后交叉韌帶斷裂對前交叉韌帶影響的生物力學(xué)和組織學(xué)研究.pdf

1、前交叉韌帶(anterior cruciate ligament,ACL)與后交叉韌帶(posterior cruciate ligament,PCL)是膝關(guān)節(jié)內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)。ACL控制脛骨前移,同時調(diào)節(jié)部分旋轉(zhuǎn)功能。PCL主要保持膝關(guān)節(jié)后向穩(wěn)定性。ACL與PCL共同保持股骨遠端與脛骨近端在膝關(guān)節(jié)屈伸活動中正常的滑動,維持旋轉(zhuǎn)范圍與軌跡。隨著交通事故的增多和競技體育運動普遍開展,PCL損傷發(fā)生率逐年增加,人們對于PCL斷裂的治療也越來越重

2、視。然而,在治療方法選擇上還存在著分歧,有學(xué)者對單純PCL損傷主張非手術(shù)治療,也有學(xué)者報道非手術(shù)治療長期隨訪結(jié)果顯示部分患者最終出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的功能受損。
　　PCL斷裂是否會對ACL的生物力學(xué)和組織學(xué)產(chǎn)生影響、產(chǎn)生何種影響、不同部位斷裂對前交叉韌帶的影響是否不同,國內(nèi)外鮮有報道。本課題首先采用生物力學(xué)方法測試不同載荷和不同屈曲角度下,人體膝關(guān)節(jié)標本在PCL部分斷裂和完全斷裂時ACL前內(nèi)側(cè)束(anteromedialbundle,AM

3、B)和后外側(cè)束(posterolateral bundle,PLB)的應(yīng)力變化,以探討PCL及其各分束的生物力學(xué)功能和PCL斷裂對ACL生物力學(xué)行為的影響。在此基礎(chǔ)上,通過動物模型探討PCL斷裂后不同時間點ACL的力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)的變化。力學(xué)性能方面,采用力學(xué)拉伸試驗測試ACL在PCL斷裂后最大應(yīng)力和彈性模量的變化;同時采用納米壓痕技術(shù)測量ACL納米彈性模量和顯微硬度的變化,從宏觀和微觀兩個層面探討PCL斷裂對ACL力學(xué)性能的影響。組

4、織結(jié)構(gòu)方面,采用HE染色和投射電鏡觀察ACL組織形態(tài)改變,采用天狼猩紅染色偏振光下觀測Ⅰ型和Ⅲ型膠原含量及分布的變化,采用免疫組織化學(xué)觀測ACL中基質(zhì)金屬蛋白酶的表達。本研究探討了PCL斷裂對ACL的生物力學(xué)和組織學(xué)影響,為臨床PCL損傷的治療方式選擇提供了實驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
　　第一章后交叉韌帶斷裂對前交叉韌帶的生物力學(xué)影響
　　目的:探討膝關(guān)節(jié)不同屈曲角度、不同載荷下,后交叉韌帶及其分束斷裂對前交叉韌帶的生物力學(xué)影響。

5、
　　方法:新鮮成人正常膝關(guān)節(jié)標本12具(PCL完整組),于膝0°、30°、60°、90°位,在200N、400N、600N和800N載荷下,測試前交叉韌帶前內(nèi)側(cè)束(ACL-AMB)和前交叉韌帶后外側(cè)束(ACL-PLB)的應(yīng)變;然后將上述12具標本隨機分為PCL前外側(cè)束(anterolateralbundle,ALB)切斷組和PCL后內(nèi)側(cè)束(posteromedial bundle,PMB)切斷組各6具,同法測試兩組的ACL-AM

6、B與ACL-PLB的應(yīng)變;最后將12具標本PCL完全切斷(PCL全斷組),同法測試ACL兩束的應(yīng)變。分別比較ACL-AMB和ACL-PLB在PCL完整、ALB切斷、PMB切斷和PCL全斷四種情況下應(yīng)變的差異。樣本均數(shù)滿足方差齊性時,多個樣本間兩兩比較采用SNK-q檢驗,方差不齊時采用Dunnett-t3檢驗。P＜0.05認為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　結(jié)果:1.膝O°位:PMB切斷組、ALB切斷組和PCL全斷組與PCL完整組比較,在

