补片技术修复肩袖损伤的应用研究*

张 冲 综述 刘玉杰 审校

(中国人民解放军总医院骨科，北京 100853)

·文献综述·

补片技术修复肩袖损伤的应用研究*

张 冲 综述 刘玉杰**审校

(中国人民解放军总医院骨科，北京 100853)

肩袖巨大撕裂单纯手术缝合后复发率高达50%～70%，学者们提出肩袖补片修补可增加肩袖生物力学性能。采用哪种材料的补片更有效地恢复其生理功能成为当今研究热点。肩袖补片分为人工合成(不可降解型，可降解型)和生物材料(自体或同种异体组织，异种异体材料)两种类型。人工合成材料具备载体力学强度，但术后免疫反应重；生物材料排异反应轻，生物活性转归好，降解率调控灵敏，但最大抗拉强度较低。本文综述目前肩袖补片应用过程中的常见问题和进展。

肩袖撕裂； 补片材料； 组织重建； 支架

肩袖袖套样肌群受损后，肩关节疼痛及生理功能下降[1，2]。流行病学统计21世纪以来美国每年有不少于7.5万例肩袖损伤的患者接受重建手术，但术后效果并不理想，失败翻修率20%～70%，究其原因多受年龄、撕裂范围、肌腱退变挛缩、脂肪浸润变性、术后没有积极的康复锻炼等影响，腱-骨界面不易愈合是主要原因[3，4]。

肩袖骨-肌腱-韧带修复的目的是稳定盂肱关节、恢复生理功能，维持关节腔密闭及分泌滑液营养软骨，预防继发性骨关节炎[5]。Sivaloganathan等[6]观察到肩峰有扁平型、曲线型和钩型，冈上肌腱距肱骨大结节止点1 cm处血供缺乏。肩袖撕裂长度在10～30 mm甚至大于50 mm伴冈上肌腱挛缩、滑囊瘢痕化的患者宜采用补片修补[7，8]，为生长因子提供附着点及降低肌腱-骨之间的张力[9]。本文就目前肩袖补片应用过程中常见问题作一综述。

1 人工合成材料

1.1 不可降解型

常见的有聚丙烯纤维编织、聚酯补片、聚四氟乙烯和尼龙高合成材料，组织学研究显示这些聚四氯乙烯和聚碳酸酯聚氨酯补片靠强大的抗拉强度与受体紧密结合，具有良好的抗拉伸性能。但是高合成材料肩袖补片缺乏良好的生物相容性，易引起术后排异反应。

Zhao等[10]报道20例肩袖全层撕裂患者分别行网状聚碳酸酯聚氨酯肩袖补片和单纯手术修补各10例，年龄44～65岁，平均56.2岁，术前症状平均持续时间16.2月。其中补片修补者中右肩9例，左肩1例，撕裂范围前后径10～40 mm，平均20 mm，挛缩范围10～35 mm，平均21 mm。沙滩椅位前外侧入路切开手术，沿三角肌做肩峰分离、肩峰下空间减压清除粘连，锉刀在冈上肌腱足印区锉出出血骨面，打入金属锚，不可吸收缝线从内向外侧Masson-Allen缝合，6点位固定肩袖补片。术后6、12个月MRI检查肩袖修补的完整性，显示8例肩袖完全愈合。术后9例前屈、外展、内旋运动和外旋疼痛症状改善显著。10例单纯手术修补中只有6例MRI显示修补完整，且术后力量恢复缓慢。该研究证实聚碳酸酯聚氨酯肩袖补片耐受性好，为组织生长提供永久的骨架支持，明显提高修复后肩袖组织腱-骨界面的力量。

1.2 可降解型

可降解聚酯材料为左旋聚乳酸、乳酸羟基乙酸、聚己内酯及聚丙二醇的共聚物，提供一个非永久性附着点，有良好的生物相容性、机械性能。

Kanbe等[11]报道采用聚乳酸合成的可降解型肩袖补片复合材料对兔肩袖撕裂进行修补，8周后经特殊染色，植入补片中的聚乳酸在损伤处存活并快速转化成类似Ⅲ型胶原纤维样的物质，检测术后兔冈上肌腱最大载荷增加64.6%～72.5%。

我们认为，虽然此类补片植入体内能完全降解，但机械性能较低，且高浓度的乳酸和羟基乙酸对腱细胞、成骨细胞有一定的损害，需要大量临床研究才能控制合适的浓度。

2 生物材料

2.1 自体组织和同种异体组织

将具有良好生物属性的阔筋膜、肱二头肌长头腱作为自体肩袖补片缝合在冈上肌腱两端[12]。

同种异体髌腱、跟腱组织及股四头肌肌腱组织容易取材，尽管术后肩关节运动幅度及肌力改善明显，但缺乏稳定的力学强度，易术后感染和断裂[13]。就改善症状而言，与肩关节镜下单独行肩峰成形和滑膜清理相比较无明显优势。

