带锚钛缆重建喙锁韧带的生物力学研究

金翔赟 沈一凡 李广翼 李晓林

肩锁关节脱位约占所有肩关节损伤的9%，多见于青年及参与对抗性运动项目的运动员[1-2]。肩锁关节脱位最常见的损伤机制是直接暴力作用于肩部外上缘，使肩胛骨向下移位，引起肩锁韧带、喙锁韧带及三角肌-斜方肌筋膜的损伤[3]。Rockwood分型为最常用分型，可根据损伤程度将肩锁关节脱位由轻至重分为6型[4]。Ⅰ型和Ⅱ型肩锁关节脱位通常采取保守治疗[3,5-6]，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型肩锁关节脱位则常采取手术治疗[7]。但Ⅲ型肩锁关节脱位的治疗方案一直存在争议，一般倾向于先保守治疗，若保守治疗失败再手术治疗[8]。

肩锁关节脱位的手术内固定方式经历了坚强内固定、微动内固定及解剖内固定的演变。目前认为，解剖重建喙锁韧带最符合肩锁关节的生物力学特性，临床效果最佳。最常用的喙锁韧带重建技术为TightRope技术，即采用高强度缝线和纽扣钢板来微创重建喙锁韧带。临床结果及影像学表现均证实其疗效令人满意[9]。但TightRope技术也可能引起术后并发症，主要包括：①缝线刚度不足，术后可因上肢重力发生拉伸，进而导致肩锁关节半脱位；②锁骨上方局部应力过大，导致锁骨上方骨折，纽扣钢板陷入锁骨内；③喙突骨折[10-12]。

为降低喙锁重建术的并发症发生率，本研究提出一种新型内固定器械，即带锚钛缆系统。采用该器械的目的为，在解剖重建的基础上，增强内固定的固定刚度，降低并发症发生率。带锚钛缆系统包含以下几部分：①置入喙突的直径为5.0 mm的松质骨螺钉，该螺钉头端带孔，可穿入钛缆；②直径为1.3 mm的钛缆，其两束分别模拟锥状韧带和斜方韧带；③2个直径为12 mm的垫圈及1个锁紧扣(图1)。 本研究通过体外生物力学测试，比较喙锁韧带与带锚钛缆的生物力学特性，预测带锚钛缆的临床表现及可能存在的问题。

图1 带锚钛缆系统实物图

1 材料与方法

1.1 标本准备

本研究采用10例新鲜冰冻尸体的肩关节标本，由上海交通大学医学院提供，年龄(74.6±9.8)岁，其中男4例，女6例，已排除可能有陈旧性肩锁关节脱位的肩关节。所有标本均储藏在-20 ℃冰箱内，实验前在室温下解冻24 h。标本首先通过剔除皮肤、皮下组织及肌肉暴露肩锁韧带与喙锁韧带，并在完整地取下肩胛骨与锁骨后使肩锁韧带与喙锁韧带保持完整性。肩胛骨体以特制的包埋剂包埋，包埋剂凝固后，肩胛骨与包埋剂结合为一体。喙锁韧带在包埋过程中须保持长轴垂直向上，且在切除肩锁韧带后仍予以保留。实验过程中标本始终用生理盐水保持湿润。

2.2 带锚钛缆重建

本研究中使用的带锚钛缆系统为本文通信作者的专利产品[13]，由广慈医疗器械有限公司生产。以带锚钛缆重建喙锁韧带的步骤如下：①以直径为3.0 mm的钻头在喙突基底部前方1 cm处钻孔，钻头方向与关节盂平行，并指向关节盂7点钟方向；②在钻孔处置入长度为30 mm、直径为5.0 mm的螺钉，使钛缆方向与喙锁韧带在喙突上的止点方向平行；③在锁骨远端距肩锁关节4 cm处偏后方及距肩锁关节1.5 cm处偏前方，先用直径为2.5 mm克氏针沿垂直方向钻孔，再用穿线器将钛缆穿过上述两孔并置于锁骨上方；④在钛缆两端分别置入垫圈，再将钛缆两端以相反方向穿入锁紧扣，利用加压器进行复位，最后用锁紧扣将钛缆锁紧。见图2。

图2带锚钛缆重建流程 a. 于喙锁韧带的喙突止点斜行钻孔 b. 置入带锚钛缆 c. 于喙锁韧带的锁骨两止点分别垂直钻孔 d. 利用穿线器将钛缆通过上述两孔穿至锁骨上方，并置入垫圈后锁紧

2.3 生物力学测试

本实验采用E10000测试机(INSTRON公司)及WaveMatrix动态记录软件进行生物力学测试，其负荷精度误差<0.5%。首先将10个喙锁韧带完整的标本作为原始喙锁韧带组，对其进行疲劳实验及拉伸实验；再采用带锚钛缆对上述标本进行喙锁韧带重建，作为带锚钛缆重建组，对其重复进行疲劳实验及拉伸实验。具体实验方法如下：肩胛骨通过特制固定器械固定在测试机底部，锁骨远端则固定在可垂直活动的夹持器上，该夹持器用以提供拉伸负荷(图3)。在开始测试前，预加载5 N的力使锁骨与肩胛骨维持在其解剖位置，并用20 N的力垂直拉伸10次以解除爬行现象。在疲劳试验中，用20 ～70 N的力和1 Hz的频率对锁骨远端向上拉伸1 000次，以模拟康复锻炼中的生理负荷；同时记录锁骨远端与肩胛骨的负荷-位移曲线，记录第1次拉伸及第1 000次拉伸时的最大位移，以两者差值作为疲劳拉伸长度。拉伸实验中，从5 N的力开始，以5 mm/min的速度向上拉伸锁骨远端，直至喙锁韧带失效[14]；记录失效时的最大拉力及长度，记录拉力-长度曲线，并通过线性拟合方法计算刚度。

