兔异体前交叉韧带重建后交叉韧带的生物力学研究

兔异体前交叉韧带重建后交叉韧带的生
物力学研究
摘要目的：观察兔异体前交叉韧带移植物解剖重建后交叉韧带的生物力学转归。

方法：6 只骨骼成熟新西兰大白兔，随机选取每只兔后腿中的一侧保留
后交叉韧带，另一侧保留前交叉韧带，分别测量兔正常前、后交叉韧带的几何
学特点、结构力学特性和材料力学特性，发现兔的前交叉韧带在生物力学特性
上适合做为移植体重建其后交叉韧带。

24 只成年新西兰大白兔，随机选取每只兔后腿中的一侧做为试验组，对侧为对照组。

选用无菌取材、新鲜冰冻异体前
交叉韧带为移植物重建后交叉韧带。

分别于6 周、12 周、26 周、52 周时取材，测量股骨－移植物－胫骨几何学特点、结构力学特性和材料力学特性。

结果：移植物平均长度在52 周时为对侧的101％，平均横截面积为对侧的142%，移植物强度在术后52 周为对侧83％，硬度在52 周为92％，移植物最大应力
在52 周为58％。

最大应变在52 周时为72％。

弹性模量在52 周为65％。

结论：生物力学转归良好，几何学特点和结构力学特性恢复好于材料力学特性。

选用合适的移植物进行解剖重建和可靠固定是影响后交叉韧带重建效果的主要
因素。

异体移植物是后交叉韧带重建的有效选择。

关键词前交叉韧带移植物后交叉韧带重建生物力学试验
1. 引言
后交叉韧带是限制胫骨后移的主要稳定结构[1][2][3]，单纯后交叉韧带损伤多采用保守治疗，治疗无效及合并其他韧带损伤者采用手术治疗。

手术治疗
主要采用重建术，效果不如前交叉韧带重建[4]。

影响后交叉韧带重建后效果的因素很多，包括移植物的选择、手术方式和固定方法等。

移植物主要包括自体
和异体移植物；传统的方法是单束重建，即重建较强大的前外侧束，为了改善
重建效果，有人采用了双束重建，即同时重建前外侧束和后内侧束；固定方法
主要包括嵌入法和胫骨骨道法等。

关于这方面的研究很多，但动物试验较少，
目前尚未见解剖重建后交叉韧带的动物试验报道。

后交叉韧带是力学结构，其
生物力学特性的恢复至关重要，我们用兔的异体前交叉韧带解剖重建后交叉韧带，研究移植物在术后的生物力学变化，为今后的临床研究提供试验依据。

2. 材料和方法
2.1 兔正常前交叉韧带、后交叉韧带几何学及生物力学特性测量
6 只成年新西兰大白兔，后腿自股骨近端截断，将膝关节周围软组织去除，随机选取每只兔后腿中的一侧保留后交叉韧带，另一侧保留前交叉韧带。

股骨
和胫骨各保留3CM 长。

用自制恒压式横截面积测量韧带中部横截面积，压力为0.12MPa，压力时间为2 分钟；保留后交叉韧带者去除股骨外髁，用U 形带孔
铜板卡具加横行钢钉固定兔胫骨和股骨，股骨与竖直线成90 度角，胫骨与竖
直线成70 度角，股骨轻度向外倾斜，胫骨轻度向内倾斜，调节复合体和钢钉
的位置，使拉力经过韧带的轴线。

应用WDW3020 电子万能试验机做拉伸试验
（中科院长春科新试验仪器研究所制造）。

拉力达到2.0N 时用游标卡尺分别
测量后交叉韧带前外束和后内束的长度，取其平均值作为韧带长度。

保留前交
叉韧带者去除股骨内髁，用U 形带孔铜板卡具加横行钢钉固定兔胫骨和股骨，
屈膝30 度，股骨轻度向内倾斜，胫骨轻度向外倾斜，调节复合体和钢钉的位置，使拉力经过韧带的轴线，拉力达到2.0N 时用游标卡尺分别测量前交叉韧
带前内束和后外束的长度，取其平均值作为韧带长度。

