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后交叉韧带断裂对前交叉韧带影响的生物力学和组织学研究

李宇晟  
【摘要】:前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)与后交叉韧带(posterior cruciate ligament, PCL)是膝关节内的重要结构。ACL控制胫骨前移,同时调节部分旋转功能。PCL主要保持膝关节后向稳定性。ACL与PCL共同保持股骨远端与胫骨近端在膝关节屈伸活动中正常的滑动,维持旋转范围与轨迹。随着交通事故的增多和竞技体育运动普遍开展,PCL损伤发生率逐年增加,人们对于PCL断裂的治疗也越来越重视。然而,在治疗方法选择上还存在着分歧,有学者对单纯PCL损伤主张非手术治疗,也有学者报道非手术治疗长期随访结果显示部分患者最终出现膝关节的功能受损。 PCL断裂是否会对ACL的生物力学和组织学产生影响、产生何种影响、不同部位断裂对前交叉韧带的影响是否不同,国内外鲜有报道。本课题首先采用生物力学方法测试不同载荷和不同屈曲角度下,人体膝关节标本在PCL部分断裂和完全断裂时ACL前内侧束(anteromedial bundle, AMB)和后外侧束(posterolateral bundle, PLB)的应力变化,以探讨PCL及其各分束的生物力学功能和PCL断裂对ACL生物力学行为的影响。在此基础上,通过动物模型探讨PCL断裂后不同时间点ACL的力学性能和组织结构的变化。力学性能方面,采用力学拉伸试验测试ACL在PCL断裂后最大应力和弹性模量的变化;同时采用纳米压痕技术测量ACL纳米弹性模量和显微硬度的变化,从宏观和微观两个层面探讨PCL断裂对ACL力学性能的影响。组织结构方面,采用HE染色和投射电镜观察ACL组织形态改变,采用天狼猩红染色偏振光下观测Ⅱ型和Ⅲ型胶原含量及分布的变化,采用免疫组织化学观测ACL中基质金属蛋白酶的表达。本研究探讨了PCL断裂对ACL的生物力学和组织学影响,为临床PCL损伤的治疗方式选择提供了实验依据和理论基础。 目的:探讨膝关节不同屈曲角度、不同载荷下,后交叉韧带及其分束断裂对前交叉韧带的生物力学影响。 方法:新鲜成人正常膝关节标本12具(PCL完整组),于膝0°、30°、60°、90°位,在200N、400N、600N和800N载荷下,测试前交叉韧带前内侧束(ACL-AMB)和前交叉韧带后外侧束(ACL-PLB)的应变;然后将上述12具标本随机分为PCL前外侧束(anterolateral bundle, ALB)切断组和PCL后内侧束(posteromedial bundle, PMB)切断组各6具,同法测试两组的ACL-AMB与ACL-PLB的应变;最后将12具标本PCL完全切断(PCL全断组),同法测试ACL两束的应变。分别比较ACL-AMB和ACL-PLB在PCL完整、ALB切断、PMB切断和PCL全断四种情况下应变的差异。样本均数满足方差齐性时,多个样本间两两比较采用SNK-q检验,方差不齐时采用Dunnett-t3检验。P0.05认为差异具有统计学意义。 结果:1.膝0°位:PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组与PCL完整组比较,在200N、400N、600N和800N载荷下,ACL-AMB和ACL-PLB的应变均无明显差别,无统计学意义,均P0.05。PMB切断组、ALB切断组与PCL全断组两两之间的ACL-AMB和ACL-PLB应变,在200N、400N、600N和800N载荷下,无明显差别,无统计学意义,均P0.05。 2.膝30°位:PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组与PCL完整组比较,在200N载荷下,ACL-AMB和ACL-PLB的应变均无明显差别,无统计学意义,均P0.05;在400N、600N和800N载荷下,PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组的ACL-AMB和ACL-PLB较PCL完整组压应变增大,有统计学意义,均P0.05;PMB切断组、ALB切断组与PCL全断组两两之间的ACL-AMB和ACL-PLB应变,在200N、400N、600N和800N载荷下,无明显差别,无统计学意义,均P0.05。 3.