biodegradable interference screws[J].J Biomed Mater Res，1999，48(1)：70-74.

文章编号：1008-5572(2016)06-0518-04

基金项目：国家自然科学基金(81572198)；广东省自然科学基金(2015A0303137772)；深圳市科技计划项目(JSGG2014051905550503)；*本文通讯作者：王大平

中图分类号：R318.01

文献标识码：A

收稿日期：2015-10-14

作者简介：杨坤(1991- )，男，研究生在读，安徽医科大学深圳市第二人民医院临床学院，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