引用本文： 吳子征, 王炳, 曹云, 趙毅, 王以進. 人工韌帶修復下脛腓聯合損傷的生物力學研究. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(10): 1217-1220. doi: 10.7507/1002-1892.20140264 復制
下脛腓聯合損傷臨床常見，修復方法較多，但哪種方法更理想尚存在爭議[1]。下脛腓聯合由下脛腓前韌帶、下脛腓后韌帶、骨間韌帶、脛腓橫韌帶和骨間膜的遠端部分組成，其中骨間韌帶和下脛腓前、后韌帶對維持踝穴完整性和穩定性具有重要意義[2-3]。近年來，有學者采用人工韌帶修復下脛腓聯合損傷，在滿足下脛腓聯合微動功能的同時避免了拉力螺釘內固定后螺釘折斷、二次手術取出等問題，取得了較好臨床效果[4-6]；但有研究認為人工韌帶修復為橫穿下脛腓固定方法，只重建了骨間韌帶，不能滿足維持踝關節穩定性的需要[7]。為了進一步明確人工韌帶修復下脛腓聯合損傷的效果，我們采用成人膝關節標本進行生物力學測試，了解其生物力學特性，以期為臨床應用提供依據。
1 材料與方法
1.1 實驗標本制備與分組
取8具16個正常成人新鮮踝關節標本，由復旦大學解剖教研室提供。男5具，女3具；年齡55～74歲，平均69歲；身高160～178 cm，平均169 cm；體重50～85 kg，平均67?kg。經X線片檢查排除骨骼相關疾病。
按以下順序處理標本及分組：剔除標本皮膚、肌肉等軟組織，保留關節囊、韌帶、骨間膜等，作為韌帶正常組（A組）；然后切斷下脛腓前、后韌帶、橫韌帶、骨間韌帶及踝關節以上15 cm范圍內的骨間膜，作為下脛腓聯合韌帶損傷組（B組）；隨機取8個損傷標本用人工韌帶修復下脛腓前、后韌帶，作為人工韌帶內固定組（C組）；取另外8個損傷標本采用4.0 mm空心拉力螺釘通過腓骨外側至脛骨內側固定4層皮質，作為空心拉力螺釘內固定組（D組）。
1.2 生物力學測試
1.2.1 下脛腓聯合分離位移
通過特制夾具將標本固定于WD-5生物力學試驗機（長春試驗機研究所），施加500 N生理載荷，加載速率1.5 mm/min，同時在踝關節施加7.5 N·m外旋力矩，使踝關節產生外旋載荷[7]。先進行預載，以消除骨的松弛、蠕變等流變學時間效應，然后進行正式加載，測量各組下脛腓聯合分離位移。
1.2.2 下脛腓聯合分離內固定的應力遮擋效應
標本同上法固定并加載500 N生理載荷，采用自制專用應變式傳感器（應變范圍0～2 500με，精度＜±5%?με）測量A、C、D組脛、腓骨上的應力[8-9]，通過以下公式計算C、D組脛、腓骨應力遮擋率：（1－C組或D組應力/A組應力）×100% [8]。
1.2.3 脛、腓骨強度和剛度
測量A、C、D組脛、腓骨強度，包括應力強度和剪切強度。應力強度為加載500?N載荷時的應變乘以彈性模量，其中采用YJ-14動態應變儀（華東電子儀器廠）測定標本踝穴上30 mm脛、腓骨應變，彈性模量為190.216 N/mm2[10]。剪切強度為剪切彈性模量乘以剪切應變，剪切應變通過YJ-14動態應變儀測定，剪切彈性模量為彈性模量/2（1+泊松比）[9]。
采用高精度數顯光柵位移計（上海科技大學機械廠）測量脛、腓骨標本在載荷作用下標本位移，按以下公式計算剛度，其中軸向剛度=N/Δ，N為標本上加載力大小，Δ為位移；剪切剛度=?/Δ，?為標本剪切力大小（為載荷的60%），Δ為位移。
1.2.4 接觸力學特性
取A、C、D組標本，將超低壓壓敏片（FUJIFILM公司，日本）固定于脛距關節接觸面，固定于WD-5生物力學試驗機，加載500 N生理載荷并持續加壓2 min。取出壓敏片，用FPD-301濃度計（FUJIFILM公司，日本）測量壓痕上下左右及中間共9點濃度值，輸入FPD-302壓力轉換器（FUJIFILM公司，日本），自動計算接觸面積及接觸壓力[9]。
1.3 統計學方法
采用SPSS11.5統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD法；兩組間比較采用t檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 下脛腓聯合分離位移
生理載荷下以及聯合外旋力矩后，C組與B、D組下脛腓聯合分離位移比較差異均有統計學意義（P＜0.05），與A組比較差異無統計學意義（P＞0.05）；A、B、D組間比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表 1。