7、200N、400N、600N和800N載荷下,ACL-AMB和ACL-PLB的應(yīng)變均無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05。PMB切斷組、ALB切斷組與PCL全斷組兩兩之間的ACL-AMB和ACL-PLB應(yīng)變,在200N、400N、600N和800N載荷下,無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05。
　　2.膝30°位:PMB切斷組、ALB切斷組和PCL全斷組與PCL完整組比較,在200N載荷下,ACL-AMB和ACL-PLB的

8、應(yīng)變均無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05;在400N、600N和800N載荷下,PMB切斷組、ALB切斷組和PCL全斷組的ACL-AMB和ACL-PLB較PCL完整組壓應(yīng)變增大,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05;PMB切斷組、ALB切斷組與PCL全斷組兩兩之間的ACL-AMB和ACL-PLB應(yīng)變,在200N、400N、600N和800N載荷下,無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05。
　　3.膝60°位:(1)ACL-AMB的

9、應(yīng)變:PMB切斷組與PCL完整組比較,在200N載荷下,ACL-AMB的應(yīng)變無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,P＞0.05,在400N、600N和800N載荷下,PMB切斷組ACL-AMB壓應(yīng)變較PCL完整組增大,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05;ALB切斷組、PCL全斷組與PCL完整組比較,在200N、400N、600N和800N載荷下,ACL-AMB壓應(yīng)變均增大,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05。PMB切斷組與PCL全斷組比較,在200N、400N

10、、600N載荷下,ACL-AMB應(yīng)變較小,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05;在800N載荷下,ACL-AMB應(yīng)變無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,P＞0.05。ALB切斷與PCL全斷組比較,在200N載荷下,ALB切斷組ACL-AMB應(yīng)變較小,有統(tǒng)計學(xué)意義,P＜0.05;在400N、600N和800N載荷下,ACL-AMB應(yīng)變無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05。PMB切斷組與ALB切斷組比較,在200N、800N載荷下,ACL-AMB應(yīng)變無明

11、顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05;在400N、600N載荷下,PMB切斷組壓應(yīng)變較ALB切斷組要小,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05。
　　(2)ACL-PLB的應(yīng)變:PMB切斷組、ALB切斷組和PCL全斷組與PCL完整組比較,在200N、400N載荷下,ACL-PLB應(yīng)變無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05;在600N,800N載荷下,PMB切斷組、ALB切斷組和PCL全斷組ACL-PLB壓應(yīng)變較PCL完整組增大,有統(tǒng)計學(xué)意

12、義,均P＜0.05。PMB切斷組與PCL全斷組比較,在200N、400N載荷下,ACL-PLB應(yīng)變無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05;在600N、800N載荷下,PMB切斷組ACL-PLB壓應(yīng)變較全斷組減小,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05。ALB切斷組與PCL全斷組比較,在200N、400N、600N和800N載荷下,ACL-PLB應(yīng)變無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05。PMB切斷組與ALB切斷組比較,在200N、400N和6

13、00N載荷下,ACL-PLB應(yīng)變無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05;在800N載荷下,PMB切斷組ACL-PLB壓應(yīng)變較ALB切斷組減小,有統(tǒng)計學(xué)意義,P＜0.05。
　　4.膝90°位:(1)ACL-AMB的應(yīng)變:PMB切斷組、ALB切斷組和PCL全斷組與PCL完整組比較,在200N、400N、600N和800N載荷下,ACL-AMB的壓應(yīng)變均增大,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05。PMB切斷組與PCL全斷組比較,在200N載

14、荷下,ACL-AMB壓應(yīng)變較小,有統(tǒng)計學(xué)意義,P＜0.05;在400N、600N和800N載荷下,PMB切斷組ACL-AMB應(yīng)變無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05。ALB切斷組與PCL全斷組比較,在200N、400N、600N和800N載荷下,ACL-AMB應(yīng)變無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05。PMB切斷組與ALB切斷組比較,在200N、400N載荷下,ACL-AMB壓應(yīng)變較小,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05;在600N、8

