后交叉韧带切断对内侧副韧带影响的力学和组织学研究

摘要

后交叉韧带(posterior cruciate ligament,PCL)是维持膝关节后向稳定的主要结构。PCL断裂后,其控制胫骨后移和旋转的作用减弱甚至消失,膝关节运动和静止时力学平衡受到破坏,其他结构的应力出现相应的变化。内侧副韧带(medial collateral ligament,MCL)是膝关节内侧最重要的静力性稳定结构,主要对抗膝关节外翻和限制胫骨外旋,也是PCL缺失屈膝位状态下最重要的限制胫骨后移的结构。研究表明PCL慢性损伤的患者可出现软骨退变,甚至骨性关节炎等,但对其他韧带组织影响的研究较少。为此,本研究采用生物力学方法,测量在不同屈曲角度和载荷下人体膝关节PCL完全切断和部分切断对MCL应力的影响;运用力学拉伸试验从宏观水平观察家兔膝关节PCL损伤后不同时间点MCL的最大载荷、最大位移的变化;国内外首次对韧带进行纳米压痕研究,从微观水平观察MCL弹性模量和硬度的变化;运用组织学方法观察家兔膝关节PCL损伤后MCL组织形态学、Ⅰ型和Ⅲ型胶原的变化。拟为单纯PCL全部断裂、部分断裂以及PCL合并MCL损伤的治疗方式、手术时机选择及康复锻炼提供理论指导。
　　第一章后交叉韧带切断对内侧副韧带生物力学特性的影响
　　目的:探讨PCL切断对MCL生物力学特性的影响。
　　方法:新鲜成人正常膝关节标本12具(PCL完整组),膝0°、30°、60°、90°在200N、400N、600N和800N载荷下,测试sMCL股骨附着点、中点和胫骨附着点的应变;然后将标本分为前外侧束(ALB)切断组和后内侧束(PMB)切断组各6具,测试sMCL各点在各个屈曲角度和实验载荷下的应变;再将12具标本PCL完全切断(PCL全断组),测试sMCL各点在各个屈曲角度和实验载荷下的应变。比较PCL完整组、PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组的sMCL股骨附着点、中点和胫骨附着点在各个屈曲角度和载荷下的应变。
　　结果:1.膝0°位:在各试验载荷下,PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组与PCL完整组之间sMCL各个测试点的应变均无明显差别,P＞0.05。2.膝30°位:在200N载荷下,PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组的sMCL各个测试点的应变与PCL完整组比较均无明显差别,P＞0.05;在400N、600N和800N载荷下,PMB切断组、ALB切断组和PCL全断组的sMCL各个测试点的应变较PCL完整组的显著增加,P＜0.05;各实验载荷下,PMB切断组和ALB切断组的sMCL各个测试点的应变无明显差别,P＞0.05。3.膝60°位:在200N载荷下,PMB切断组的sMCL各个测试点的应变较PCL完整组无明显差别,P＞0.05,而在400N、600N和800N载荷下PMB切断组较PCL完整组显著增加,P＜0.05;在各实验载荷下,ALB切断组和PCL全断组的sMCL各个测试点的应变均较PCL完整组显著增加,P＜0.05。各实验载荷下,PCL全断组的sMCL各个测试点的应变较PMB切断组和ALB切断组均显著增加,P＜0.05。4.膝90°位:在200N载荷下,PMB切断组的sMCL股骨附着点、中点的应变均较PCL完整组无明显差别,P＞0.05,而胫骨附着点应变显著增加,P＜0.05;在400N、600N和800N载荷下,PMB切断组的应变较PCL完整组显著增加,P＜0.05;在各种实验载荷下,ALB切断组和PCL全断组的sMCL各个测试点的应变均较PCL完整组显著增加,P＜0.05。各种实验载荷下,PCL全断的sMCL各个测试点的应变较PMB切断组和ALB切断组均显著增加,P＜0.05。5.200N载荷下:膝0°和30°位PMB切断组、ALB切断组、PCL全断组和PCL完整组sMCL各个测试点的应变无明显差别,P＞0.05;膝60°位,ALB切断组和PCL全断组较PCL完整组sMCL各个测试点的应变明显增加,P＜0.05;ALB切断组和PCL全断组较PMB切断组sMCL各个测试点的应变有显著性差异,P＜0.05;膝90°位PMB切断组、ALB切断组、PCL全断组和PCL完整组之间sMCL中点和胫骨附着点的应变有明显差别,P＜0.05°6.400N载荷下:膝0°位PMB切断组、ALB切断组、PCL全断组和PCL完整组sMCL各个测试点的应变无明显差别,P＞0.05;膝30°、60°位ALB切断组、PMB切断组、PCL全断组较PCL完整组sMCL各个测试点的应变均明显增加,P＜0.05;膝30°位ALB切断组、PCL全断组和PMB切断组之间应变均无显著性差异,P＞0.05;膝60°位ALB切断组、PCL全断组和PMB切断组的应变之间均有显著性差异,P＜0.05;膝90°位PMB切断组、ALB切断组、PCL全断组和PCL完整组sMCL各个测试点的应变有明显差别,P＜0.05。