表1
各組生理載荷及聯合外旋力矩下下脛腓聯合分離位移比較（mm，2.2 下脛腓聯合分離內固定的應力遮擋效應
C組脛、腓骨應力遮擋率分別為5.50%±0.28%和8.70%±0.17%，D組分別為15.40%±0.28%和16.50%?±0.15%，C組均顯著低于D組，比較差異有統計學意義（t=—71.288，P=0.000；t=—97.283，P=0.000）。
2.3 脛、腓骨強度和剛度
C組脛骨應力強度高于A、D組，比較差異有統計學意義（P＜0.05）；A、D組間差異無統計學意義（P＞0.05）。C組腓骨應力強度最高，A組次之，D組最低，3組間比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。A、C、D組脛、腓骨剪切強度比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 2。
表2
A、C、D組脛、腓骨強度比較（MPa，D組脛骨軸向剛度小于A、C組，比較差異有統計學意義（P＜0.05）；A、C組間差異無統計學意義（P＞0.05）。C組腓骨軸向剛度大于A、D組，比較差異有統計學意義（P＜0.05）；A、D組間差異無統計學意義（P＞0.05）。C組脛、腓骨剪切剛度最大，D組次之，A組最小，3組間比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表 3。
表3
A、C、D組脛、腓骨剛度比較（N/mm，2.4 引接觸力學特性言
A、C、D組接觸面積逐漸減小，接觸壓力逐漸增加，組間比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表 4。
表4
A、C、D組踝關節接觸力學特性（3 討論
下脛腓聯合的穩定性40%由下脛腓后韌帶提供，35%由下脛腓前韌帶提供，22%由骨間韌帶提供[11]，因此這些韌帶斷裂將嚴重影響下脛腓聯合穩定[12]。踝關節骨折脫位中常合并下脛腓聯合分離，必須及時有效內固定修復，以利于下脛腓聯合及踝關節穩定性恢復[13]。目前，臨床常采用1～2枚3.5 mm全螺紋皮質骨螺釘固定修復[14]，但常出現螺釘松動或斷裂等并發癥[15-16]。為此，有學者提出下脛腓聯合分離不應堅強固定，以免限制腓骨的順應性調節，影響踝穴相對距骨匹配運動。人工韌帶具有優越的力學性能優越，其拉伸強度達（421.3±58.4）N/cm2，拉伸剛度為（34.3±13.5）N/mm，伸長量為（12.01±2.40）mm，循環載荷為（334.5±67.4）N[17]。研究表明，人工韌帶內固定治療下脛腓聯合分離固定強度大，能保證下脛腓關節活動度，比皮質骨螺釘固定效果好[16]。
本研究通過切斷下脛腓前、后韌帶、橫韌帶、骨間韌帶及踝關節以上15 cm范圍內的骨間膜，模擬下脛腓聯合韌帶損傷；分別采用人工韌帶及空心拉力螺釘內固定，檢測內固定后下脛腓聯合穩定性相關指標。結果顯示，施加500 N載荷下及聯合外旋力矩后，C組人工韌帶內固定后下脛腓聯合分離位移與A組正常結構無顯著差異，而D組空心拉力螺釘內固定后，位移顯著大于A、C組。提示采用人工韌帶修復下脛腓前、后韌帶具有更好的生物力學性能。
機械應力與骨組織、骨形成和吸收是相互平衡的，而且是動平衡。若內固定物彈性模量與骨彈性模量相差太大，在骨上的生理應力被內固定物所代替[8]，就會出現應力遮擋效應，導致內固定物折斷或骨不愈合。本研究測量結果顯示，C組脛、腓骨應力遮擋率顯著低于D組，提示人工韌帶內固定后應力遮擋效應低，有利于骨折愈合。
脛、腓骨強度及剛度測量結果顯示，C組脛、腓骨應力強度及剪切強度顯著高于A、D組；C組脛、腓骨軸向剛度及剪切剛度均顯著高于D組，與A組相比脛骨軸向剛度差異無統計學意義。提示下脛腓聯合分離采用人工韌帶內固定后，剛度與結構相似，較空心拉力螺釘具有更好的穩定性。
接觸力學特性顯示C組接觸面積顯著大于D組，接觸壓力小于D組，提示人工韌帶內固定后脛距關節面恢復良好，踝關節接觸面積增大，接觸壓力下降，脛距關節面上應力可均勻分布，足部生物力學性能可得到有效改善。