15、00N載荷下,PMB切斷組ACL-AMB應(yīng)變無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05。
　　(2)ACL-PLB的應(yīng)變:PMB切斷組、ALB切斷組和PCL全斷組與PCL完整組比較,在200N、400N、600N和800N載荷下,ACL-PLB的壓應(yīng)變均增大,有統(tǒng)計學(xué)意義,P＜0.05。PMB切斷組,AMB切斷組與PCL全斷組兩兩之間比較,在200N、400N、600N和800N載荷下,ACL-PLB的應(yīng)變均無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義

16、,均P＞0.05。
　　結(jié)論:1.膝0°位,PMB切斷、ALB切斷和PCL全斷對前交叉韌帶的生物力學(xué)影響不大。
　　2.膝30°位,在200N載荷下,PMB切斷、ALB切斷和PCL全斷對前交叉韌帶的生物力學(xué)影響不大;在400N、600N和800N載荷下,PMB切斷、ALB切斷和PCL全斷對前交叉韌帶的生物力學(xué)有影響,韌帶所受壓應(yīng)變增大,張應(yīng)力減小,變得松弛。
　　3.膝60°、90°,在大部分載荷下,PMB切斷、ALB

17、切斷和PCL全斷對前交叉韌帶的生物力學(xué)有影響,韌帶所受壓應(yīng)變增大,張應(yīng)力減小,變得松弛。
　　4.PMB和ALB組成PCL功能整體,在膝關(guān)節(jié)屈曲過程中協(xié)同作用。
　　第二章后交叉韌帶斷裂對前交叉韌帶力學(xué)性能的影響
　　目的:探討后交叉韌帶斷裂對兔前交叉韌帶力學(xué)性能的影響。
　　方法:48只成年雄性家兔,兩側(cè)膝關(guān)節(jié)隨機分為實驗組和對照組。實驗組膝關(guān)節(jié)后交叉韌帶完全切斷,對照組切開關(guān)節(jié)囊,暴露后交叉韌帶而不切斷。造模

18、后第8周、第16周、第24周、第40周四個時間點隨機處死12只家兔。其中6只家兔的雙側(cè)膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶通過傳統(tǒng)力學(xué)拉伸試驗,測量其長度,橫截面積,最大載荷,最大拉伸長度通過計算得到最大應(yīng)力和彈性模量;另6只家兔雙側(cè)前交叉韌帶通過冰凍切片機制成100μm超薄切片,行納米壓痕測試,數(shù)據(jù)采集后得到韌帶的微觀彈性模量和顯微硬度。采用兩樣本均數(shù)t檢驗比較分析前交叉韌帶力學(xué)性能的數(shù)據(jù),P＜0.05認為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　結(jié)果:1.造模后

19、第8周、第16周、第24周和第40周,實驗組與對照組前交叉韌帶的長度和橫截面積沒有明顯變化,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05。
　　2.造模后第8周和第16周,實驗組和對照組前交叉韌帶最大應(yīng)力、彈性模量無明顯差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05;第24周和第40周,實驗組的前交叉韌帶最大應(yīng)力、彈性模量明顯小于對照組,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05。
　　3.造模后第8周和第16周,實驗組和對照組前交叉韌帶微觀彈性模量、顯微硬度無明顯

20、差別,無統(tǒng)計學(xué)意義,均P＞0.05;第24周和第40周,實驗組的前交叉韌帶微觀彈性模量、顯微硬度明顯小于對照組,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05。
　　4.力學(xué)拉伸試驗與納米壓痕試驗得到的前交叉韌帶力學(xué)性能變化相同。
　　結(jié)論:1.兔后交叉韌帶斷裂后,在40周實驗期內(nèi)不會引起兔前交叉韌帶長度和橫截面積的改變。
　　2.兔后交叉韌帶斷裂后,兔前交叉韌帶的力學(xué)性能在一定時間后開始下降。
　　3.納米壓痕技術(shù)與傳統(tǒng)力學(xué)拉伸