膝60°位:(1)ACL-AMB的应变:PMB切断组与PCL完整组比较,在200N载荷下,ACL-AMB的应变无明显差别,无统计学意义,P0.05,在400N、600N和800N载荷下,PMB切断组ACL-AMB压应变较PCL完整组增大,有统计学意义,均P0.05;ALB切断组、PCL全断组与PCL完整组比较,在200N、400N、600N和800N载荷下,ACL-AMB压应变均增大,有统计学意义,均P0.05。PMB切断组与PCL全断组比较,在200N、400N、600N载荷下,ACL-AMB应变较小,有统计学意义,均P0.05;在800N载荷下,ACL-AMB应变无明显差别,无统计学意义,P0.05。ALB切断与PCL全断组比较,在200N载荷下,ALB切断组ACL-AMB应变较小,有统计学意义,P0.05;在400N、600N和800N载荷下,ACL-AMB应变无明显差别,无统计学意义,均P0.05。PMB切断组与ALB切断组比较,在200N、800N载荷下,ACL-AMB应变无明显差别,无统计学意义,均P0.05;在400N、600N载荷下,PMB切断组压应变较ALB切断组要小,有统计学意义,均P0.05。 (2)ACL-PLB的应变:PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组与PCL完整组比较,在200N、400N载荷下,ACL-PLB应变无明显差别,无统计学意义,均P0.05;在600N,800N载荷下,PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组ACL-PLB压应变较PCL完整组增大,有统计学意义,均P0.05。PMB切断组与PCL全断组比较,在200N、400N载荷下,ACL-PLB应变无明显差别,无统计学意义,均P0.05;在600N、800N载荷下,PMB切断组ACL-PLB压应变较全断组减小,有统计学意义,均P0.05。ALB切断组与PCL全断组比较,在200N、400N、600N和800N载荷下,ACL-PLB应变无明显差别,无统计学意义,均P0.05。PMB切断组与ALB切断组比较,在200N、400N和600N载荷下,ACL-PLB应变无明显差别,无统计学意义,均P0.05;在800N载荷下,PMB切断组ACL-PLB压应变较ALB切断组减小,有统计学意义,P0.05。 4.膝90°位:(1)ACL-AMB的应变:PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组与PCL完整组比较,在200N、400N、600N和800N载荷下,ACL-AMB的压应变均增大,有统计学意义,均P0.05。PMB切断组与PCL全断组比较,在200N载荷下,ACL-AMB压应变较小,有统计学意义,P0.05;在400N、600N和800N载荷下,PMB切断组ACL-AMB应变无明显差别,无统计学意义,均P0.05。ALB切断组与PCL全断组比较,在200N、400N、600N和800N载荷下,ACL-AMB应变无明显差别,无统计学意义,均P0.05。PMB切断组与ALB切断组比较,在200N、400N载荷下,ACL-AMB压应变较小,有统计学意义,均P0.05;在600N、800N载荷下,PMB切断组ACL-AMB应变无明显差别,无统计学意义,均P0.05。(2) ACL-PLB的应变:PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组与PCL完整组比较,在200N、400N、600N和800N载荷下,ACL-PLB的压应变均增大,有统计学意义,P0.05。PMB切断组,AMB切断组与PCL全断组两两之间比较,在200N、400N、600N和800N载荷下,ACL-PLB的应变均无明显差别,无统计学意义,均P0.05。 结论:1.膝0°位,PMB切断、ALB切断和PCL全断对前交叉韧带的生物力学影响不大。 2.膝30。位,在200N载荷下,PMB切断、ALB切断和PCL全断对前交叉韧带的生物力学影响不大;在400N、600N和800N载荷下,PMB切断、ALB切断和PCL全断对前交叉韧带的生物力学有影响,韧带所受压应变增大,张应力减小,变得松弛。 3.膝60°、90°,在大部分载荷下,PMB切断、ALB切断和PCL全断对前交叉韧带的生物力学有影响,韧带所受压应变增大,张应力减小,变得松弛。 4.PMB和ALB组成PCL功能整体,在膝关节屈曲过程中协同作用。 目的:探讨后交叉韧带断裂对兔前交叉韧带力学性能的影响。 方法:48只成年雄性家兔,两侧膝关节随机分为实验组和对照组。实验组膝关节后交叉韧带完全切断,对照组切开关节囊,暴露后交叉韧带而不切断。造模后第8周、第16周、第24周、第40周四个时间点随机处死12只家兔。