|
人髕腱密度與其生物力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系
【關(guān)鍵詞】 密度
【摘要】 目的 研究人髕腱密度與其生物力學(xué)的關(guān)系,尋找能于前交叉韌帶重建術(shù)前檢測(cè)髕腱移植物生物力學(xué)性質(zhì)的方法。方法 對(duì)20例不成對(duì)人體髕腱(男10例,女10例)進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn),來(lái)研究供者性別及髕腱密度對(duì)其生物力學(xué)性質(zhì)的影響, 髕腱密度根據(jù)其所測(cè)得體積和質(zhì)量計(jì)算出。結(jié)果 髕腱的生物力學(xué)性質(zhì)基于性別上的差異均無(wú)顯著性, 而與其密度呈正相關(guān)。密度>1.68g/cm3(n=8)的髕腱的最大抗張強(qiáng)度比質(zhì)量密度<1.68g/cm3(n=12)者明顯要高。結(jié)論 髕腱密度可以用來(lái)評(píng)價(jià)該髕腱的質(zhì)量, 因此,可利用術(shù)前測(cè)量活體內(nèi)髕腱的密度來(lái)決定該前交叉韌帶重建是用異體移植物還是自體移植物。
【關(guān)鍵詞】 髕腱;密度;移植物質(zhì)量;生物力學(xué)性質(zhì)
The mechanical properties of the human patellar tendon correlated to its mass density
【Abstract】 Objective To study the effects of tissue mass density on the mechanical properties of the patellar tendon and find out predictors of the mechanical properties of the patellar tendon, used as grafts in anterior cruciate ligament reconstruction surgeries.Methods Uniaxial tension tests were performed to determine the effects of donor sex and mass density of the tissue on the mechanical properties of twenty unpaired human patellar tendons(10 male and 10 female).Mass density of the patellar tendon was determined by measuring its volume and mass.Results No evidence of sex-based differences in any of the mechanical properties of the patellar tendon was found.The mechanical properties of the patellar tendon were significantly correlated to its mass density.The tensile strength were significantly higher for those patellar tendons having a mass density greater than 1.68g/cm3.Conclusion The mass density of the patellar tendon may be considered as an indicator of mechanical properties of the patellar tendon or graft quality.In vivo measurement of the mass density of the patellar tendon,prior to surgery,can be used to decide if a particular ACL reconstruction should be carried out with an allograft or an autograft.
【Key words】 patellar tendon;mass density;graft quality;mechnical properties
自體髕腱復(fù)合體曾被作為移植重建前交叉韌帶的金標(biāo)準(zhǔn),目前仍為外科醫(yī)生重建手術(shù)的首選。學(xué)者們對(duì)髕腱的生物力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了廣泛研究,希望找到能于移植前有效評(píng)價(jià)移植腱質(zhì)量的客觀變量,為臨床選擇肌腱提供依據(jù)。筆者對(duì)人髕腱的密度及其生物力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究,希望確定供體髕腱密度對(duì)其生物力學(xué)性質(zhì)的影響。
