引用本文： 汪喜順, 章亞東, 侯樹勛, 吳聞文, 張洪, 羅殿中, 顧東強, 趙彥濤. 人膝關節半月板切除和移植對脛股關節面應力的影響. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(1): 21-25. doi: 10.7507/1002-1892.20140005 復制
相關研究表明[1]，半月板具有緩沖應力和震蕩、增大關節接觸面積降低局部應力、將垂直應力分散為水平張力、穩定膝關節、保護潤滑關節以及營養關節軟骨等作用。根據1982年Arnoczky等[2]提出的半月板血供三區分類法，半月板白區損傷完全無恢復能力，需行半月板切除治療。但早在1975年即有研究指出，內側半月板承受內側間室50%的應力，外側半月板承受外側間室70%的應力，半月板切除20%即可使關節軟骨承受應力增加350%[1, 3]。因此，半月板部分或全切除后，關節面承受的應力將顯著增加，關節軟骨損傷風險也隨之加大。Fairbanks[4]1948年提出半月板切除后可導致骨關節炎，隨后一系列相關研究證實了此觀點[5-6]。自1984年Milachowski等[7]報道首例同種異體半月板移植以來，同種異體半月板移植糾正關節面應力逐漸發展完善；我國自2006年章亞東等[8-10]首次報道關節鏡下同種異體半月板移植后，相關基礎和臨床研究隨之開展。膝關節半月板切除后導致關節軟骨損害及骨關節炎形成的原因可能是半月板損傷或缺失后脛股關節面的應力發生了改變。關于半月板損傷、切除和移植后脛骨關節面的受力面積和平均壓強變化尚不明確，且國內外相關報道較少[11]。本研究應用7具人膝關節標本模擬半月板損傷切除及移植模型，以了解脛股關節面應力變化，明確半月板損傷后修復或移植的必要性，為同種異體半月板移植的規范化和標準化提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 實驗標本及主要儀器
取意外死亡的成年男性右膝關節尸體標本7 具，排除膝關節創傷和疾病，身高165～180 cm，體重65～ 80 kg，由解放軍總醫院第一附屬醫院骨科研究所組織庫提供。
單邊外固定器與自制夾具（北京富樂科技開發有限公司）； WDW4100微機控制電子萬能試驗機（中國科學院長春科新公司試驗儀器研究所）；牙托粉及牙托水（深圳雅譽弘揚商貿有限公司）；參考比色卡（敏感顯色范圍為0.5～2.5 MPa，即50～250 N/cm2）、超低壓Prescale壓敏紙（富士公司，日本）；EPSON-100ME高分辨率彩色掃描儀（EPSON公司，日本）；根據Delphi7.0軟件設計的彩色圖像分析系統（Borland公司，美國）。
1.2 實驗方法
1.2.1 標本準備和固定
取7具膝關節標本，保留15～25 cm股骨下段和脛骨上段。仔細去除皮膚、皮下組織及肌肉，保留關節囊、髕韌帶、內外側副韌帶、前后交叉韌帶及內、外側半月板，置于- 40℃冰箱備用。將牙托粉和牙托水混合，膝關節脛骨端固定于自制夾具和基托上。經股骨髁上連線穿入直徑3.0 mm克氏針，連接單邊外固定器，將股骨端固定于夾具。
1.2.2 實驗分組
實驗分為4組：A組為正常膝關節組；B組為膝關節半月板損傷組，內側為半月板后角斷裂同時滑膜緣軟組織相連，外側為寬度約1/2半月板桶柄樣撕裂；C組為膝關節半月板切除組，待B組壓敏實驗完成后用齒鑷和手術刀經內外側關節間隙切除損傷的半月板；D組為膝關節半月板移植組，取半月板匹配性10%以內的新鮮同種異體半月板（解放軍總醫院第一附屬醫院骨科研究所組織庫），常規手術方法行內、外側半月板移植，內側半月板采用骨栓固定法，外側半月板采用骨橋固定法，半月板前后角以愛惜邦5號縫線固定于脛骨克氏針基部，半月板外周縫合固定3～ 5 針。
1.2.3 模型制備和壓敏實驗
在半月板正上方水平位置切開膝關節前后關節囊，從膝關節內外側關節間隙置入1張超低壓Prescale壓敏紙，穩定固定膝關節的脛骨上端和股骨下端，置于WDW4100微機控制電子萬能試驗機上，分別于膝關節伸直位0°及屈曲30、60、90、120°狀態下給予縱向700 N的壓力，模擬75 kg男性單膝站立狀況，持續120 s，使壓敏紙充分發生顯色反應，實驗環境溫度15～18℃，空氣濕度25%～35%。相同方法順序完成4組模型的壓敏實驗。