21、試驗所得結(jié)果一致,可以用于韌帶材料力學(xué)性能研究。
　　第三章后交叉韌帶斷裂對前交叉韌帶組織學(xué)的影響
　　目的:探討后交叉韌帶斷裂對兔前交叉韌帶組織形態(tài)學(xué)的影響。
　　方法:24只成年雄性家兔,兩側(cè)膝關(guān)節(jié)隨機分為實驗組和對照組。實驗組膝關(guān)節(jié)后交叉韌帶完全切斷,對照組切開關(guān)節(jié)囊,暴露后交叉韌帶而不切斷。造模后第8周、第16周、第24周、第40周四個時間點各隨機處死6只家兔取材,肉眼觀察前交叉韌帶的色澤,彈性等大體形態(tài);HE

22、染色觀測前交叉韌帶細胞數(shù)目,細胞核形狀,膠原纖維結(jié)構(gòu)以及膠原纖維排列情況;投射電鏡觀測前交叉韌帶膠原纖維的形態(tài),排列和直徑大小;天狼猩紅染色后經(jīng)偏振光檢測Ⅰ型膠原和Ⅲ型膠原的數(shù)量以及Ⅰ型/Ⅲ型膠原比值的變化;免疫組化檢測MMP-1和TIMP-1在前交叉韌帶的表達情況。采用兩樣本均數(shù)t檢驗比較分析各實驗數(shù)據(jù),P＜0.05認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　結(jié)果:1.大體形態(tài)觀察顯示造模后第8周、第16周、第24周實驗組與對照組前交叉韌帶標本

23、大體形態(tài)無明顯差異,表面光滑,色澤白亮,質(zhì)韌;第40周實驗組前交叉韌帶標本較對照組標本表面略粗糙,色略黃,質(zhì)偏軟,光澤度略差。
　　2.HE組織學(xué)觀察顯示造模后第8周和第16周,實驗組與對照組組織學(xué)之間無明顯差別;第24周,實驗組前交叉韌帶細胞較對照組減少(P＜0.05),實驗組出現(xiàn)較多橢圓型、圓形細胞核,膠原纖維排列較對照組稀疏;第40周,實驗組前交叉韌帶細胞較對照組減少(P＜0.05),膠原纖維排列較對照組稀疏松散,局部膠原結(jié)

24、構(gòu)無序而雜亂,纖維間隙增大。
　　3.透射電鏡觀測,造模后第8周和第16周,實驗組與對照組比較,膠原纖維排列、直徑大小沒有明顯區(qū)別;第24周開始時,膠原原纖維直徑大小不一,出現(xiàn)細小纖維和粗大纖維,實驗組前交叉韌帶膠原纖維較對照組排列稀疏,間隙增大,同時細小纖維數(shù)量多于對照組。
　　4.天狼猩紅染色偏振光檢測Ⅰ型和Ⅲ型膠原纖維含量顯示:Ⅰ型膠原纖維含量在造模后第8周、第16周和第24周,實驗組與對照組之間無明顯差別,均P＞0.

25、05;造模后第40周實驗組ACL的Ⅰ型膠原纖維較對照組顯著減少,P＜0.05。Ⅲ型膠原纖維含量在造模后第8周和第16周,實驗組與對照組無明顯差別,均P＞0.05;第24周和第40周,實驗組較對照組顯著增多,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05。造模后第8周實驗組與對照組之間ACL的Ⅰ/Ⅲ型膠原纖維的比值無明顯差別,P＞0.05;第16周,第24周和第40周實驗組ACL的Ⅰ/Ⅲ型膠原纖維的比值顯著小于對照組,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05。

26、　　5.免疫組化顯示造模后第8周,MMP-1的表達在實驗組與對照組之間無明顯差別,P＞0.05;第16周、第24周和第40周,實驗組MMP-1陽性細胞率與對照組相比明顯增多,有統(tǒng)計學(xué)意義,均P＜0.05。造模后第8周、第16周和第40周,TIMP-1表達在實驗組與對照組之間無明顯差別,均P＞0.05;在第24周,實驗組TIMP-1陽性細胞率與對照組相比明顯增多,有統(tǒng)計學(xué)意義,P＜0.05。
　　結(jié)論:1.兔后交叉韌帶斷裂后,在早期