先行预处理，拉伸速度0.5 毫米/秒，拉长0.5 毫米，共3 次，然后行拉断试验，拉伸速度为500 毫
米/分钟，试验机绘出载荷－位移曲线。

数码摄像机记录拉断过程（100 帧/秒），以韧带止点中心点之间距离作为韧带拉伸长度，对载荷－位移曲线进行
修正。

2.2 动物模型
24 只成年新西兰大白兔分为6 周、12 周、26 周、52 周4 组，每组6 只，均为雄性，重量为2.5－3kg。

用20％氨基乌米糖耳缘静脉注射麻醉，剂量为5ml/kg。

制作移植物：无菌条件下取兔股骨－前交叉韧带－胫骨复合体，胫
骨骨块由下止点向外后方修整，（向后角度不应过大，保证长度的情况下尽可
能水平向）切取胫骨外髁平台皮质骨部分（其松质骨太松，且与皮质骨连接不
紧密，基本不能负载），宽度与下止点一致；切取股骨止点骨块，骨块为皮质
骨部分，方向为后下，沿股骨外髁内侧皮质走行，最后用骨锉修成直径约2-
3mm，长度约3mm-5mm 圆柱形骨柱。

装入双层无菌塑料袋，－80℃保存14 天以上待用，记录每只取材兔子的重量。

重建后交叉韧带：1.用投币方式决定手术侧，对侧作为对照侧。

取膝前内
侧弧形切口，沿髌骨内侧打开关节腔，显露膝关节内前方结构，切断后交叉韧
带股骨止点，并将其推向髁间窝后方。

2.沿膝内侧皮下向后游离，直达膝内后方，沿内侧副韧带后方切开关节囊，显露后交叉韧带胫骨止点，切断并将后交
叉韧带取出。

3.用3mm 钻行髁间窝成型，注意拉钩保护好前交叉韧带。

4.定位
器引导下用2.5mm 骨钻在股骨内髁内侧打骨道，方向指向外前，止于后交叉韧
带股骨止点处；同样在胫骨结节内下打骨道，止于后交叉韧带胫骨止点处，方
向应比较水平。

而且位置应该稍偏外侧，否则会伤及内侧半月板的后止点。

（兔的外侧半月板后止点向上沿前交叉韧带止于股骨，因此不容易受伤。

）5.
选取体重相匹配的对侧移植物融化，用0.8mm 科氏针在骨块上打孔，并穿入1-
0 涤纶编织线作固定线。

6.移植体股骨骨块自膝关节前方通过引线经髁间窝引
至后方，7.胫骨骨块植入股骨内髁骨道，再将股骨骨块植入胫骨骨道，此时可
见移植后的韧带形成前外束和后内束，与原解剖结构基本一致。

8.在股骨内髁
内侧骨道旁边植入一枚门形钉，牵引线穿入后打结固定上止点；在胫骨骨道下
方横行打孔，牵引线穿入后打结固定下止点。

9.关节内用稀碘伏冲洗后再用大
量生理盐水冲洗，关闭切口，术后肌注青霉素3 次。

（80 万单位/次/天）10.
动物为笼内饲养，自由负重。

11.择期处死动物，兔的后腿自股骨近端截断，保持肌肉完整，自封口塑料袋包装，－20? 保存。

2.3 生物力学测试
将标本取出后室温下融化 12 小时，生理盐水纱布保湿。

将膝关节周围软
组织及前交叉韧带去除，只保留后交叉韧带，股骨和胫骨各保留3CM 长。

按照1.1 中后交叉韧带生物力学测量方法进行测量。

3. 结果
试验动物在取材时运动良好，可以奔跑，未见关节肿胀、跛行及其他异常。

3 只动物分别于术后15 天、56 天、182 天死亡，原因不清，给予补做。

1 只
动物于术后发生表皮感染，经抗感染治疗后痊愈。

取材时未见关节明显积液、
滑膜炎表现。

3.1 几何学特点
兔正常 PCL、ACL 几何学数据。

兔PCL 的横截面积和平均长度较ACL 大。

移植物的平均长度在 6 周时为对侧的104％，在52 周时为101％，52 周百分
比与6 周百分比的差异有显着性（P<0.05），说明移植物长度与对侧的差距在
缩小。