2.4 统计学方法

采用SPSS17.0进行数据的统计学分析。所得测量数据用均数±标准差表示，采用配对t检验比较完整韧带及重建模型的疲劳拉伸长度、最大拉力负荷、最大拉伸长度及刚度，P<0.05为差异有统计学意义。

图3 生物力学测试

3 结果

原始喙锁韧带组及带锚钛缆重建组均能承受疲劳实验，两组的疲劳拉伸长度没有显著性差异(P>0.05)。两组的断裂强度及拉伸长度有显著性差异(P<0.05)，但刚度无显著性差异(P>0.05)。原始喙锁韧带组均因喙锁韧带断裂而失效，带锚钛缆重建组最终都因螺钉拔出而失效。见表1。

表1 两组疲劳拉伸长度、断裂强度、拉伸长度和刚度的比较

4 讨论

为降低喙锁韧带重建后肩锁关节半脱位及缝线断裂的发生率，本研究采用高强度及高刚度的带锚钛缆系统，模拟喙锁韧带进行喙锁重建，以维持复位后肩锁关节的稳定性，从而使喙锁韧带自然愈合。通过体外生物力学研究发现，带锚钛缆系统的刚度与喙锁韧带相似，可承受术后康复锻炼时的反复生理负荷而不发生半脱位，可有效降低术后半脱位、内固定断裂及内固定周围骨折的发生率。

带锚钛缆系统有以下特点：①实现解剖固定。喙锁韧带分为斜方韧带与锥状韧带，生物力学研究发现，手术治疗肩锁关节脱位时，锥状韧带和斜方韧带应当分别予以解剖重建[15-16]。使用带锚钛缆系统重建可最大程度地模拟喙锁韧带的解剖形态及力学表现。在距锁骨远端15 mm处偏前方、40 mm处偏后方及喙突基底部前方10 mm处钻孔可实现两束钛缆分别重建锥状韧带及斜方韧带。钛缆兼具柔韧性及抗拉伸性，允许肩锁关节进行正常生理运动，且可防止异常的过度活动。②降低手术风险。喙突下方有臂丛神经及动静脉穿过，TightRope技术在术中需暴露喙突下方，可能增加手术风险；带锚钛缆置入方向为喙突基底部指向关节盂7点钟方向，该区域无重要血管神经通过，因此可降低手术风险。③缩短手术时间。带锚钛缆重建手术全程只需3次钻孔及1次锁紧，在锁紧加压器的帮助下可使肩锁关节轻松复位。手术时间缩短有利于显著降低感染率和出血量。④减少术中损伤。带锚钛缆重建技术只需暴露锁骨远端4 cm处窗口即可完成手术操作，不损伤肩峰下任何软组织，不会引起肩峰下骨溶解，患者功能恢复更快。

在疲劳实验中，通过用20～70 N的力垂直拉伸1 000次模拟术后功能锻炼时的生理负荷发现，带锚钛缆系统可承受疲劳实验且表现出与喙锁韧带相似的延长性，延伸长度仅为(0.32±0.16) mm。由此可见，带锚钛缆系统可承受术后正常功能锻炼时的反复外力，且不会由于功能锻炼而导致内固定失效或肩锁关节半脱位。

在拉伸实验中，带锚钛缆重建组的刚度与原始喙锁韧带组无差异。而传统的TightRope缝线的刚度较喙锁韧带低[17]，术后行上肢重力及功能锻炼时易发生缝线拉伸和延长，导致喙锁间隙增宽及肩锁关节半脱位。本研究以钛缆代替缝线，发现带锚钛缆与喙锁韧带的刚度相似，提示重建术后肩关节可恢复正常活动，且不会在上肢的重力作用下发生喙锁间隙增宽及肩锁关节半脱位。

本研究发现，带锚钛缆系统的不足之处在于其固定强度略低于原始喙锁韧带，约为喙锁韧带的68%。拉伸实验中，带锚钛缆重建标本最终都因螺钉拔出而失效，但未发生内固定钛缆断裂及锁紧扣松脱等情况，提示螺钉在喙突固定的部分是整个内固定系统中最薄弱处。尽管如此，带锚钛缆系统尚足以提供对抗上肢可承受的拉力，仅在极限情况下(如患者体质量过大、摔倒或拎重物时)可能发生内固定失效。

本研究存在以下不足：第一，肩锁关节脱位好发于年轻男性，而本研究中采用的尸体年龄偏大，且未进行骨密度测定，因此可能由骨密度偏低导致固定强度降低，从而影响实验结果，带锚钛缆在实际应用时的负载可能高于本研究结果；第二，由于样本量较小，本实验未比较带锚钛缆与TightRope的生物力学特性，而是将其与喙锁韧带比较，以喙锁韧带强度作为基线。与其他技术相比，带锚钛缆重建技术的生物力学强度的优势和不足尚有待进一步研究。

带锚钛缆系统是一种操作简单且安全的解剖型内固定系统，通过钛缆分别解剖重建锥状韧带及斜方韧带可提供术后早期的稳定性，有利于韧带愈合。通过体外生物力学研究发现，虽然带锚钛缆的最大负荷低于喙锁韧带，但足以承受术后康复锻炼时的反复生理负荷，且其刚度与喙锁韧带相似，可减少术后半脱位的发生率，其临床效果还有待进一步评估。