綜上述，與空心拉力螺釘相比，人工韌帶內固定穩定性可靠，順應性好，應力遮擋少，能更好地恢復踝關節面接觸面積，減少應力集中，有望進一步減少下脛腓聯合術后踝關節并發癥的發生。但本研究僅為尸體標本生物力學檢測，與實際臨床應用有一定差距，其效果還需進一步臨床實踐證明。
下脛腓聯合損傷臨床常見，修復方法較多，但哪種方法更理想尚存在爭議[1]。下脛腓聯合由下脛腓前韌帶、下脛腓后韌帶、骨間韌帶、脛腓橫韌帶和骨間膜的遠端部分組成，其中骨間韌帶和下脛腓前、后韌帶對維持踝穴完整性和穩定性具有重要意義[2-3]。近年來，有學者采用人工韌帶修復下脛腓聯合損傷，在滿足下脛腓聯合微動功能的同時避免了拉力螺釘內固定后螺釘折斷、二次手術取出等問題，取得了較好臨床效果[4-6]；但有研究認為人工韌帶修復為橫穿下脛腓固定方法，只重建了骨間韌帶，不能滿足維持踝關節穩定性的需要[7]。為了進一步明確人工韌帶修復下脛腓聯合損傷的效果，我們采用成人膝關節標本進行生物力學測試，了解其生物力學特性，以期為臨床應用提供依據。
1 材料與方法
1.1 實驗標本制備與分組
取8具16個正常成人新鮮踝關節標本，由復旦大學解剖教研室提供。男5具，女3具；年齡55～74歲，平均69歲；身高160～178 cm，平均169 cm；體重50～85 kg，平均67?kg。經X線片檢查排除骨骼相關疾病。
按以下順序處理標本及分組：剔除標本皮膚、肌肉等軟組織，保留關節囊、韌帶、骨間膜等，作為韌帶正常組（A組）；然后切斷下脛腓前、后韌帶、橫韌帶、骨間韌帶及踝關節以上15 cm范圍內的骨間膜，作為下脛腓聯合韌帶損傷組（B組）；隨機取8個損傷標本用人工韌帶修復下脛腓前、后韌帶，作為人工韌帶內固定組（C組）；取另外8個損傷標本采用4.0 mm空心拉力螺釘通過腓骨外側至脛骨內側固定4層皮質，作為空心拉力螺釘內固定組（D組）。
1.2 生物力學測試
1.2.1 下脛腓聯合分離位移
通過特制夾具將標本固定于WD-5生物力學試驗機（長春試驗機研究所），施加500 N生理載荷，加載速率1.5 mm/min，同時在踝關節施加7.5 N·m外旋力矩，使踝關節產生外旋載荷[7]。先進行預載，以消除骨的松弛、蠕變等流變學時間效應，然后進行正式加載，測量各組下脛腓聯合分離位移。
1.2.2 下脛腓聯合分離內固定的應力遮擋效應
標本同上法固定并加載500 N生理載荷，采用自制專用應變式傳感器（應變范圍0～2 500με，精度＜±5%?με）測量A、C、D組脛、腓骨上的應力[8-9]，通過以下公式計算C、D組脛、腓骨應力遮擋率：（1－C組或D組應力/A組應力）×100% [8]。
1.2.3 脛、腓骨強度和剛度
測量A、C、D組脛、腓骨強度，包括應力強度和剪切強度。應力強度為加載500?N載荷時的應變乘以彈性模量，其中采用YJ-14動態應變儀（華東電子儀器廠）測定標本踝穴上30 mm脛、腓骨應變，彈性模量為190.216 N/mm2[10]。剪切強度為剪切彈性模量乘以剪切應變，剪切應變通過YJ-14動態應變儀測定，剪切彈性模量為彈性模量/2（1+泊松比）[9]。
采用高精度數顯光柵位移計（上海科技大學機械廠）測量脛、腓骨標本在載荷作用下標本位移，按以下公式計算剛度，其中軸向剛度=N/Δ，N為標本上加載力大小，Δ為位移；剪切剛度=?/Δ，?為標本剪切力大小（為載荷的60%），Δ為位移。
1.2.4 接觸力學特性
取A、C、D組標本，將超低壓壓敏片（FUJIFILM公司，日本）固定于脛距關節接觸面，固定于WD-5生物力學試驗機，加載500 N生理載荷并持續加壓2 min。取出壓敏片，用FPD-301濃度計（FUJIFILM公司，日本）測量壓痕上下左右及中間共9點濃度值，輸入FPD-302壓力轉換器（FUJIFILM公司，日本），自動計算接觸面積及接觸壓力[9]。
1.3 統計學方法
采用SPSS11.5統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD法；兩組間比較采用t檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 下脛腓聯合分離位移
生理載荷下以及聯合外旋力矩后，C組與B、D組下脛腓聯合分離位移比較差異均有統計學意義（P＜0.05），與A組比較差異無統計學意義（P＞0.05）；A、B、D組間比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表 1。
表1