2.2 异种异体组织

异种异体组织包括动物真皮、小肠、心包膜等，以固有的三维结构、胶原蛋白、非胶原蛋白等为支架，为组织的黏附、增殖、分化提供条件，促进术后胶原纤维及血管再生及腱-骨界面的功能性重建[14]。

血小板纤维基质脱细胞化组织作为补片已有相关报道。Mazzocca等[15]采用牛纯血小板生物活性间充质干细胞加聚二氧六环酮凝胶胶原覆盖腱鞘，植入44例兔断裂的跟腱促其肌腱细胞分化。先对牛腱Ⅰ型胶原蛋白分子电纺技术加工，后在4 ℃孵化器中聚合48小时后生成立体的胶原蛋白凝胶，结果观察到有20只跟腱力学强度提高。en等[16]用富含血小板血浆(platelet rich plasma，PRP)和软骨材料注射于14只新西兰大白兔断裂的跟腱，术后1年内每月观察中性粒细胞和淋巴细胞的比值，激光温度计监控跟腱的横断面直径和表面温度以及生物力学情况。结果显示生物力学变化明显，愈合后的跟腱平均最大载荷值达到25.5 N，比正常情况下最大载荷值15.5 N增长了64.51%；最大刚度值增长范围为1.3～2.0 N/mm，增加了53.84%；注射过PRP的胶原蛋白最大横断面直径平均48.09 nm，未注射过PRP的为46.58 nm，两者比较有显著性差异。因此我们认为，使用动物材料进行修复并促进生物力学强度的做法值得借鉴，如果深入人体研究，会有一定的使用空间。

脱细胞猪小肠黏膜下层(small intestinal submucosa，SIS)用于肩袖补片也有相关报道。猪真皮补片和猪小肠黏膜修复效果相比，前者重建类似肌腱的结构，但是吸收速度比载体的真皮组织快，增生过程中镜下见连接骨外膜和骨的胶原纤维即夏贝氏纤维(Sharpey’s fibers)增生明显，聚集在明带中央的暗带呈现纵行均态分布，同时见毛细血管向软骨和肌腱交界面长入，术后8个月达到正常肌腱血供水平[17]。Cho等[18]使用猪真皮补片加“缝合桥技术”修复5例巨大肩袖撕裂，平均年龄53.4岁，平均随访20.6月。术前和术后进行肩关节评分，术后6个月MRI评估肩袖的修复完整性。其中4例患肩修复完整，1例部分结构修复，但临床效果满意。因此，关节镜下真皮补片修复巨大肩袖撕裂的安全性、有效性评价较好。Ramos等[19]使用SIS和猪间充质干细胞(mesenchymal stem cell，MSC)进行动物实验，T细胞反应能力大幅降低，生物材料的组织结构生化成分和力学特性保留下来。因此，我们认为SIS提供原有组织的生理功能和生物力学强度，有必要进一步临床研究。

真皮细胞外基质(extracellular matrixc，ECM)的脱细胞化组织肩袖补片也有报道。Leigh等[20]对16只雄性Lewis大鼠行切开手术修补肩袖巨大撕裂，补片采用皮下筋膜加细胞外基质移植体联合修补肩袖损伤(图1、2)，术后6周形态学观察组织中原生肌腱细胞浸润，潜在的宿主细胞表达相应加强，术后6～8个月观察到脱细胞化的真皮ECM长入到肌腱韧带组织，导致承载生物联合体-肌腱-韧带修复速度加快。Nagura等[21]对大面积肩袖损伤且有高需求的9例中年男性患者给予ECM和MSC为原料的生物型补片修补，其中7例切开修复，2例镜下修复，术后1个月使用外展30°悬臂吊带固定患肢，然后逐渐开展被动康复训练，3个月后行主动肌力训练；术后12个月随访，所有患者术后临床症状有较大改善，Constant-Murley肩关节功能评分增加18～20分，MRI检查结果显示6例修复完整，充分证明ECM具有潜在的自我修复能力。Cooper等[22]将同种异体真皮细胞的ECM生物补片沉积在成纤维细胞(fibroblasts，FB)和成骨细胞(osteoblasts，OB)上形成静态支架，观察生长情况。结果：①确定适用的介质配方后，可明显减少FB向OB矿化数量；②成功的种子细胞在培养基上创建多个支架；③沉积在支架和培养基上的ECM有明显的量化差异。生物力学分析显示ECM补片使腱-骨界面之间的距离减少至少40%，最大负荷增加28%。因此，模仿机体原生肌腱的构成、方向及微观结构，在增生过程中如何更好地促进Ⅰ型胶原纤维的生成数量和质量，对于重建机体良好的生理生物功能至关重要。当然，这项技术还需在特定的生物环境下检测，但我们认为其有望成为肌腱再生的新方法。