其中6只家兔的双侧膝关节前交叉韧带通过传统力学拉伸试验,测量其长度,横截面积,最大载荷,最大拉伸长度通过计算得到最大应力和弹性模量;另6只家兔双侧前交叉韧带通过冰冻切片机制成100μm超薄切片,行纳米压痕测试,数据采集后得到韧带的微观弹性模量和显微硬度。采用两样本均数t检验比较分析前交叉韧带力学性能的数据,P0.05认为差异具有统计学意义。 结果:1.造模后第8周、第16周、第24周和第40周,实验组与对照组前交叉韧带的长度和横截面积没有明显变化,无统计学意义,均P0.05。 2.造模后第8周和第16周,实验组和对照组前交叉韧带最大应力、弹性模量无明显差别,无统计学意义,均P0.05;第24周和第40周,实验组的前交叉韧带最大应力、弹性模量明显小于对照组,有统计学意义,均P0.05。 3.造模后第8周和第16周,实验组和对照组前交叉韧带微观弹性模量、显微硬度无明显差别,无统计学意义,均P0.05;第24周和第40周,实验组的前交叉韧带微观弹性模量、显微硬度明显小于对照组,有统计学意义,均P0.05。 4.力学拉伸试验与纳米压痕试验得到的前交叉韧带力学性能变化相同。 结论:1.兔后交叉韧带断裂后,在40周实验期内不会引起兔前交叉韧带长度和横截面积的改变。 2.兔后交叉韧带断裂后,兔前交叉韧带的力学性能在一定时间后开始下降。 3.纳米压痕技术与传统力学拉伸试验所得结果一致,可以用于韧带材料力学性能研究。 目的:探讨后交叉韧带断裂对兔前交叉韧带组织形态学的影响。 方法:24只成年雄性家兔,两侧膝关节随机分为实验组和对照组。实验组膝关节后交叉韧带完全切断,对照组切开关节囊,暴露后交叉韧带而不切断。造模后第8周、第16周、第24周、第40周四个时间点各随机处死6只家兔取材,肉眼观察前交叉韧带的色泽,弹性等大体形态;HE染色观测前交叉韧带细胞数目,细胞核形状,胶原纤维结构以及胶原纤维排列情况;投射电镜观测前交叉韧带胶原纤维的形态,排列和直径大小;天狼猩红染色后经偏振光检测Ⅰ型胶原和Ⅲ型胶原的数量以及Ⅰ型/Ⅲ型胶原比值的变化;免疫组化检测MMP-1和TIMP-1在前交叉韧带的表达情况。采用两样本均数t检验比较分析各实验数据,P0.05认为差异有统计学意义。 结果:1.大体形态观察显示造模后第8周、第16周、第24周实验组与对照组前交叉韧带标本大体形态无明显差异,表面光滑,色泽白亮,质韧;第40周实验组前交叉韧带标本较对照组标本表面略粗糙,色略黄,质偏软,光泽度略差。 2.HE组织学观察显示造模后第8周和第16周,实验组与对照组组织学之间无明显差别;第24周,实验组前交叉韧带细胞较对照组减少(P0.05),实验组出现较多椭圆型、圆形细胞核,胶原纤维排列较对照组稀疏;第40周,实验组前交叉韧带细胞较对照组减少(P0.05),胶原纤维排列较对照组稀疏松散,局部胶原结构无序而杂乱,纤维间隙增大。 3.透射电镜观测,造模后第8周和第16周,实验组与对照组比较,胶原纤维排列、直径大小没有明显区别;第24周开始时,胶原原纤维直径大小不一,出现细小纤维和粗大纤维,实验组前交叉韧带胶原纤维较对照组排列稀疏,间隙增大,同时细小纤维数量多于对照组。 4.天狼猩红染色偏振光检测Ⅰ型和Ⅲ型胶原纤维含量显示:Ⅰ型胶原纤维含量在造模后第8周、第16周和第24周,实验组与对照组之间无明显差别,均P0.05;造模后第40周实验组ACL的Ⅰ型胶原纤维较对照组显著减少,P0.05。Ⅲ型胶原纤维含量在造模后第8周和第16周,实验组与对照组无明显差别,均P0.05;第24周和第40周,实验组较对照组显著增多,有统计学意义,均P0.05。造模后第8周实验组与对照组之间ACL的Ⅰ/Ⅲ型胶原纤维的比值无明显差别,P0.05;第16周,第24周和第40周实验组ACL的Ⅰ/Ⅲ型胶原纤维的比值显著小于对照组,有统计学意义,均P0.05。 5.免疫组化显示造模后第8周,MMP-1的表达在实验组与对照组之间无明显差别,P0.05;第16周、第24周和第40周,实验组MMP-1阳性细胞率与对照组相比明显增多,有统计学意义,均P0.05。造模后第8周、第16周和第40周,TIMP-1表达在实验组与对照组之间无明显差别,均P0.05;在第24周,实验组TIMP-1阳性细胞率与对照组相比明显增多,有统计学意义,P0.05。 结论:1.兔后交叉韧带断裂后,在早期前交叉韧带的组织学无明显变化。一定时间后,兔前交叉韧带中韧带细胞数目减少,胶原纤维排列紊乱,稀疏,间距增大,胶原成分改变,出现韧带退变样改变。 2.兔后交叉韧带断裂后,兔前交叉韧带中MMP-1和TIMP-1的表达异常提示基质金属蛋白酶可能是前交叉韧带组织学改变的原因之一。


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