1 資料與方法
1.1 一般資料 從國(guó)人新鮮尸體中獲取20例不成對(duì)的膝關(guān)節(jié)(男10例,女10例),冷凍在-20℃,直到試驗(yàn)日為止。膝關(guān)節(jié)均在供者死亡后12h內(nèi)冷凍。冷凍時(shí)間1~12個(gè)月不等。死者排除以下情況:(1)年齡>50歲;(2)骨骼未發(fā)育完全者(女性<16歲,男性<19歲);(3)有膝關(guān)節(jié)手術(shù)史;(4)有膝關(guān)節(jié)炎病史。在取髕腱標(biāo)本之前,先將膝關(guān)節(jié)在室溫中解凍。將髕腱連同全部髕骨和脛骨的一部分(包含有脛骨結(jié)節(jié))從膝關(guān)節(jié)中分割出來(lái)。脛骨部分修整成楔形,取髕腱的中央部分(平均5mm寬),用手術(shù)刀沿著腱束的長(zhǎng)軸將腱的內(nèi)外側(cè)修理成直的平面。小心操作以避免將腱束橫行切斷。用游標(biāo)卡尺在不同截面測(cè)量髕腱的寬和厚,取其均值,并測(cè)量髕腱的長(zhǎng),用以計(jì)算髕腱的體積。
1.2 使用儀器 將樣本安裝在DCS-25T電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(日本島津)上,進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn),拉伸速度為30mm/min。以3033型X-Y函數(shù)記錄儀(四川儀表制造廠)記錄載荷―變形曲線,并進(jìn)行分析,得出最大載荷、衰竭應(yīng)變及彈性模量。
1.3 計(jì)算樣本密度 力學(xué)測(cè)試完畢后將樣本的腱性部分從骨的附著點(diǎn)上分離出來(lái),稱重。根據(jù)前面算出的體積計(jì)算出每個(gè)樣本的密度。
1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采集所有數(shù)據(jù),應(yīng)用t檢驗(yàn)來(lái)比較不同性別來(lái)源的髕腱的力學(xué)性質(zhì),進(jìn)行相關(guān)性分析來(lái)判斷髕腱密度與生物力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系。將樣本根據(jù)密度排列,再隨機(jī)選擇其中一個(gè)密度作為標(biāo)準(zhǔn),將其上、下兩組樣本的生物力學(xué)指標(biāo)用t檢驗(yàn)分析,重復(fù)這個(gè)過(guò)程,檢驗(yàn)是否存在一個(gè)密度值,比這個(gè)密度值大的樣本與比這個(gè)密度值小的樣本相比,其生物力學(xué)強(qiáng)度要高。
2 結(jié)果
樣本的平均截面積是19.47mm2(SD 8.72),髕腱的平均長(zhǎng)度是47.83mm(SD 3.78),男性髕腱平均長(zhǎng)49.22mm(SD 3.42),比女性髕腱[平均46.44mm(SD 3.76)]稍長(zhǎng)一些(P=0.05)。髕腱組織混合在一起的平均密度是1.61g/cm3(SD 0.47)。男性髕腱的密度(1.68g/cm3)和女性髕腱的密度(1.54g/cm3)之間差異無(wú)顯著性(P=0.23),所測(cè)得密度范圍為0.81~2.57g/cm3。
髕腱的力學(xué)性質(zhì)不依賴于供體的年齡和性別。在最大抗張強(qiáng)度(P=0.62,)、最大應(yīng)變(P=0.61)、彈性模量(P=0.57)方面基于性別上的差異均無(wú)顯著性。因?yàn)樾詣e和年齡對(duì)髕腱力學(xué)性質(zhì)沒(méi)有任何影響,所以將樣本混合起來(lái)做密度的相關(guān)分析。樣本的最大抗張強(qiáng)度與其密度相關(guān)(r=0.57, P<0.02)。髕腱的彈性模量也與其密度呈正相關(guān),盡管其相關(guān)性較弱,但亦有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(r=0.44,P<0.05)。衰竭應(yīng)變與其密度無(wú)相關(guān)性(r=-0.25,P>0.1)。連續(xù)采用t檢驗(yàn)分析顯示密度>1.68g/cm3(n=8)的髕腱的最大抗張強(qiáng)度比質(zhì)量密度<1.68g/cm3(n=12)者明顯要高。
3 討論