图1、2 缝合方法及示意图[20]：皮下筋膜加细胞外基质移植体(大小：0.5 cm×0.5 cm)沿肱骨肩峰外侧插入肌腱顶端，穿过螺栓的5-0聚丙烯缝线固定移植物后取出螺栓

2.3 异种异体生物材料——丝素蛋白

生蚕丝丝素蛋白平行β折叠构象、甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸等18种氨基酸为基础的SikⅠ、Ⅱ两种互变结构，在长轴方向具有高强度的延展性[23]。作为一种生物相容性良好、力学强度高、生物降解缓慢及免疫原性低的天然蛋白质生物大分子，应用在骨、软骨、肌腱和韧带组织工程和生物医学多个领域[24，25]。例如丝素蛋白双层创面敷料治疗较大面积的缺损[26]；丝素蛋白与药物缓释材料微小颗粒体结合后，通过三维支架、水凝胶和电纺技术共价修饰附件药物和配体提高疗效，改良丝素蛋白生物相容性和潜在的降解活性，静止/交变磁场完成药物有效运载和吸收[27]；丝素蛋白用于神经系统修补、鼓膜再造以及椎间盘组织工程等[28]。

丝素蛋白三维多孔支架是肌腱和软骨细胞黏附材料的理论基础。Bi等[29]在40只雄性新西兰白兔左后肢行前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)重建实验，分为丝素蛋白支架组和半腱肌肌腱移植组，生物力学评估腱-骨愈合情况。2组均在术后观察到丝素蛋白附着在直径约1.0 mm网孔胶原海绵片上且呈片状分布，镜下见丝素蛋白支架空隙与胶原纤维之间形成交替链。支架组16周的刚度值与移植组比较有显著差异[支架组(7.09±1.25)N/mm，移植组(3.63±1.01)N/mm]，支架组在术后40天降解至73%，30天时50%，弹性支架载荷强度和刚度值损失速率与植入部位、机械环境和关节腔滑液有关，再生纤维和支架机械性能与蛋白聚糖和胶原纤维的降解度密不可分；支架组20周肌腱-软骨细胞开始分化，30周显著；而移植组分化不明显。因此，支架组丝素蛋白基质表面与软骨细胞之间黏附力较移植组强，为软骨再生和支架黏附性能提供有力支撑。Lee等[30]对52例外伤性鼓膜穿孔使用丝素蛋白补丁与纸片补丁进行对比，性别、年龄、受伤时间、术前气骨导差、穿孔大小和位置等无显著差异。结果显示，丝素蛋白补丁的鼓膜关闭时间及抗原性优于纸片补丁，丝素蛋白补丁抗拉强度和止血性能高，可控生物降解性强，术后平均愈合时间较纸片补丁显著缩短，说明丝素蛋白在鼓膜再造中的张力强大，我们认为可能可以在肩袖撕裂补片修复中使用。

丝素蛋白良好的生物相容性是补片材料应用的理论基础。Di-Buduo等[31]采用3D打印技术将脱胶生家蚕丝与血小板ECM和500 μg/ml的细胞黏附分子1(vascular cell adhesion molecule 1，VCAM-1)、50 mg/ml血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)作为支架基底膜再生骨髓组织，体外培养扩增后观察到该微丝结构具备一定的机械性能和生物相容性，无血栓特征，再造功能性人血小板组织系统，把ECM表面细胞因子植入到受损的骨髓细胞内部，实现高、中、低丝素蛋白膜补片的再生，转换为集成繁殖骨髓微环境的材料格式。生长过程中支架基底膜通过重新设计具有完全再生能力的初始3D骨髓多孔隙结构模型，与内皮细胞结合成具有再生血小板的复合体，从而最终显著增加血小板的数量，再现人类骨髓结构的生理功能。Zafar等[32]报道使用0.01%～8%甲酸分离丝素蛋白获得新材料，依据的原理是丝素蛋白支持纤维环细胞的附着和ECM的积聚再生。丝素蛋白释放出可溶的轻链片段后，形成纤维环细胞和ECM两种不同直径的重链分子团进而修饰电纺纤维，轻链片段增加流动性，重链产生剪切增稠效果，从而增加纤维环细胞的亲水性并使之在多孔丝素蛋白支架上附着增殖。我们认为通过甲酸分离法一则明确提升了丝素蛋白支架适合纤维环细胞的生长能力和脱胶后的最大抗拉强度，二则新分离方法和化学性能明显区分丝素蛋白不同共价键的氨基酸成分及特点，有潜在的应用价值。

