韧带固定器械在促进腱骨愈合方面的研究进展

史丰　田魏民　张梅

[摘要] 在韧带重建术中，无论是自体、异体还是人工移植物本身均具有足够的力学特性满足重建手术的需要，韧带固定器械成为决定手术成败的关键要素。本文简要介绍了目前临床常用的几类韧带固定器械，并从如何抑制“雨刷效应”“蹦极效应”“和关节液“灌注效应”，降低骨隧道扩大程度的角度，重点综述在改进固定器械的使用方法、材料选择、结构设计等方面和提升腱骨愈合效果方面所做的努力，以期为后续的新型固定器械开发提供帮助。

[关键词] 韧带移植物；固定器械；材料选择；结构设计；腱骨愈合

[中图分类号] R681.5 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2018）03（c）-0022-04

[Abstract] In the reconstruction of ligament， autograft， allograft and artificial ligament all have enough mechanical properties to meet the needs of reconstructive surgery. Ligament fixation devices become the key elements to decide whether the operation is successful or not. This paper briefly introduces several kinds of commonly used clinical ligament fixation devices， and describes how to restrain from "wiper effect" "bungee effect" and "joint fluid infusion"， reduce the extent of bone tunnel expansion， focuses on the description of the human effort to promote the tendon-to-bone healing effect by improving the way to use the fixation devices， material selection， structure design， etc. The efforts are expected to provide help for the development of a new type of fixer.

[Key words] Ligamentous graft； Fixed apparatus； Material selection； Structural design； Tendon-to-bone healing

膝关节交叉韧带损伤后，移植重建是目前治疗的主要手段，临床上用于重建膝关节交叉韧带最常用的材料主要有自体肌腱、异体肌腱和人工韧带3大类[1]。经过几十年的发展，若单从材料的力学特性方面考虑，如今的移植物已能够满足人体的生物力学要求。但是，无论是自体腘绳肌腱、腓骨长肌腱，还是各种人工韧带，都是由软质材料组成，其与硬质的骨组织之间的力学性能严重不匹配，与骨—骨之间的愈合相比，韧带移植物与骨隧道的生理结合更加困难，时间也更长[2]。

因此，移植物的固定已成为韧带重建手术中公认的最重要的环节，也是腱骨界面中最薄弱的环节。为此，在过去的十余年里，骨科基础研究领域的关注重点逐渐向腱骨愈合转移，人们陆续开发了多款移植物固定器械，从不可吸收的金属固定物发展到可降解的生物固定物，固定方式从远离原始韧带附着点的悬吊固定发展到接近解剖位置的固定[3]，希望从根本上形成真正的腱——骨生理愈合，促进韧带重建的康复进程和疗效。

本文就移植物固定器械的材料选择、固定方式及其在腱骨愈合过程中的作用进行综述。

1 固定器械的种类

韧带损伤发生后，自然的腱骨止点失去效力。韧带重建后，为使力学载荷顺利从软质移植物传递到骨组织上，需要将移植物两端通过机械方式固定在骨隧道内。目前，临床上常用的固定器械有以下几种：

1.1 界面螺钉

界面螺钉為无头、表面带螺纹的圆锥形器件，其沿横向驱动移植韧带，使其与骨隧道的侧壁接合，利用“过盈配合”将移植物固定到宿主骨上[4]。可用于股骨侧，亦可用于胫骨侧。对于股骨侧固定还可于关节镜监视下于股骨隧道内口拧入，使固定点更接近于前交叉韧带（ACL）的解剖止点[5]。

界面螺钉会将韧带移植物挤压至骨隧道一侧，并不可避免地对移植物产生一定的切割作用，降低了移植物的力学强度[6]。改进的方法是，在界面螺钉外周增加钉鞘，通过螺钉扩张钉鞘，将移植物均匀挤压在钉鞘和骨隧道之间，从而达到固定的目的。典型的界面螺钉如Intrafix固定装置。

