CN106908340A - 一种交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，包括以下步骤：a.ACL生物模型构建：(1)取出实验动物的腘绳肌腱，修整为两条移植肌腱；选择两个膨胀螺钉；(2)制成股骨隧道和胫骨隧道；(3)将两条移植肌腱一端分别进入股骨隧道和胫骨隧道；(4)用膨胀螺钉固定移植肌腱；b.初始生物力学测定：1)取实验动物的股骨侧和胫骨侧标本；2)经过预载荷和改变频率循环载荷，分别对标本和生物模型的两个移植肌腱进行拔出试验，记录循环载荷后的位移、抗拉刚度、双倍应力位移、最大拔出载荷、失败模式以及肌腱切割程度等数据；4)分别对腱骨界面区域的骨密度、失效载荷、最大失效载荷、位移数据、抗拉刚度等进行分析，得出愈合组织的生物力学特性。

Description

一种交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法

技术领域

本发明涉及医疗器械生物实验方法的技术领域，尤其涉及一种交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法。

背景技术

膝关节前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)是膝关节重要的静力和动力性稳定结构之一，可以防止胫骨前移、过伸和过度旋转，防止膝关节失稳后的相关并发症。ACL损伤是常见病、多发病，主要困扰广大青少年，是青少年人群中最常见的疾病之一。ACL损伤发病率很高，特别是16岁以上的人群，根据流行病学调查，ACL断裂的发病率约为0.035％。近年来，随着全民运动的普及以及越来越多的青少年参与体育活动，此类疾病的发病率越来越高而且多集中在普通青壮年人群中。ACL损伤的治疗带来了严重的经济负担，而我国有将近一亿ACL损伤和ACL损伤所致骨性关节炎患者以及数百万受困于ACL损伤的运动员和青壮年体育爱好者，治疗此类疾病耗费了十分巨大的人力、财力、物力。而这种花费被不恰当的治疗所放大。

ACL损伤后出现膝关节不稳，增加关节其他结构损伤机率、加速半月板及关节软骨的退变，导致严重的慢性疼痛和关节功能障碍，严重影响患者的日常活动和生活质量，给青少年患者带来了巨大的痛苦和精神负担。ACL重建术是利用移植肌腱固定于骨道内，替代正常前交叉韧带的功能，是治疗ACL损伤最有效的方法。移植物的固定是ACL重建中最重要的环节，也是最薄弱的环节，国内外学者们做过多种研究。良好的固定在近期可以满足术后早期运动、肌肉锻炼与负重的要求，在移植物获得生物学愈合前维持膝关节稳定性，远期则有助于促进移植物与骨的愈合。移植物固定的优劣取决于固定方法的选择。

固定方法的选择因移植物的选择和手术技术的选择的不同而不同。但终极目标一直未曾改变，肌腱移植物的固定即要尽量恢复自体肌腱的力学特性，还要达到腱骨的生物愈合。所以ACL的固定需满足以下条件：首先要有足够的抗拔出力，其次需恢复并维持膝关节的稳定性，最后还要有足够的力量防止韧带在关节内滑动。重建后的前交叉韧带最主要的生物力学特性是强度和钢度。强度是指使移植物产生永久性移位的负荷，钢度指移植物在一定负荷下产生的张力或位移大小。

挤压螺钉固定系统主要是通过螺钉挤压肌腱与骨隧道产生的摩擦力来固定肌腱。此固定方式使移植物长度缩短，有更大的钢度，提高了重建后膝关节的稳定性，然而，较小的界面螺钉不能提供足够的机械力量，而直径较大的螺钉会切割缝线和移植物造成固定不稳，因界面螺钉切割挤压造成移植肌腱强度下降而出现肌腱断裂失效。

间接固定是指固定物固定位置位于腱-骨交界之外的方法，但由于移植物与骨隧道之间有一定的空隙，故在膝关节屈伸运动时，移植物可发生垂直于隧道轴像雨刷一样的摆动，即“雨刷效应”；或移植物在沿骨隧道发生轴方向的伸缩性移动，即“蹦极效应”。这两种运动会破坏移植物在骨隧道内的生物学愈合过程，同时也是引起骨隧道扩大最常见的原因之一。