1.2.4 檢測指標
待壓敏紙充分發生顯色反應后，取出壓敏紙，分離顯色底片并標記內外側，EPSON-100ME掃描儀以1 200 dpi彩色反射掃描，采用彩色圖像分析系統計算（掃描完成后自行計算）膝關節受力面積及平均壓強。
1.3 統計學方法
采用SPSS16.0統計軟件進行分析。數據以均數 ± 標準差表示，組間比較用單因素方差分析，兩兩比較采用q檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
隨膝關節屈曲角度增大，各組膝關節受力面積均逐漸減小，平均壓強均逐漸增加，各組內不同屈曲角度間比較受力面積及平均壓強差異均有統計學意義（P ＜ 0.05）。A、B、D組不同屈曲角度的膝關節受力面積均顯著高于C組，平均壓強均顯著低于C組，差異均有統計學意義（P＜ 0.05）；A、B、D組間比較差異均無統計學意義（P＞ 0.05）。見表 1、2和圖 1。
表1
各組膝關節不同屈曲角度受力面積比較（n=7，cm2，
表2
各組膝關節不同屈曲角度平均壓強比較（n=7，N/cm2，
圖1
各組發生顯色反應的壓敏紙（紅色區域為受力面） ? A組內側 ? A組外側 ? B組內側 ? B組外側 ? C組內側 ? C組外側 ? D組內側 ? D組外側
Figure1.
Pressure-sensitive paper of color reaction in different groups (the red area is the forcing surface) ? Medial space of group A ? Lateral space of group A ? Medial space of group B ? Lateral space of group B ? Medial space of group C ? Lateral space of group C ? Medial space of group D ? Lateral space of group D
3 討論
半月板曾被認為對膝關節無特殊作用，導致一段時期內半月板切除術成為其損傷或缺失時的常規治療方法[12]。Paletta等[13]研究表明，半月板切除將成為增加關節面應力、導致關節軟骨退變發生骨關節炎的致病因素。同種異體半月板移植能夠一定程度上恢復脛股關節面的力學性能，避免關節面負荷紊亂導致的關節軟骨退變。同種異體半月板移植實驗的成功，為半月板的臨床應用提供了理論基礎，盡管中遠期臨床效果仍在進一步研究論證中[14-17]，相信隨著半月板貯存技術[18-21]和配套系統的不斷完善[22-23]，該方法將會有很好的發展前景。
人膝關節半月板損傷或切除后，在任何角度下，脛股關節面受力面積均顯著減少，局部應力及平均壓強均顯著增加，成為加速關節面磨損及骨關節炎發生的可能因素之一。近年來，Bedi等[24]對人膝關節生物力學模型研究發現，半月板損傷范圍＜ 60%時，壓力峰值和接觸面積無明顯改變；損傷范圍＞ 90%時，壓力峰值增加，經縫合修復后不能降至正常水平，而半月板切除將導致壓力峰值顯著增加。von Lewinski等[25]通過對綿羊模型的研究發現，半月板切除后脛股關節面有效接觸面積減少了56%，壓力峰值增加了260.4%。Platta等[13]生物力學研究表明，半月板切除后接觸面積減少45%～50%，同種異體半月板移植后接觸面積增加42%～65%；而半月板切除后壓力峰值增加了235%～335%，同種異體半月板移植后壓力峰值則減少55%～65%。Flanigan等[11]對牛完整半月板、損傷及修復后半月板不同角度壓力峰值的研究表明，采用可生物降解移植物修復半月板后壓力峰值均高于縫合修復的半月板，膝關節后髁壓力隨著屈曲角度增加而明顯增加。因此，同種異體半月板移植可顯著減少脛股關節面應力，降低關節軟骨損傷可能。
本研究通過模擬人膝關節正常半月板以及半月板損傷、切除、移植模型，研究半月板損傷修復前后不同屈曲角度下脛股關節面受力面積和平均壓強變化。結果表明，同種異體半月板移植相對于單純半月板切除能夠增加脛股關節面受力面積、減小壓強，有效改善脛股關節面的生物力學環境，提示即使是損傷的半月板也需盡量保留或修復。但本研究所采用的半月板固定技術及半月板匹配性尚不能達到理想狀態，有待進一步改進和完善。
