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PET人工韧带重建前交叉韧带临床、力学及相关基础研究

高凯  
【摘要】: 前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤导致膝关节不稳定,严重影响膝关节功能,主要采用ACL重建手术治疗,是运动医学领域研究的热点。ACL重建移植物包括自体移植物、异体移植物和人工韧带。早期的人工韧带失败率太高而被临床淘汰。由于自体和异体移植物重建ACL都存在各自的弊端,近年来人工韧带重新受到关注。临床上应用经过改良设计的聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)人工韧带重建ACL逐渐增多,但术后超过两年的疗效和安全性研究尚不多。ACL重建术后动态膝关节旋转稳定性评价是衡量ACL重建术疗效的重要内容,通常采用三维步态分析技术或X光立体摄影技术来评价。前者比较成熟,后者设备昂贵,国内极少单位使用。目前临床应用PET人工韧带还存在一定缺陷:人工韧带两端骨隧道部分依靠挤压螺钉维持韧带固定,韧带骨道部分受螺钉挤压导致腱骨愈合受到影响;材料的生物相容性欠佳,成纤维细胞在人工韧带关节内游离纤维部分的表面粘附很少,分布不均匀,细胞增殖能力差,细胞外胶原纤维在人工韧带内分布不均匀,是导致人工韧带失败的主要原因之一。当前的基础研究开始注重改进PET人工韧带材料的生物相容性,但还没有能满足临床实践需要的有效方法。本研究是我们863和973纳米化人工韧带研究课题的一部分内容,拟观察PET人工韧带材料表面经纳米技术修饰后,PET材料的生物相容性能否提高,从而有助于提高人工韧带的远期疗效呢? 为了解目前PET人工韧带移植后的真实情况,本研究对国内多家骨科运动医学临床中心实施的LARS人工韧带重建ACL术后患者进行3-5年临床随访,评价其临床疗效,分析其失败原因,有针对性地开展相关研究;同时,采用三维步态分析技术,定量评价LARS人工韧带重建ACL术后患者的动态膝关节旋转稳定性,并与自体胭绳肌腱移植重建ACL术后患者比较,探讨人工韧带重建的可靠性;同时对PET人工韧带材料进行纳米化处理,观察人骨髓基质干细胞在经过透明质酸、壳聚糖纳米自组装涂层、以及纳米羟基磷灰石涂层表面处理的PET人工韧带材料上的粘附、增殖和分化能力。为进一步深入研究打下基础,提供参考。本研究包括以下三个部分: 第一部分LARS人工韧带重建前交叉韧带多中心临床研究 目的多中心临床研究评价LARS (Ligament Advanced Reinforcement System, LARS)人工韧带重建前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)术后3-5年的临床疗效。 方法对国内四家大学附属医院的骨科运动医学临床中心,从2004年8月到2006年7月间,使用LARS人工韧带重建ACL的159个病例进行回顾性临床研究,所选手术患者均保留ACL残端,施行人工韧带ACL重建术。从ACL损伤到接受重建手术的时间平均为5个月。术后平均随访50个月(36-62个月)。疗效评价包括:采用Lachman试验、轴移试验、KT-1000关节动度计评价膝关节稳定性;采用Lysholm评分、Tegner评分、IKDC评分,进行膝关节功能主客观评分;采用MRI和X线片影像学评价膝关节滑膜炎和骨隧道扩大发生;通过评价患者术后恢复运动的时间,了解患者对疗效的主观满意度;对其中68例患者进行Biodex等速肌力测定,以评价股四头肌力和胭绳肌力恢复情况。 结果最终随访时,KT-1000关节动度计测试的结果是侧-侧比较,胫骨前移差值为1.5±1.6mm,膝关节稳定性较术前明显改善(p.0001)。Lysholm评分由术前65.1±12.3分提高到最后随访时的94.5±7.0分(p.0001); Tegner运动评分,由术前的3.1±1.6提高到随访时的6.1±1.5(p.0001),恢复到不受限制运动的时间为术后5.2±1.1月;IKDC评分,正常或几乎正常(A或B)的比例为94%。有80例患者发生不同程度骨隧道扩大,骨道扩大发生率为51%。主观满意度:81%患者非常满意(127/156),12%患者满意(18/156),不满意者为4%(7/156),非常不满意为3%(4/156)。68例患者股四头肌峰力矩患侧占健侧下肢的百分比为93.6±10.7,等速胭绳肌峰力矩患侧占健侧下肢的百分比为95.8±12.0。与LARS人工韧带重建术直接相关的失败病例11例,失败率为7%,其中3例为固定螺钉松动,4例因为定位错误导致关节松动,3例为LARS人工韧带关节内断裂,伴1例膝关节滑膜炎,1例韧带残端处理不当。 