平均横截面积在6 周时为对侧的196％，12 周时比值增大为209％，但
无显着性差异（P>0.05），26周比值下降为182％（与12 周比较，P<0.05），52 周比值为142％（与26 周比较，P<0.001），说明移植物横截面积逐渐与对侧接近。

3.2 结构力学特性
兔正常 PCL、ACL 测量数据，可见兔ACL 在结构力学特性方面要明显高于PCL。

移植物最大载荷在术后 6 周时为对侧的45％，12 周为59％，26 周为66％， 52 周为83％，其差异均有显着性（P<0.05）。

最大拉长量在6 周时为对侧的54％，52 周为72％（P<0.001）。

硬度在6 周时为对侧的66％，52 周为92％（P<0.001）。

最大载荷能量在6 周时为对侧的24％，52 周为56％
（P<0.001）。

3.3 材料力学特性
兔正常 PCL、ACL 测量数据见表3，可见二者在材料力学特性方面差别很小，弹性模量差别无显着性。

移植物最大应力在6 周时为对侧的23％，52 周为58％（P<0.001）。

最
大应变在6 周时为对侧的53％，52 周时为72％（P<0.001）。

弹性模量在6
周时为对侧的35％，12 周为39％，二者差异没有显着性（P>0.05），26 周为45％（与12 周比较，P>0.05），52 周为65％（与26 周比较，P<0.001）。

3.4 断裂方式
所有兔正常PCL、ACL 都在韧带体部断裂。

所有试验组移植物和对照组的PCL 都在韧带体部断裂，其中75％在中部，23％靠近胫骨端，2％靠近股骨端。

4. 讨论
供后交叉韧带重建的移植物很多。

自体移植物包括：骨－髌腱－骨、腘绳
肌腱、股四头肌腱；异体移植物包括：跟腱、骨－髌腱－骨、腘绳肌腱、股四
头肌腱、胫前肌腱、胫后肌腱等。

随着双束重建和多发性韧带损伤的增多，异
体移植物应用逐渐广泛。

理想的后交叉韧带移植物目前尚不存在，主要由于后交叉韧带是一个复杂
解剖结构[5]。

解剖学和生物力学研究发现后交叉韧带分为前外侧束和后内侧束。

前外侧束起自股骨内髁外侧面偏前部位，止于胫骨上端后面外侧部；后内侧束
起自股骨内髁外侧面偏后部位，止于胫骨上端后面内侧部。

Ahmad[6]等人通过
尸体试验发现前内侧束和后外侧束在屈膝过程中共同维持膝关节的稳定性，提
示双束重建较单束重建更接近于解剖重建。

Harner[7]等人在新鲜膝关节标本上重建后交叉韧带，发现双束重建后在各个屈膝角度上膝关节的稳定性与正常膝
关节无明显差别，而单束重建效果较差。

Stannard[8]等人在膝关节多发性韧带损伤中用双束法解剖重建后交叉韧带，2 年随访效果好。

Nyland[9]等人用异体移植物双束重建后交叉韧带，2年随访效果良好。

但目前尚未见到双束或其他
术式解剖重建后交叉韧带的动物试验，解剖重建后移植物生物力学特性的转归
尚不清楚。

兔解剖发现：后交叉韧带上止点处粗大、扇形附着于股骨内髁外侧面，下
止点处呈条索状附着于胫骨后缘，前交叉韧带下止点止点处粗大、扇形附着于
胫骨，上止点处呈条索状附着于股骨后缘。

后交叉韧带重建中手术方式的选择
是根据移植物特点选择和设计的。

在本试验中我们将胫骨骨块植入股骨内髁骨道，将股骨骨块植入胫骨骨道，调整截取骨块方向及骨块大小，使移植物上下
止点位置与原止点相吻合，重建后的骨－前交叉韧带－骨移植物呈“Z”形排列，术中见移植后的韧带形成明显的前外侧束和后内侧束，与原后交叉韧带解剖结
构基本一致；解剖发现兔前交叉韧带为后交叉韧带的1.3 倍（前交叉韧带较后
交叉韧带约长1.28mm），由于“Z”形返折，重建后移植体的长度与原韧带长
度无明显差别且固定可靠，术中检查膝关节在各个屈曲角度均稳定。