1.2 Endobutton固定

皮质悬吊固定在目前所有固定方式中初始强度最高[7]。采用带袢的纽扣钢板，有固定长度袢和可调节长度袢两种，操作简单，使用更灵活。Endobutton目前用于股骨侧，是公认的经典的ACL腘绳肌腱重建股骨侧固定方法。

Endobutton使用时需要根据股骨骨道的总长度来选择袢的长度，另外计算时，还要注意钢板的长度，要为袢的翻转预留钢板总长度的一半的骨道，致使骨道顶点与肌腱移植物存在顶端间隙，为“雨刷效应”和“蹦极效应”的发生提供了构造基础。为弥补上述缺陷，人们开发了多种袢长度可调的纽扣钢板[8]，利用独特的可调节锁紧式线环，无需打结，不需要预留翻袢的空间的骨道，移植物可以紧密贴合骨隧道的底部。既能减少骨隧道钻取时骨量的丢失，又能消除骨道与移植物的顶部腔隙。

1.3 横穿钉固定（Cross Pin）

为克服肌腱在股隧道内的微动，横杆悬挂内固定钉（TransFix）自问世以来，一直受到临床医生的广泛关注。一般认为其用于固定ACL移植物股骨侧止点具有操作简单、肌腱可与骨隧道全方位接触等特点[9]。

目前临床使用最广泛的是强生的双横栓式固定钉（Rigidfix）。该钉的使用方法与Transfix操作过程相类似，但不是悬挂固定，而是需有两根横穿钉垂直交叉穿过以固定重建ACL股骨端止点，固定的力量较Transfix更强，骨隧道扩大的程度也较Transfix小[10]。

2 固定器械的材料选择

针对韧带移植所需的固定器械，除填补骨缺损部位以外，最重要的是必须有一定的力学强度，这就对此类器械所用的材料提出了更高的性能要求。本文仅对目前应用最广泛的韧带移植固定器械所常采用的材料作一梳理，为进行新型固定器械开发时的材料选择提供便利。

2.1 非降解材料

钛金属，通常为纯钛和Ti-6Al-4V合金，质轻、耐腐蚀和生物相容性好、力学性能高，是最常用的界面螺钉和纽扣钢板的制作材料。如Softsilk（Smith & Nephew Inc.）、Stryker Titanium ACL Interference Screws（Stryker Endoscopy）、Artificial Ligaments、Ligamentories Clips and Screws（LARS）等。但金属螺钉的螺纹会损伤移植物，影响术后核磁共振成像（MRI）检查，且翻修时需将金属螺钉取出[11]。

聚醚醚酮（PEEK）机械强度高，生物相容性好，弹性模量与皮质骨相近[12]，可防止应力遮蔽效应，使周边骨头保持强度。可透过X线，在电子计算机断层扫描（CT）和MRI扫描时不可见，可较容易地评估骨生长和治愈过程，加工方式灵活多样。在脊椎融合领域较早得到应用。以PEEK材料制备的韧带固定用螺钉主要有Femoral Intrafix（DePuy Mitek）、Biosure Sync（Smith & Nephew Inc.）、Graft bolt（Arthrex，Inc.）等。

2.2 可降解材料

生物可吸收材料与金属材料相比明显的优势是不影响术后磁共振成像、CT检查，生物相容性良好、可降解，無异物残留无须二次手术取出，且其固定强度也满足临床要求，随着生物工程学及材料学的进步，有逐渐取代金属螺钉的趋势。临床上常用的生物可降解螺钉材料为聚乳酸[13]。但聚乳酸机械强度较差，性脆、抗冲击性差，对热不稳定，降解产物为乳酸，易导致体内局部酸性过大而引起炎性反应，因此，常共混入增强材料如羟基磷灰石（HA）、β-磷酸钙、硫酸钙等。由这些材料复合制备的螺钉最为常见，如Arthrex Biocomposite、DePuy Milagro、Smith & Nephew Biosure HA、Stryker Biosteon等。正是由于可吸收螺钉种类繁多、成分复杂，有研究指出，其还存在螺钉断裂、Lysholm评分较低、骨隧道扩大等问题[14]，因此，可吸收材料的临床效果还需进一步全面评估。