相關研究表明[1]，半月板具有緩沖應力和震蕩、增大關節接觸面積降低局部應力、將垂直應力分散為水平張力、穩定膝關節、保護潤滑關節以及營養關節軟骨等作用。根據1982年Arnoczky等[2]提出的半月板血供三區分類法，半月板白區損傷完全無恢復能力，需行半月板切除治療。但早在1975年即有研究指出，內側半月板承受內側間室50%的應力，外側半月板承受外側間室70%的應力，半月板切除20%即可使關節軟骨承受應力增加350%[1, 3]。因此，半月板部分或全切除后，關節面承受的應力將顯著增加，關節軟骨損傷風險也隨之加大。Fairbanks[4]1948年提出半月板切除后可導致骨關節炎，隨后一系列相關研究證實了此觀點[5-6]。自1984年Milachowski等[7]報道首例同種異體半月板移植以來，同種異體半月板移植糾正關節面應力逐漸發展完善；我國自2006年章亞東等[8-10]首次報道關節鏡下同種異體半月板移植后，相關基礎和臨床研究隨之開展。膝關節半月板切除后導致關節軟骨損害及骨關節炎形成的原因可能是半月板損傷或缺失后脛股關節面的應力發生了改變。關于半月板損傷、切除和移植后脛骨關節面的受力面積和平均壓強變化尚不明確，且國內外相關報道較少[11]。本研究應用7具人膝關節標本模擬半月板損傷切除及移植模型，以了解脛股關節面應力變化，明確半月板損傷后修復或移植的必要性，為同種異體半月板移植的規范化和標準化提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 實驗標本及主要儀器
取意外死亡的成年男性右膝關節尸體標本7 具，排除膝關節創傷和疾病，身高165～180 cm，體重65～ 80 kg，由解放軍總醫院第一附屬醫院骨科研究所組織庫提供。
單邊外固定器與自制夾具（北京富樂科技開發有限公司）； WDW4100微機控制電子萬能試驗機（中國科學院長春科新公司試驗儀器研究所）；牙托粉及牙托水（深圳雅譽弘揚商貿有限公司）；參考比色卡（敏感顯色范圍為0.5～2.5 MPa，即50～250 N/cm2）、超低壓Prescale壓敏紙（富士公司，日本）；EPSON-100ME高分辨率彩色掃描儀（EPSON公司，日本）；根據Delphi7.0軟件設計的彩色圖像分析系統（Borland公司，美國）。
1.2 實驗方法
1.2.1 標本準備和固定
取7具膝關節標本，保留15～25 cm股骨下段和脛骨上段。仔細去除皮膚、皮下組織及肌肉，保留關節囊、髕韌帶、內外側副韌帶、前后交叉韌帶及內、外側半月板，置于- 40℃冰箱備用。將牙托粉和牙托水混合，膝關節脛骨端固定于自制夾具和基托上。經股骨髁上連線穿入直徑3.0 mm克氏針，連接單邊外固定器，將股骨端固定于夾具。
1.2.2 實驗分組
實驗分為4組：A組為正常膝關節組；B組為膝關節半月板損傷組，內側為半月板后角斷裂同時滑膜緣軟組織相連，外側為寬度約1/2半月板桶柄樣撕裂；C組為膝關節半月板切除組，待B組壓敏實驗完成后用齒鑷和手術刀經內外側關節間隙切除損傷的半月板；D組為膝關節半月板移植組，取半月板匹配性10%以內的新鮮同種異體半月板（解放軍總醫院第一附屬醫院骨科研究所組織庫），常規手術方法行內、外側半月板移植，內側半月板采用骨栓固定法，外側半月板采用骨橋固定法，半月板前后角以愛惜邦5號縫線固定于脛骨克氏針基部，半月板外周縫合固定3～ 5 針。
1.2.3 模型制備和壓敏實驗
在半月板正上方水平位置切開膝關節前后關節囊，從膝關節內外側關節間隙置入1張超低壓Prescale壓敏紙，穩定固定膝關節的脛骨上端和股骨下端，置于WDW4100微機控制電子萬能試驗機上，分別于膝關節伸直位0°及屈曲30、60、90、120°狀態下給予縱向700 N的壓力，模擬75 kg男性單膝站立狀況，持續120 s，使壓敏紙充分發生顯色反應，實驗環境溫度15～18℃，空氣濕度25%～35%。相同方法順序完成4組模型的壓敏實驗。
1.2.4 檢測指標