各組生理載荷及聯合外旋力矩下下脛腓聯合分離位移比較（mm，2.2 下脛腓聯合分離內固定的應力遮擋效應
C組脛、腓骨應力遮擋率分別為5.50%±0.28%和8.70%±0.17%，D組分別為15.40%±0.28%和16.50%?±0.15%，C組均顯著低于D組，比較差異有統計學意義（t=—71.288，P=0.000；t=—97.283，P=0.000）。
2.3 脛、腓骨強度和剛度
C組脛骨應力強度高于A、D組，比較差異有統計學意義（P＜0.05）；A、D組間差異無統計學意義（P＞0.05）。C組腓骨應力強度最高，A組次之，D組最低，3組間比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。A、C、D組脛、腓骨剪切強度比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 2。
表2
A、C、D組脛、腓骨強度比較（MPa，D組脛骨軸向剛度小于A、C組，比較差異有統計學意義（P＜0.05）；A、C組間差異無統計學意義（P＞0.05）。C組腓骨軸向剛度大于A、D組，比較差異有統計學意義（P＜0.05）；A、D組間差異無統計學意義（P＞0.05）。C組脛、腓骨剪切剛度最大，D組次之，A組最小，3組間比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表 3。
表3
A、C、D組脛、腓骨剛度比較（N/mm，2.4 引接觸力學特性言
A、C、D組接觸面積逐漸減小，接觸壓力逐漸增加，組間比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表 4。
表4
A、C、D組踝關節接觸力學特性（3 討論
下脛腓聯合的穩定性40%由下脛腓后韌帶提供，35%由下脛腓前韌帶提供，22%由骨間韌帶提供[11]，因此這些韌帶斷裂將嚴重影響下脛腓聯合穩定[12]。踝關節骨折脫位中常合并下脛腓聯合分離，必須及時有效內固定修復，以利于下脛腓聯合及踝關節穩定性恢復[13]。目前，臨床常采用1～2枚3.5 mm全螺紋皮質骨螺釘固定修復[14]，但常出現螺釘松動或斷裂等并發癥[15-16]。為此，有學者提出下脛腓聯合分離不應堅強固定，以免限制腓骨的順應性調節，影響踝穴相對距骨匹配運動。人工韌帶具有優越的力學性能優越，其拉伸強度達（421.3±58.4）N/cm2，拉伸剛度為（34.3±13.5）N/mm，伸長量為（12.01±2.40）mm，循環載荷為（334.5±67.4）N[17]。研究表明，人工韌帶內固定治療下脛腓聯合分離固定強度大，能保證下脛腓關節活動度，比皮質骨螺釘固定效果好[16]。
本研究通過切斷下脛腓前、后韌帶、橫韌帶、骨間韌帶及踝關節以上15 cm范圍內的骨間膜，模擬下脛腓聯合韌帶損傷；分別采用人工韌帶及空心拉力螺釘內固定，檢測內固定后下脛腓聯合穩定性相關指標。結果顯示，施加500 N載荷下及聯合外旋力矩后，C組人工韌帶內固定后下脛腓聯合分離位移與A組正常結構無顯著差異，而D組空心拉力螺釘內固定后，位移顯著大于A、C組。提示采用人工韌帶修復下脛腓前、后韌帶具有更好的生物力學性能。
機械應力與骨組織、骨形成和吸收是相互平衡的，而且是動平衡。若內固定物彈性模量與骨彈性模量相差太大，在骨上的生理應力被內固定物所代替[8]，就會出現應力遮擋效應，導致內固定物折斷或骨不愈合。本研究測量結果顯示，C組脛、腓骨應力遮擋率顯著低于D組，提示人工韌帶內固定后應力遮擋效應低，有利于骨折愈合。
脛、腓骨強度及剛度測量結果顯示，C組脛、腓骨應力強度及剪切強度顯著高于A、D組；C組脛、腓骨軸向剛度及剪切剛度均顯著高于D組，與A組相比脛骨軸向剛度差異無統計學意義。提示下脛腓聯合分離采用人工韌帶內固定后，剛度與結構相似，較空心拉力螺釘具有更好的穩定性。
接觸力學特性顯示C組接觸面積顯著大于D組，接觸壓力小于D組，提示人工韌帶內固定后脛距關節面恢復良好，踝關節接觸面積增大，接觸壓力下降，脛距關節面上應力可均勻分布，足部生物力學性能可得到有效改善。
綜上述，與空心拉力螺釘相比，人工韌帶內固定穩定性可靠，順應性好，應力遮擋少，能更好地恢復踝關節面接觸面積，減少應力集中，有望進一步減少下脛腓聯合術后踝關節并發癥的發生。但本研究僅為尸體標本生物力學檢測，與實際臨床應用有一定差距，其效果還需進一步臨床實踐證明。