3 小结

随着近几年生物材料的研究和组织工程、基因技术的发展，肩袖补片大多集中在生物力学和活性转归方面，组织工程材料的应用得到迅猛发展。理想的肩袖补片具有载体的力学强度、生物相容性，手术易操作，利于宿主细胞介导再生，研发与应用进入了崭新阶段。目前，生物材料丝素蛋白的临床应用空间虽然发展较快，但怎样容易被患者接受并最大限度地保存生物活性平衡细胞降解率等，仍然存在差距。

1 Spiegl UJ，Smith SD，Todd JN，et al.Biomechanical evaluation of internal fixation techniques for unstable meso-type os acromiale.J Shoulder Elbow Surg，2015，24(5)：520-526.

2 Killian ML，Thomopoulos S.Scleraxis is required for the development of a functional tendon enthesis.FASEB J，2016，30(1)：301-311.

3 Chalmers PN，Frank RM，Gupta AK，et al.All-arthroscopic patch augmentation of a massive rotator cuff tear: surgical technique. Arthrosc Tech，2013，2(4)：e447-e451.

4 Ciampi P，Scotti C，Nonis A.The benefit of synthetic versus biological patch augmentation in the repair of posterosuperior massive rotator cuff tears a 3-year follow-up study.Am J Sports Med，2014，42(7)：1169-1175.

5 Kim SJ，Kim SH，Lee SK，et al.Arthroscopic repair of massive contracted rotator cuff tears:aggressive release with anterior and posterior interval slides do not improve cuff healing and integrity.J Bone Joint Surg Am，2013，95(2)：1482-1488.

6 Sivaloganathan S，Amr R，Shrivastava R.The Risotto sign-a severe inflammatory bursitis with rice body formation, complicating a rotator cuff repair with a bioabsorbable suture anchor.JRSM Open，2015，6(1)：2054270414562986.

7 Houdek MT，Wagner ER，Wyles CC，et al.New options for vascularized bone reconstruction in the upper extremity.Semin Plast Surg，2015，29(1)：20-29.

8 Encalada-Diaz I，Cole BJ，Macgillivray JD，et al.Rotator cuff repair augmentation using a novel polycarbonate polyurethane patch: preliminary results at 12 months’ follow-up.J Shoulder Elbow Surg，2011，20(5)：788-794.

9 Petri M，Joshua A.Patch-augmented latissimus dorsi transfer and open reduction-internal fixation of unstable os acromiale for irreparable massive posterosuperior rotator cuff tear.Arthrosc Tech，2015，4(5)：487-492.

10 Zhao S，Zhao J，Dong S，et al.Biological augmentation of rotator cuff repair using bFGF-loaded electrospun poly(lactide-co-glycolide) fibrous membranes.Int J Nanomedicine，2014，9(3)：2373-2385.

11 Kanbe K，Chiba J，Nakamura A.Histological evaluation after arthroscopic reconstruction of the shoulder using a polytetrafluoroethylene patch for massive rotator cuff tears.Eur J Orthop Surg Traumatol，2013，23(Suppl 2)：183-187.

12 El-Azab HM，Rott O，Irlenbusch U.Long-term follow-up after latissimus dorsi transfer for irreparable posterosuperior rotator cuff tears.J Bone Joint Surg Am，2015，97(4)：462-469.

13 Schon LC，Gill N，Thorpe M，et al.Efficacy of a mesenchymal stem cell loaded surgical mesh for tendon repair in rats. J Transl Med，2014，12(1)：110-119.

14 Salamanna F，Veronesi F，Maglio M，et al.New and emerging strategies in platelet-rich plasma application in musculoskeletal regenerative procedures: general overview on still open questions and outlook. Biomed Res Int，2015，5(5)：846-870.

15 Mazzocca AD，McCarthy MB，Chowaniec D，et al.Bone marrow-derived mesenchymal stem cells obtained during arthroscopic rotator cuff repair surgery show potential for tendon cell differentiation after treatment with insulin.Arthroscopy，2011，27(11)：1459-1471.

17 Lu YF，Chan KM，Li G，et al.Tenogenic differentiation of mesenchymal stem cells and noncoding RNA: from bench to bedside.Exp Cell Res，2016，2(1)：1177-1182.