移植肌腱与骨隧道内壁的愈合是腱骨界面间纤维组织形成连接、新骨形成、骨向肌腱内长入、局部塑形改造的的过程。BMP-2具有使未分化的间充质细胞定向分化为成软骨细胞和成骨细胞，并诱导形成软骨和骨组织。由于腱骨界面缺乏血管，如果不添加生长因子，即使很小的损伤也不能得到良好愈合。已有研究报道在体内原位重建损伤ACL并不能达到良好的效。在ACL重建时使用金属挤压螺钉可以一定程度上提高修复效果，但由于现阶段金属螺钉植入后存在的各种缺陷，目前仍不能很好的应用于临床。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，通过测试移植肌腱的力学性能，来确定移植肌腱的固定方式。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，包括以下步骤：

a.ACL生物模型构建

(1)横断实验动物ACL，清理残端，取出实验动物的腘绳肌腱，将腘绳肌腱的两端编织缝合，修整为两条移植肌腱；

(2)选择两个膨胀螺钉；

(3)股骨隧道：膝关节屈曲120°，选择右膝10点或左膝2点的方向，采用股骨定位器，距离股骨后髁软骨壁6mm；在ACL原股骨止点中央处打入带鼻孔导针，沿导针方向用空心钻头制成股骨骨道；

(4)胫骨隧道：屈膝90°，选择外侧半月板前角水平，后交叉韧带前方，经内侧膝眼切口胫骨定位器，套入带鼻孔导针；沿导针方向使用与步骤(3)相同的空心钻头，制成胫骨骨道；

(5)将一条移植肌腱一端固定于步骤(3)的导针上，用于做实验，另一端进入股骨隧道；

(6)用工具沿股骨骨道紧贴移植肌腱推入膨胀套至膨胀套的尾端进入股骨骨道，将螺钉拧入膨胀套固定移植肌腱；

(7)将另一条移植肌腱一端固定于步骤(4)的导针上，用于做实验，另一端进入胫骨隧道；

(8)用工具沿胫骨骨道紧贴移植肌腱推入膨胀套至膨胀套的尾端进入胫骨骨道，将螺钉拧入膨胀套固定移植肌腱；

b.初始生物力学测定

1)取实验动物的股骨侧和胫骨侧标本，用夹具分别固定在实验台上；

2)先做多次预载荷，再改变频率进行多次循环载荷，应力为50-200N，将其中一个标本以5-15mm/min的加速度进行拔出试验，观察并记录循环载荷后的位移、抗拉刚度、双倍应力位移、最大拔出载荷、失败模式以及肌腱切割程度等数据；

3)用于步骤2)同样方法测试另一个标本；

4)上述生物模型的两个移植肌腱也分别用夹具固定在实验台上，从相应隧道内口到夹具之间的距离与人体ALC关节内长度相同；

5)用于步骤2)同样方法分别测试；

6)使用生物力学机分别对腱骨界面区域的骨密度、失效载荷、最大失效载荷、位移数据、抗拉刚度等进行分析，得出愈合组织的生物力学特性。

上述方法中，优选地，所述膨胀螺钉为可吸收膨胀螺钉，所述可吸收膨胀螺钉由BMP-2通过吸收法与纳米羟基磷灰石载体结合并使用复乳法复合聚乙烯左旋丙交酯制备成的缓释微球结合制成。

上述方法中，优选地，所述力学测定的步骤6)中，调整实验条件，改变应力大小和加速度，取得最佳愈合效果，确定可吸收膨胀螺钉的参数。

上述方法中，优选地，所述实验动物为小型猪。

上述方法中，优选地，术后不同时间分别检测新生组织在愈合过程中的分化、发育、成熟过程。

本发明的交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，使用BMP-2在体内促进腱骨愈合，从而具有避免愈合延迟、价格低廉等优势，临床应用前景高。本发明的交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，构建BMP-2/纳米羟基磷灰石缓释系统，通过实验，按时间梯度反复验证BMP-2缓释浓度和持续时间，达到避免反复给药、创伤小、操作简单的目的。本发明的交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，测试数据详细，分析结果准确，对临床应用提供了可行性。

附图说明

图1是本发明的测试流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

实施例1

本发明的交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，以小型猪为实验动物，具体包括以下步骤：

a.ACL生物模型构建

(1)横断实验动物ACL，清理残端，取出实验动物的腘绳肌腱，将腘绳肌腱的两端编织缝合，修整为两条移植肌腱；

(2)选择两个可吸收膨胀螺钉；

(3)股骨隧道：膝关节屈曲120°，选择右膝10点或左膝2点的方向，采用股骨定位器，距离股骨后髁软骨壁6mm；在ACL原股骨止点中央处打入带鼻孔导针，沿导针方向用空心钻头制成股骨骨道；

(4)胫骨隧道：屈膝90°，选择外侧半月板前角水平，后交叉韧带前方7mm，经内侧膝眼切口胫骨定位器，套入带鼻孔导针；沿导针方向使用与步骤(3)相同的空心钻头，制成胫骨骨道；