因此本试
验基本恢复了后交叉韧带的复杂结构，接近解剖重建，且固定可靠。

通过对正常新西兰大白兔前、后交叉韧带生物力学的研究，我们发现其前
交叉韧带强度为后交叉韧带的1.6 倍，硬度为1.2 倍；最大应力为1.04 倍，
弹性模量为1.03 倍（统计学无显着性差异）。

可以看出前交叉韧带在结构力
学特性方面明显强于后交叉韧带，在材料力学特性方面很相近，因此在生物力
学方面用兔后交叉韧带重建前交叉韧带是合适的。

Clancy[10]等人在恒河猴动物模型中用自体髌韧带重建后交叉韧带，术后
12 个月时移植物的强度为对侧的47％；Bosch[11]等人在绵羊动物模型中用自
体髌韧带重建后交叉韧带，术后1 年时移植物的强度为对侧的66％。

在本试验中，术后52 周时移植物的强度为对侧的83％，较上述两个试验的结果均有明
显提高。

移植物的初始强度是后交叉韧带的约1.6 倍，术后1 年为83％，大
约恢复了自身强度的50％。

Jackson[12] 等人通过对原位冷冻处理后山羊前交
叉韧带的研究指出：灭活后的前交叉韧带如果能保证其内部各纤维束解剖位置
及走向不变，则其强度可以完全恢复。

因此本试验中强度未能完全恢复可能与
解剖重建程度不够有关。

Suggs[13]等人通过计算机模拟发现：移植物硬度过大，膝关节稳定性可以得到有效恢复但膝关节活动时关节软骨面的压力增加，与前
交叉韧带重建后关节早期退变有关；硬度一致时，可以有效的恢复膝关节的稳
定性且不增加关节面的压力。

移植物硬度在术后6 周时达到了对侧的66％，1 年时达到了92％，与后交叉韧带硬度基本一致。

移植物的长度逐渐与对侧后交
叉韧带相一致，提示关节稳定性有所提高。

横截面积在术后12 周时为对侧的209％，1年时为142％，而兔正常前交叉韧带为后交叉韧带的154％，说明移
植后1 年时移植物的横截面积较移植前稍有较少。

其材料力学特性恢复明显不
如结构力学特性，在术后1 年时，其最大应力为对侧的58％，弹性模量为对侧的65％。

与Bosch[11]的结果相似。

可以看出应用兔异体前交叉韧带移植体重建后交叉韧带后移植物生物力学
特性恢复良好。

与以往的动物试验相比，本试验是首次近似解剖重建后交叉韧带。

根据兔前、后交叉韧带的解剖特点和生物力学特点，设计用前交叉韧带重
建后交叉韧带。

与目前常用的双束重建后交叉韧带相比达到了更好的解剖重建
效果，因为所谓的前外侧束后外侧束是根据解剖学和生物力学结果划分的功能
性分区，其间并无明显界限，在膝关节的活动中后交叉韧带是做为一个整体来
维持膝关节稳定性的[14]。

由于没有合适的移植物，临床上只能采用双束重建法，以尽可能达到解剖重建。

临床报到异体植物重建后交叉韧带效果良好。

异体移植物具有无供区症状、缩短手术时间和材料大小不受限等优点[5]。

新鲜冰冻可以基本消除移植物的免
疫排斥反应且对移植物的组织学特性和生物力学特性影响很小[15]。

严格供体
筛选、无菌取材和新鲜冰冻已成为异体移植物处理的方向[16][17]。

据我们所
知本试验是首次采用异体移植物重建后交叉韧带，其生物力学转归良好，甚至
超过了自体移植动物试验结果。

当然移植物生物力学特性的恢复还与重建方式、固定方式等有关。

试验结果提示无菌取材、新鲜冰冻异体移植物重建后交叉韧
带是可行的。

本试验没有采用现在常用的嵌入技术而采用了胫骨骨道技术，由于移植物
在重建后呈“Z”形，两端骨块与骨道嵌插紧密，术中检查见在屈膝过程中，膝关节稳定性良好，起到了可靠固定的作用，术后生物力学试验时未见止点撕脱
者进一步说明此方法在兔试验中是有效和可行的。

因此，选用合适的移植物进行解剖重建和可靠固定是影响后交叉韧带重建
效果的主要因素。

异体移植物可以有效的重建后交叉韧带。

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