作为一种与天然骨相似、可降解且生物相容性较好的轻金属材料，镁基材料近年来成为医用材料的研究热点[15]。Wang等[16]将镁基界面螺钉应用于新西兰白兔ACL重建术中，结果显示，相比于钛界面螺钉，镁界面螺钉可以显著加速腱骨愈合过程。体外研究表明，局部高镁离子浓度有利于提高骨髓间充质干细胞（BMSCs）的黏附能力和成骨分化能力。体内研究表明，镁可促进螺钉周围骨组织的转化生长因子-β和血小板源性生长因子-BB释放，从而增强了BMSCs细胞的集聚效应。

3 固定器械的改进

重建手术虽然从解剖上恢复了韧带位置，但只有腱骨界面牢固愈合才能提供有效的力学强度[17]。在应用自体肌腱、异体肌腱或LARS人工韧带进行韧带重建术后，最常见的并发症是骨隧道扩大，严重影响重建手术的长期效果，并给翻修术带来困难。

大量研究表明，骨隧道扩大的因素一般可归为力学因素和生物学因素两类[18]。其中，移植物在骨隧道内的微动（包括纵向的“蹦极效应”和横向的“雨刷效应”）是最重要的力学因素；关节滑液对骨隧道的侵蚀是潜在的生物学因素。因此，通过改进固定器械的结构和作用方式，最大程度上抑制移植物微动和关节液冲刷，成为众多器械研发者关注的焦点。

3.1 改变固定位点

国内外的研究表明，无论采用何种固定方式，术后骨隧道总会出现不同程度的扩大，因为目前移植物的选择以及固定方式均不能完全实现韧带的解剖重建。实践表明，骨隧道关节腔侧固定法的术后骨道扩大较皮质侧固定法轻。

孙健等[19]对采用Endobutton Intrafix系统与Rigidfix Intrafix系统两种方法固定自体腘绳肌腱重建膝前交叉韧带的临床疗效进行分析，发现Rigidfix固定组（关节腔侧）骨隧道扩大程度显著低于Endobutton固定组（皮质侧）。这是因为Endobutton固定，移植物固定点远离ACL正常解剖止点，移植物在骨道内微动、关节液浸泡，使骨道扩大。

理论上讲，界面螺钉直接固定可有效控制移植物自身弹性，消除 “蹦极效应”的影响，但其长度不可能与骨隧道等长，当其置于骨隧道的皮质侧时，使得骨隧道受到“雨刷效应”作用明显，引起骨隧道内口扩大。陈永良等[20]的研究结果表明，胫骨隧道无挤压钉部分的比例越大，骨隧道内口的扩大值就越大。

在关节镜下，若将界面螺钉固定在关节腔侧，则可减少或杜绝移植物微动和关节液对骨隧道的灌注，并可减少移植物长度及骨量损失，对于后期的腱骨愈合提供了一个稳定的相对静止的接触[5]。螺钉固定在关节腔侧的另一个显著的优点是，可以实现膝关节韧带的单隧道双束重建，而双束重建被认为能更好地模拟ACL的解剖结构[21]，从而更好地恢复膝关节的稳定性，使膝关节在不同屈伸角度得以稳定，特别是恢复膝关节的旋转稳定性[22]。但是，由于关节腔侧松质骨强度较低，在发生骨质疏松时限制其应用。而且为使股骨止点清晰显露，手术时往往将股骨止点上的韧带残端彻底清除，而残端对韧带重建术后再血管化、肌腱与骨隧道的愈合以及本体感觉的恢复具有重要意义[23]。