(5)将一条移植肌腱一端固定于步骤(3)的导针上，用于做实验，另一端进入股骨隧道；

(6)用工具沿股骨骨道紧贴移植肌腱推入膨胀套至膨胀套的尾端进入股骨骨道，将螺钉拧入膨胀套固定移植肌腱；

(7)将另一条移植肌腱一端固定于步骤(4)的导针上，用于做实验，另一端进入胫骨隧道；

(8)用工具沿胫骨骨道紧贴移植肌腱推入膨胀套至膨胀套的尾端进入胫骨骨道，将螺钉拧入膨胀套固定移植肌腱。

b.采用万能材料疲劳试验机进行初始生物力学测定

1)取实验动物的股骨侧和胫骨侧标本，用夹具分别固定在实验台上；

2)先做预载荷10，应力为1-100N；再改变频率进行1000次循环载荷，应力为50-200N，将其中一个标本以10mm/min的加速度进行拔出试验，观察并记录循环载荷后的位移、抗拉刚度、100N和400N载荷位移、最大拔出载荷、失败模式以及肌腱切割程度等数据；

3)用于步骤2)同样方法测试另一个标本；

4)上述生物模型的两个移植肌腱也分别用夹具固定在实验台上，从相应隧道内口到夹具之间的距离与人体ALC关节内长度相同，即32mm；

5)用于步骤2)同样方法分别测试；

6)使用生物力学机分别对腱骨界面区域的骨密度、失效载荷、最大失效载荷、位移数据、抗拉刚度等进行分析，得出愈合组织的生物力学特性。

上述的可吸收膨胀螺钉由BMP-2通过吸收法与纳米羟基磷灰石载体结合并使用复乳法复合聚乙烯左旋丙交酯制备成的缓释微球结合制成。

聚乙烯左旋丙交酯(Poly-L-lactide，PLLA)是一种新型的生物降解材料，可以从植物资源(如玉米)的淀粉中制成，在体内最终降解成二氧化碳和水，这类材料无毒、无抗原性，具有良好的可降解性、吸收性、力学强度以及生物安全性，可以通过控制成份含量来调节材料的降解速度，使产品性质的重复性和力学性能达到较高水平。纳米羟基磷灰石(nano-Hydroxyapatite，简称nHA)是最常见的一种生物活性材料，它具有与人体骨组织相似的无机成分，是目前公认的具有较好生物相容性和骨传导性的生物活性材料。纳米羟基磷灰石是骨的主要组成部分，因其植入体内具有良好的生物相容性，无毒性、无炎症反应性，先已经在药物载体领域被大量研究，有很多研究表明纳米羟基磷灰石复合PLLA微球缓释系统和大幅度提高药物及蛋白质的包封效果，延长药物的释放时间，据报道其中纳米羟基磷灰石对药物的吸附作用起到了关键的作用。将Nano-HA与PLLA进行复合，一方面能使大幅提高缓释微球的包封效果、延长药物的缓释时间，尽量减少爆发性释放和蛋白质的不稳定，极大限度的提高微球蛋白质的利用率，避免大量蛋白质突释产生的局部酸性浓度过高的现象，从而避免影响骨组织的生成。一方面能使聚乳酸的酸性降解产物可被HA缓冲，同时HA的骨传导性可提供良好的骨细胞粘附生长环境，复合物的多孔结构则为细胞生长、组织再生及粘附提供条件，符合骨组织工程的生物学要求。BMP-2是目前发现的唯一一种可以作为诱导骨形成的充分条件的蛋白因子，即在只有单独BMP-2存在的况下即可诱导软骨和骨组织的形成，并且在成骨的各个阶段都起着重要作用。另外，BMP-2能明显诱导从骨髓中分离得到的多潜能干细胞向软骨细胞、骨细胞分化，合成骨钙素等蛋白质，发生软骨内成骨，骨细胞形成，骨盐沉积形成新骨。但单纯的BMP-2在体内扩散太快，也易被蛋白酸分解，易发生流失、降解和吸收，因而不能在有效时间内作用于更多的靶细胞，因此基础和临床研究中主要用于与其它载体材料复合应用于组织的修复。微球(microsphere)是指药物溶解或者分散在高分子材料的基质中形成的微小球状实体,属于基质型骨架微粒。因其对特定器官和组织的靶向性及微粒中药物释放的缓释性,已经成为近年来缓控释剂型研究的热点。构建BMP-2缓释的可吸收膨胀螺栓固定系统，既具有骨传导性又具有骨诱导性，同时可逐渐吸收降解。

将BMP-2通过吸收法与纳米羟基磷灰石载体结合并使用复乳法复合PLLA制备成缓释微球(BMP-2:HA:PLLA＝15mg:15mg:200mg)，通过工艺把缓释微球相互结合制成螺栓，PLLA无毒，无组织学反应，在缓慢降解的过程中缓释BMP-2/纳米羟基磷灰石微球，缓释的BMP-2可以促进腱骨交界处间充质干细胞分化，并且可以促进新生的软骨组织向骨组织结构重塑，从而重现原有腱骨界面生物学功能。