结论对于保留有ACL残端的急性和慢性ACL损伤病例应用LARS人工韧带重建ACL,术后随访50个月的主观和客观临床疗效尚好,骨道扩大发生率为51%。术后4年的失败率为7%,包括了螺钉松动、韧带断裂等。LARS人工韧带两端与骨隧道之间愈合不够牢固。临床相关提示,必须探索促进骨组织PET人工韧带两端愈合的有效方法。 第二部分LARS人工韧带重建前交叉韧带术后膝关节稳定性的三维步态分析 目的评价并比较LARS人工韧带和自体腘绳肌腱移植重建ACL术后,患者在步行状态下的动态膝关节旋转稳定性和步态结果。 方法LARS人工韧带和自体腘绳肌腱(HT)移植重建ACL术后1年以上已经恢复运动的患者各8例,正常对照8名。在步态分析实验室,应用装置8台高速红外摄像机的Vicon三维步态分析系统和测力台,采集实验对象步行时的运动学和动力学数据。分别采集每位实验对象在正常速度步行时3次符合要求的测试数据,取平均值,作为每位实验对象的结果。应用Visual 3D软件对采集的运动学和动力学数据进行分析。步态分析指标:运动学,包括时间-距离参数:步速、步长,患侧下肢的站立期时间占步态周期时间的百分比;患侧膝关节屈伸和旋转角度;步态动力学指标:患侧下肢矢状面垂直地面反作用力,并与正常对照组比较。 结果步速、步长、步频,站立期时间占步态周期的百分比,LARS组、HT组与对照组比较,差异无统计学意义(p0.05)。站立期的矢状面膝关节角度:足跟着地时的屈膝角度,LARS组、HT组和对照组分别为3.0±1.4度、2.8±1.6度和2.74±2.1度;站立期最大屈膝角度和最小屈膝角度,LARS组、HT组、对照组分别为:33.2±9.6度和7.0±3.1度,33.5±10.8度和7.7±3.8度,32.8±5.7度和7.2±3.4度;三组间比较,差异无统计学意义(p0.05)。膝关节最大内旋角度,LARS组、HT组和对照组分别为6.2±1.6度、5.8±1.3度和5.2±1.8,三组间差异无统计学意义(p0.05)。膝关节最大外旋角度,LARS组、HT组和对照组分别为7.8+1.1度、8.2±1.4度和5.6±1.9度,HT组和LARS组均显著大于对照组(p0.001);HT组和LARS组比较,组间差异无统计学意义(p0.05)。动力学,三组的矢状面垂直地面反作用力均呈正常的M形曲线;地面反作用力第1峰值,LARS组、HT组和对照组分别为120.8±15.3、119.7±12.8和121.1±19.0;地面反作用力谷值,LARS组、HT组和对照组分别为73.0±12.9、72.6±13.7和68.9±13.0;地面反作用力第2峰值,站立中期力的变化,地面反作用力达到第1峰值的时间,LARS组、HT组和对照组间的差异均无统计学意义(p0.05)。 结论LARS人工韧带重建和自体HT移植单束重建ACL术后1年步行时的时间-距离参数和矢状面垂直地面反作用力恢复至正常水平。步行时的矢状面膝关节活动度恢复正常,但2组患者的水平面膝关节旋转稳定性未恢复到正常水平。 第三部分PET韧带材料纳米化对骨髓基质干细胞黏附、增殖以及分化影响的实验研究 目的观察人骨髓基质干细胞(human Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells, hBMSCs)在经过表面纳米化处理的PET材料表面的黏附、增殖及成骨分化的能力。 方法观察hBMSCs在以下3组PET膜片上的粘附、增殖和分化:PET膜片表面经壳聚糖、透明质酸纳米自组装涂层处理(LBL组);PET膜片表面经壳聚糖、透明质酸纳米自组装涂层处理后,表面再加纳米羟基磷灰石涂层(HA组),PET膜片未经表面处理(PET组)。扫描电镜(SEM)观察hBMSCs在材料上培养24小时和7天时的细胞形态。检测hBMSCs培养7天后的增殖和碱性磷酸酶(ALP)活性。Real Time PCR检测培养3天时hBMSCs的整合素β1 mRNA表达。 结果电镜下hBMSCs在纳米羟基磷灰石和透明质酸、壳聚糖涂层的PET表面能更好地伸展和黏附,形态明显优于普通PET组。培养7天的细胞增殖、ALP活性定量,HA组和LBL组均显著高于PET组(p0.001)。HA组细胞增殖,显著高于LBL组(p=0.01)。HA组的ALP活性,显著高于LBL组(p.001)。hBMSC培养3天的整合素β1 mRNA表达,HA组和LBL组显著高于PET组(p.001);HA组显著高于LBL组(p=.003)。 结论PET表面经壳聚糖、透明质酸纳米自组装涂层和纳米羟基磷灰石涂层处理后,能明显促进人hBMSCs在PET膜表面的粘附、增殖和分化。纳米羟基磷灰石涂层的作用最明显。


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