7.600N载荷下:膝0°位PMB切断组、ALB切断组、PCL全断组和PCL完整组sMCL各个测试点的应变无明显差别,P＞0.05;膝30°、60°位ALB切断组、PMB切断组、PCL全断组较PCL完整组sMCL各个测试点的应变均明显增加,P＜0.05;膝30°位ALB切断组、PCL全断组和PMB切断组之间应变均无显著性差异,P＞0.05;膝60°位ALB切断组、PCL全断组和PMB切断组的应变之间均有显著性差异,P＜0.05;膝90°位PMB切断组、ALB切断组、PCL全断组和PCL完整组sMCL各个测试点的应变有明显差别,P＜0.05。8.800N载荷下:膝0°位PMB切断组、ALB切断组、PCL全断组和PCL完整组sMCL各个测试点的应变无明显差别,P＞0.05;膝30°、60°位ALB切断组、PMB切断组、PCL全断组较PCL完整组sMCL各个测试点的应变均明显增加,P＜0.05;膝30°位ALB切断组、PCL全断组和PMB切断组之间sMCL股骨附着点的应变均无显著性差异,P＞0.05;膝60°位ALB切断组、PCL全断组和PMB切断组的应变之间均有显著性差异,P＜0.05;膝90°位PMB切断组、ALB切断组、PCL全断组和PCL完整组之间(除ALB切断组、PCL全断组之间)sMCL各个测试点的应变有明显差别,P＜0.05。
　　结论:1.PCL损伤在膝关节微屈曲、低载荷下对MCL生物力学无明显影响;增加膝关节屈曲角度、载荷,PCL损伤对MCL生物力学产生较大影响。2.PMB和ALB组成PCL功能整体。
　　第二章后交叉韧带断裂后内侧副韧带的材料力学研究
　　目的:探讨PCL断裂对MCL材料力学特性的影响。
　　方法:48只成年雄性家兔两侧膝关节配对为自身对照,实验组行PCL完全切断术,对照组只暴露PCL而不切断,术后第8w、16w、24w、40w随机处死12只家兔。通过大体解剖观察、力学拉伸试验和纳米压痕测试研究PCL切断后MCL材料力学特性的变化。
　　结果:1.PCL切断后8w、16w、24w和40w,试验组和对照组之间MCL大体解剖观察未见明显差别。2.PCL切断后8w、16w、24w和40w,试验组和对照组之间MCL的长度、最大位移均无明显差别,P＞0.05。3.PCL切断后8w、16w和24w,试验组和对照组之间MCL最大载荷无明显差别,P＞0.05;40w时试验组的最大载荷明显小于对照组,P＜0.05。4.PCL切断后8w、16w,实验组和对照组之间的弹性模量无明显差别,P＞0.05;24w时实验组的弹性模量较对照组明显增加,P＜0.05;40w时实验组的弹性模量较对照组明显减少,P＜0.05;5.PCL切断后8w、16w,实验组和对照组之间的硬度无明显差别,P＞0.05;24w时实验组的硬度较对照组明显增加,P＜0.05;40w时实验组的硬度较对照组明显减少,P＜0.05。
　　结论:1.家兔膝关节PCL损伤生理负荷下短期内对MCL力学性能不会产生较大影响,随着时间延长,其力学性能出现明显下降。2.纳米压痕测试可用于韧带的材料力学研究。
　　第三章后交叉韧带断裂后内侧副韧带组织学的研究
　　目的:探讨:PCL断裂对MCL组织学的影响。
　　方法:48只成年雄性家兔两侧膝关节配对为自身对照,实验组行PCL完全切断术,对照组只暴露PCL而不切断,术后第8w、16w、24w、40w随机处死12只家兔。进行HE染色,天狼猩红染色检测Ⅰ型和Ⅲ型胶原的数量以及Ⅰ型和Ⅲ型胶原比值的变化。
　　结果:1.HE染色发现PCL切断后8w、16w和24w试验组和对照组之间MCL无明显差别;40w时实验组MCL胶原纤维较对照组稀疏。2.PCL切断后16w、24w实验组MCL的Ⅰ型胶原纤维较对照组显著增加,P＜0.05;40w时实验组MCL的Ⅰ型胶原纤维较对照组显著减少,P＜0.05;3.PCL切断后16w、24w时实验组MCL的Ⅲ型胶原纤维较对照组显著增多,P＜0.05;8w、40w时实验组的Ⅲ型胶原纤维与对照组无明显差别,P＞0.05;4.PCL切断后8w、16w和24w实验组MCL的Ⅰ型和Ⅲ型胶原纤维总和较对照组显著增加,P＜0.05;40w时实验组MCL的Ⅰ型和Ⅲ型胶原纤维总和较对照组明显减少,P＜0.05。5.PCL切断后8w实验组和对照组之间MCL的Ⅰ/Ⅲ型胶原纤维的比值无明显差别,P＞0.05;16w、24w和40w时实验组MCL的Ⅰ/Ⅲ型胶原纤维的比值显著小于对照组,P＜0.05。
　　结论:家兔膝关节PCL损伤生理负荷下短期内对MCL组织学特性无明显影响,随着时间延长,组织学特性较PCL完整侧显著下降。