待壓敏紙充分發生顯色反應后，取出壓敏紙，分離顯色底片并標記內外側，EPSON-100ME掃描儀以1 200 dpi彩色反射掃描，采用彩色圖像分析系統計算（掃描完成后自行計算）膝關節受力面積及平均壓強。
1.3 統計學方法
采用SPSS16.0統計軟件進行分析。數據以均數 ± 標準差表示，組間比較用單因素方差分析，兩兩比較采用q檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
隨膝關節屈曲角度增大，各組膝關節受力面積均逐漸減小，平均壓強均逐漸增加，各組內不同屈曲角度間比較受力面積及平均壓強差異均有統計學意義（P ＜ 0.05）。A、B、D組不同屈曲角度的膝關節受力面積均顯著高于C組，平均壓強均顯著低于C組，差異均有統計學意義（P＜ 0.05）；A、B、D組間比較差異均無統計學意義（P＞ 0.05）。見表 1、2和圖 1。
表1
各組膝關節不同屈曲角度受力面積比較（n=7，cm2，
表2
各組膝關節不同屈曲角度平均壓強比較（n=7，N/cm2，
圖1
各組發生顯色反應的壓敏紙（紅色區域為受力面） ? A組內側 ? A組外側 ? B組內側 ? B組外側 ? C組內側 ? C組外側 ? D組內側 ? D組外側
Figure1.
Pressure-sensitive paper of color reaction in different groups (the red area is the forcing surface) ? Medial space of group A ? Lateral space of group A ? Medial space of group B ? Lateral space of group B ? Medial space of group C ? Lateral space of group C ? Medial space of group D ? Lateral space of group D
3 討論
半月板曾被認為對膝關節無特殊作用，導致一段時期內半月板切除術成為其損傷或缺失時的常規治療方法[12]。Paletta等[13]研究表明，半月板切除將成為增加關節面應力、導致關節軟骨退變發生骨關節炎的致病因素。同種異體半月板移植能夠一定程度上恢復脛股關節面的力學性能，避免關節面負荷紊亂導致的關節軟骨退變。同種異體半月板移植實驗的成功，為半月板的臨床應用提供了理論基礎，盡管中遠期臨床效果仍在進一步研究論證中[14-17]，相信隨著半月板貯存技術[18-21]和配套系統的不斷完善[22-23]，該方法將會有很好的發展前景。
人膝關節半月板損傷或切除后，在任何角度下，脛股關節面受力面積均顯著減少，局部應力及平均壓強均顯著增加，成為加速關節面磨損及骨關節炎發生的可能因素之一。近年來，Bedi等[24]對人膝關節生物力學模型研究發現，半月板損傷范圍＜ 60%時，壓力峰值和接觸面積無明顯改變；損傷范圍＞ 90%時，壓力峰值增加，經縫合修復后不能降至正常水平，而半月板切除將導致壓力峰值顯著增加。von Lewinski等[25]通過對綿羊模型的研究發現，半月板切除后脛股關節面有效接觸面積減少了56%，壓力峰值增加了260.4%。Platta等[13]生物力學研究表明，半月板切除后接觸面積減少45%～50%，同種異體半月板移植后接觸面積增加42%～65%；而半月板切除后壓力峰值增加了235%～335%，同種異體半月板移植后壓力峰值則減少55%～65%。Flanigan等[11]對牛完整半月板、損傷及修復后半月板不同角度壓力峰值的研究表明，采用可生物降解移植物修復半月板后壓力峰值均高于縫合修復的半月板，膝關節后髁壓力隨著屈曲角度增加而明顯增加。因此，同種異體半月板移植可顯著減少脛股關節面應力，降低關節軟骨損傷可能。
本研究通過模擬人膝關節正常半月板以及半月板損傷、切除、移植模型，研究半月板損傷修復前后不同屈曲角度下脛股關節面受力面積和平均壓強變化。結果表明，同種異體半月板移植相對于單純半月板切除能夠增加脛股關節面受力面積、減小壓強，有效改善脛股關節面的生物力學環境，提示即使是損傷的半月板也需盡量保留或修復。但本研究所采用的半月板固定技術及半月板匹配性尚不能達到理想狀態，有待進一步改進和完善。