本研究中,組織密度被作為變量進(jìn)行相關(guān)性分析,通過(guò)測(cè)量其密度,就去除了組織大小對(duì)相關(guān)性分析的影響。我們發(fā)現(xiàn)在髕腱的生物力學(xué)性質(zhì)與密度之間高度相關(guān)。較大的組織密度可能意味著較多的膠原堆積在組織中,產(chǎn)生較大的生物力學(xué)強(qiáng)度。Woo SL[1]發(fā)現(xiàn)經(jīng)�；顒�(dòng)的豬的伸趾肌腱質(zhì)量和膠原含量增加,其最大抗張強(qiáng)度顯著增加。但其未做肌腱生物力學(xué)和其質(zhì)量的相關(guān)性研究。我們發(fā)現(xiàn)了髕腱組織的一個(gè)密度值(1.68g/cm3),大于這個(gè)密度的髕腱群體,其生物力學(xué)強(qiáng)度顯著要高。因?yàn)楦哂诨虻陀谶@個(gè)髕腱密度值的供者的平均年齡非常接近,所以年齡不會(huì)導(dǎo)致髕腱的生物力學(xué)的差異。這與Flahiff[2]報(bào)道的結(jié)果一致。
在以前的研究中,諸如樣本大小、組織儲(chǔ)藏方法、組織的測(cè)試條件、樣本的截面積和力學(xué)測(cè)試方法等因素都被認(rèn)為是很重要的因素,并且各實(shí)驗(yàn)間各不相同[3],因此,難以 做具體數(shù)據(jù)上的比較。文獻(xiàn)報(bào)道[3],測(cè)試過(guò)程中對(duì)樣本進(jìn)行鹽水浴,讓液體從腱組織滲出,能產(chǎn)生更大的強(qiáng)度和硬度。一些研究人員觀察了髕腱生物力學(xué)的差異,猜測(cè)可能有某些內(nèi)在或外在的因素與此差異性有關(guān)。例如,Flahiff[2]認(rèn)為重量、活動(dòng)量、健康及飲食能影響髕腱的力學(xué)性能,雖然Beynnon[4]陳述軟組織內(nèi)在的未知生物學(xué)因素能導(dǎo)致肌腱力學(xué)性能的差異�；谖覀兊难芯�,髕腱的密度似乎是這種差異的一個(gè)原因。
本研究最有意義的成果是,髕腱密度可以用來(lái)評(píng)價(jià)該髕腱的質(zhì)量。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在臨床上將具有重要意義。有些學(xué)者[4]認(rèn)為,在重建手術(shù)進(jìn)行之前預(yù)測(cè)自體移植物的生物力學(xué)性能很重要。他們報(bào)道移植物移植后有不同程度的伸長(zhǎng),導(dǎo)致手術(shù)5年后過(guò)度的膝關(guān)節(jié)前后松弛。這些研究人員也主張,因?yàn)橹亟ㄐg(shù)后難以立即測(cè)量移植物的伸長(zhǎng)量,所以有一種能預(yù)測(cè)自體移植物的生物力學(xué)性質(zhì)的簡(jiǎn)單指示器是非常必要的。基于我們的研究,自體移植物的密度能被用來(lái)預(yù)測(cè)包括彈性模量在內(nèi)的生物力學(xué)性質(zhì)�，F(xiàn)代影像技術(shù)如CT掃描能無(wú)創(chuàng)測(cè)量移植組織的密度。利用一條組織密度與CT值的標(biāo)準(zhǔn)曲線就可以從CT掃描中得到組織密度。因此,可利用術(shù)前測(cè)量活體內(nèi)髕腱的密度來(lái)決定該前交叉韌帶重建是用異體移植物還是自體移植物為好。
這里得出的結(jié)果不能應(yīng)用到異體移植物。因?yàn)橹亟ㄐg(shù)前異體移植物經(jīng)過(guò)了射線照射和凍干處理。
【參考文獻(xiàn)】
1 Woo SL,Gomez MA,Amiel D,et al. The effects of exercise on the biomechanical and biochemical properties of swine digital flexor tendons.J Biomech Eng,1981,103:51-56.
2 Flahiff CM,Brooks AT,Hollis JM, et al. Biomechanic [1] [2] 下一頁(yè) al analysis of patellar tendon allografts as a function of donor age.Am J Sports Med,1994,23:354-358.
3 Haut RC,Powlison AC.The effects of test environment and cyclic stretching on the failure properties of human patellar tendons.J Orthop Res,1990,8:532-540.
4 Beynnon BD,Uh BS,Johnson RJ, et al. The elongation behavior of the anterior cruciate ligament graft in vivo.A long-term follow-up study.Am J Sports Med,2001,29:161-16上一頁(yè) [1] [2]
|