将BMP-2通过吸收法与纳米羟基磷灰石载体结合并复合PLLA制备成缓释微粒，然后制作成可吸收膨胀螺栓固定系统，螺栓降解过程中缓慢、持续、稳定释放BMP-2/羟基磷灰石微粒，在腱骨界面维持一定的BMP-2浓度，以促进腱骨愈合，最终形成自然组织。

使用小型猪动物模型设计不同时间梯度来研究新生腱骨界面间纤维组织形成连接、新骨形成、骨向肌腱内长入、局部塑形改造的过程。分别于术后2周，4周，6周，8周，12周，6月，12月进行HE染色，甲苯胺蓝染色，番红O染色；进行I型胶原蛋白、II型胶原蛋白、X型胶原蛋白、osteocalcin、Lubricin免疫组织化学染色。以此来观察腱骨界面新生组织在整个愈合过程中分化、发育、成熟的全过程，为BMP-2缓释可吸收膨胀螺栓固定系统促进腱骨愈合提供理论依据。

在小型猪股骨侧及胫骨侧行移植肌腱重建术，分别于术后三月、六月和十二月分析腱骨界面处修复组织的骨密度及生物力学特性。使用Micro-CT及Instron E10000生物力学机分别对腱骨界面区域的骨密度、失效载荷、最大失效载荷、位移数据、抗拉刚度等进行分析，以检测愈合组织的生物力学特性。在测试过程中不断优化实验条件，以调整愈合效果最佳，确立BMP-2缓释可吸收膨胀螺栓的参数。

经过测试实验，通过舒加法测定BMP-2缓释浓度，BMP-2局部浓度维持在0.01mg/mL左右的范围内波动。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.ACL生物模型构建

(1)横断实验动物ACL，清理残端，取出实验动物的腘绳肌腱，将腘绳肌腱的两端编织缝合，修整为两条移植肌腱；

(2)选择两个膨胀螺钉；

(3)股骨隧道：膝关节屈曲120°，选择右膝10点或左膝2点的方向，采用股骨定位器，距离股骨后髁软骨壁6mm；在ACL原股骨止点中央处打入带鼻孔导针，沿导针方向用空心钻头制成股骨骨道；

(4)胫骨隧道：屈膝90°，选择外侧半月板前角水平，后交叉韧带前方，经内侧膝眼切口胫骨定位器，套入带鼻孔导针；沿导针方向使用与步骤(3)相同的空心钻头，制成胫骨骨道；

(5)将一条移植肌腱一端固定于步骤(3)的导针上，用于做实验，另一端进入股骨隧道；

(6)用工具沿股骨骨道紧贴移植肌腱推入膨胀套至膨胀套的尾端进入股骨骨道，将螺钉拧入膨胀套固定移植肌腱；

(7)将另一条移植肌腱一端固定于步骤(4)的导针上，用于做实验，另一端进入胫骨隧道；

(8)用工具沿胫骨骨道紧贴移植肌腱推入膨胀套至膨胀套的尾端进入胫骨骨道，将螺钉拧入膨胀套固定移植肌腱；

b.初始生物力学测定

1)取实验动物的股骨侧和胫骨侧标本，用夹具分别固定在实验台上；

2)先做多次预载荷，再改变频率进行多次循环载荷，应力为50-200N，将其中一个标本以5-15mm/min的加速度进行拔出试验，观察并记录循环载荷后的位移、抗拉刚度、双倍应力位移、最大拔出载荷、失败模式以及肌腱切割程度等数据；

3)用于步骤2)同样方法测试另一个标本；

4)上述生物模型的两个移植肌腱也分别用夹具固定在实验台上，从相应隧道内口到夹具之间的距离与人体ALC关节内长度相同；

5)用于步骤2)同样方法分别测试；

6)使用生物力学机分别对腱骨界面区域的骨密度、失效载荷、最大失效载荷、位移数据、抗拉刚度等进行分析，得出愈合组织的生物力学特性。

2.根据权利要求1所述的交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，其特征在于，所述膨胀螺钉为可吸收膨胀螺钉，所述可吸收膨胀螺钉由BMP-2通过吸收法与纳米羟基磷灰石载体结合并使用复乳法复合聚乙烯左旋丙交酯制备成的缓释微球结合制成。

3.根据权利要求2所述的交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，其特征在于，所述力学测定的步骤6)中，调整实验条件，改变应力大小和加速度，取得最佳愈合效果，确定可吸收膨胀螺钉的参数。

4.根据权利要求1所述的交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，其特征在于，所述实验动物为小型猪。

5.根据权利要求1所述的交叉韧带重建中移植肌腱的测试方法，其特征在于，术后不同时间分别检测新生组织在愈合过程中的分化、发育、成熟过程。