18 Cho CH，Lee SM，Lee YK，et al.Mini-open suture bridge repair with porcine dermal patch augmentation for massive rotator cuff tear:surgical technique and preliminary results.Clin Orthop Surg，2014，6(3)：329-335.

19 Ramos CM，Fancisco JC，Olandoski M，et al.Myocardial regeneration after implantation of porcine small intestinal submucosa in the left ventricle.Rev Bras Cir Cardiovasc，2014，29(2)：202-213.

20 Leigh DR，Mesiha M，Baker AR，et al.Host response to xenograft ECM implantation is not different between the shoulder and body wall sites in the rat model.J Orthop Res，2013，30(11)：1725-1731.

21 Nagura I，Kokubu T，MifuneY，et al.Characterization of progenitor cells derived from torn human rotator cuff tendons by gene expression patterns of chondrogenesis，osteogenesis，and adipogenesis.J Orthop Surg Res，2016，11(3)：40-48.

22 Cooper JO，Bumgardner JD，Cole JA，et al.Co-cultured tissue-specificcaffolds for tendon/bone interface engineering.J Tissue Eng，2014，26(5)：1177-1186.

23 Xu H，Cai S，Xu L，et al.Water-stable three-dimensional ultrafine fibrous scaffolds from keratin for cartilage tissue engineering.Arthrosc Tech，2014，30(2)：8461-8470.

24 Mihara S，Ono T，Inoue H，et al.A new technique for patch augmentation of rotator cuff repairs.Arthrosc Tech，2014，3(3)：367-371.

25 Aibibu D，Hild M，Wöltje M，et al.Textile cell-free scaffolds for in situ tissue engineering applications.J Mater Sci Mater Med，2016，27(2)：63-70.

26 Zhao Z，Li Y，Xie MB.Silk fibroin-based nanoparticles for drug delivery.Int J Mol Sci，2015，16(3)：4880-4903.

27 Gupta KA，Mita K，Arunkumar KP，et al.Molecular architecture of silk fibroin of Indian golden silkmoth, Antheraea assama.Sci Rep，2015，8(5)：1270-1276.

28 Chen AZ，Chen LQ，Wang SB，et al.Study of magnetic silk fibroin nanoparticles for massage-like transdermal drug delivery.Inter J Nanomed，2015，10(6)：4639-4651.

29 Bi F，Shi Z，Liu A，et al.Anterior cruciate ligament reconstruction in a rabbit model using Silk-Collagen scaffold and comparison with autograft.PLoS One，2015，10(5)：125-129.

30 Lee JH，Lee JS，Kim DK，et al.Clinical outcomes of silk patch in acute tympanic membrane perforation.Clin Exp Otorhinolaryngol，2015，8(2)：117-122.

31 Di-Buduo CA，Wray LS，Tozzi L，et al.Programmable 3D silk bone marrow niche for platelet generation ex vivo and modeling of megakaryopoiesis pathologies.Blood，2015，125(14)：2254-2264.

32 Zafar MS，Belton DJ，Hanby B，et al.Functional Material Features of Bombyx mori Silk Light vs. Heavy Chain Proteins. Biomacromolecules，2015，16(2)：606-614.

(修回日期：2016-10-05)

(责任编辑：王惠群)

Progress in Application of Reinforced Patch Technology for Rotator Cuff Tears

ZhangChong,LiuYujie.

DepartmentofOrthopaedics,ChinesePLAGeneralHospital,Beijing100853,China

LiuYujie,E-mail:liuyujie301@163.com

Rotator cuff tears; Patch material; Organizing reconstruction; Scaffold devices

2014年河北省医学科学研究重点课题(No.ZL20140293)

A

1009-6604(2017)02-0179-05

10.3969/j.issn.1009-6604.2017.02.020

2016-05-14)

**通讯作者，E-mail： liuyujie301@163.com

【Summary】 With an increasing higher failure rate from 50% to 70% after simple sutured surgery for rotator cuff tears, scholars have put forward the patch augmented biomechanics for healing massive tears. Research hotspots lie in the material structural and physiological properties. There are two types of rotator cuff patches, which are synthetic materials (non-degradable and degradable type) and biological rotator cuff patch (autologous or allogeneic tissue, xenogeneic material). The synthetic materials rotator cuff patch is able to provide powerful biomechanics but has severe immune rejection, and the biomaterials patch provides excellent histological reconstruction in rotator cuff and accurate regulation of biological activity of metabolic degradation but lower biomechanical maximum tensile strength. This article reviewed the current common problems and progress in the application of the rotator cuff patches.