3.2 表面处理

在生物环境与植入体材料的反应中，材料的表面起着重要作用。宿主首先对材料表面做出相应的生理反应，并根据反应结果决定对材料是亲和还是排斥。因此，控制材料的表面特性可有效改善植入效果。

钛金属本身即具有良好的生物相容性能，故迄今尚未见有对钛金属界面螺钉进行表面处理的文献报道。但Oughlis等[24]在钛箔（Ti）表面接枝聚苯乙烯磺酸钠（PolyNaSS），体外培养人骨髓间充质干细胞（hMSCs），实验结果表明，与未接枝钛表面相比，PolyNaSS/Ti表面对hMSCs的活性和增殖没有影响，但可以改善细胞的黏附和促进成骨细胞分化，由此为我们提供了一种不需添加外源性hMSCs即可实现骨结合效果的思路。

刘安[25]利用3D打印制备PLA界面螺钉，通过层层静电组装法对其表面进行HA修饰，再将Pluronic F-127凝胶负载BMSCs种植于PLA/HA界面螺钉上，动物实验MRI显示螺钉沿轴向位于股骨隧道中，无断钉及其他并发症出现，术后4周腱骨界面内呈现出较多的软骨样细胞表现，术后12周腱骨整合良好，有良好的细胞形态排列及细胞外基质沉积。

3.3 结构改进

界面螺钉已被证明是一种将移植物固定在骨隧道中的有效工具。但是，界面螺钉自身通常占据骨隧道内相当大的空间，这会限制在移植韧带和骨隧道侧壁之间建立的表面区域接触，继而限制移植物长入的区域，并因此会影响结合的牢度。已经估计出，通常的界面螺钉阻碍约50%的潜在腱骨融合区域[26]。

为此，BIOSURE REGENESORB螺钉在保证固定强度的同时，选用可降解材料，采用开放性的结构设计，在螺钉的部分长度上开有3个沟槽，将螺钉的内部空间通过螺旋线圈及匝之间的间隔与外部区域连通，因此，骨组织可毫无阻碍的生长入螺钉内部，其生长空间比常规螺钉增大了6倍。动物实验结果表明，术后12周螺钉中央大约50%的空间已被新生骨组织填充，有利地促进了骨—移植物的愈合，提升了治疗效果[27]。

Baird等[28]设计了Aperfix股骨钉，试图结合界面螺钉固定和悬吊固定两者的优势，用于关节腔侧，降低移植物的松弛、防止移植物从骨隧道内滑脱，提高腱骨愈合的效果。其由钉体、两侧的可活动臂、上部的楔子和可推动楔子移动的螺丝组成。钉体有孔，用于移植物穿过并悬吊其上。通过拧动螺丝，带动楔子将两个活动臂撑开或合拢。除螺丝部件外，其余部件均由PEEK材料制备，可将应力遮挡和骨隧道扩大效应最小化。通过对185例患者ACL重建术后2年的随访显示，所有病例均未出现螺钉松动现象，与Transfix螺钉固定相比，在关节活动度、Lysholm评分、患者满意度等方面差异无统计学意义[29]。

Schumacher等[30]设计了一种由纯羟基磷灰石制备的新型固定钉，采用多重大螺距螺纹，无需使用螺丝刀等工具就可将其插入骨隧道内，体外测试结果表明，该固定钉的最大拔出强度为476 N，与目前临床常用的BioComposite界面螺钉拔出力相当。

总之，韧带重建中移植物固定的方式方法多种多样，目前的临床应用结果显示均各有优缺点。近期均可维持膝关节稳定性，远期对促进移植物与骨愈合的效果则差强人意。随着生物医学、材料学的飞速发展，通过固定器械的结构设计、材料选择，开發出具备类似自然腱骨止点特有的过渡结构的器件，以实现软质的移植物与硬质的骨组织之间更为有效的缓冲，是具有挑战性且前景光明的课题。

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（收稿日期：2017-11-12 本文编辑：王 娟）