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1、生物医用纺织品生物医用纺织品课程论文课程论文姓名： 曾琦 学号： 222013323210088 班级： 2013 级纺织二班 论文题目：LARS 人工韧带在前交叉韧带中的性能测试 2014 年 11 月 10 日LARS 人工韧带在前交叉韧带中的性能测试人工韧带在前交叉韧带中的性能测试作者：曾琦【摘要】前交叉韧带（anterior cruciate ligament, ACL）损伤导致膝关节不稳定，关节内其他 结构的继发性损伤对膝关节损害严重，关节镜下 ACL 重建术是目前公认的效果良好的手术 方式。ACL 重建的移植物主要包括自体肌腱、同种异体肌腱以及人工韧带。早期的人工韧 带由于材料本身
2、的缺陷出现的各类临床并发症而被淘汰。但由于人工韧带其本身的优势， 并由于材料科学的迅速发展，使得研究者们不断对其进行改良，并且愈加受到重视。近年 来由聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethyleneterephthalate, PET）为原料设计的人工韧带 逐渐应用于临床，其中法国生产的 LARS（ligament advanced reinforcement system）人 工韧带，首次将处于关节腔的游离部分设计成平行的、开放编织的纤维。临床的随访报道 LARS 人工韧带具有较好的短期和中期术后效果和较高的患者满意度，但与韧带长期稳定性、 耐用性相关的生物相容性，生物力学特性的保持等方面的研
3、究，目前仍然较少。本文就 lars 人工韧带的组织转归、生物力学性能进行报告。【关键词】Lars，人工韧带，组织转归，生物力学，前交叉韧带1.1.研究意义研究意义膝关节叉韧带是膝关节内的重要结构，叉韧带断裂不能自行修复，可引起膝关节不稳，导致关节退变、关节疼痛和关节活动功能障碍。由于膝关节内的生物学环境特殊和交叉韧带的血液供应的限制，交叉韧带体部断裂后无自然愈合的能力，因而需进行韧带重建。修复材料包括自体移植物、同种异体移植物和人工韧带。自体移植重建后存在以下问题： 移植物达韧带化的时间需 1218 个月，在早期容易断裂或松弛，因此不宜进行早期完全活动。 存在膝前疼痛、髌腱炎、髌腱挛缩、腘绳肌
4、缺失等供区并发症。 所取组织均是膝关节稳定结构的一部分，重建术后普遍存在膝关节屈伸肌力减弱的现象，且持续时间较长。 尚不清楚这些移植物的生物学转归，能否发展成为正常的韧带组织，还在研究之中。随时间的延长移植物强度下降，易再次断裂或松弛，影响术后效果。同种异体肌腱存在韧带化时间延迟，免疫排斥反应、甚至传播疾病的危险。以上韧带重建方法对于运动员都显得非常不切实际。20 世纪 80 年代以来人工材料重建交叉韧带较为盛行，在运动创伤中运用较多。相比之下，其主要优点有：手术操作简单，材料来源可靠可控。不损伤自体组织。不需制动，术后稳定性好，可早期活动。2.2.研究背景及现状研究背景及现状2.12.1 前
5、交叉韧带的生物学特征前交叉韧带的生物学特征前交叉韧带对于保证膝关节的正常运动和稳定性起到了十分重要的作用。前交叉韧带由纵形排列的成纤维细胞和平行排列的细胞外基质构成，细胞外基质以 I 型胶原为主（占去脂后干质量的 70） ，其次为 型胶原。纵行、致密的I 型胶原组成直径约 20m 的纤维，被较细的型胶原分隔成直径 20400m 的纤维束。韧带中还含有少量弹性蛋白(5)和糖蛋白(1)ACL 中多数纤维束呈纵向走行,但有部分纤维束呈螺旋排列它是膝关节内最重要的韧带结构之一,起于股骨髁间的后部,向前向下止于胫骨髁间隆突的前外侧。主要功能是稳定膝关节， 防止膝关节胫骨过度前移或股骨后移，并协助控制膝关
6、节侧方运动和旋转运动。2.22.2 人工韧带的发展人工韧带的发展人工韧带的研究与临床应用经历了漫长的曲折过程。人工韧带具有无供区并发症 、使用方便 、早期康复、无疾病传播危险等许多明显优势。理想的材料,应该具备持续高强度 、耐磨损 、无组织反应等基本特性,并具有正常韧带的功能,同时允许有生理排列、再生新韧带倾向的组织逐渐长入。然而, 完全符合上述条件的人工韧带尚未面世。自上世纪 60 年代 , 人工韧带已经进入临床应用。70 年代后的 20 年, 有多种类型的人工韧带被植入体内 。其中有许多著名的产品 , 包括 Gore -Tex 、Leeds-Keio、Kennedy 等。在材料选择上, 完
7、全合成的碳纤维韧带 ,因在关节和淋巴内释放磨损颗粒,引起显著的炎性反应 。此后,以碳支架结合胶原或聚酯、聚四氟乙烯纤维束合成的聚合物,临床成功率均不高。然而 , 近年来 LARS(ligament advanced reinforce-ment system)聚酯韧带的近期优良结果受到了关节镜与骨科运动医学领域的重视 。2.32.3 LarsLars 人工韧带人工韧带LARS 人工韧带是新一代支架型 PET 人工韧带，采用仿生设计，模拟天然 ACL ，其关节内段为平行纵向排列的游离纤维，这种设计是为了避免韧带纤维之间的磨损，而且预先外旋扭转30 。LARS 人工韧带的力学强度很高。2.3.12
8、.3.1 LARSLARS 人工韧带起源人工韧带起源20 世纪 90 年代生物聚酯材料开始用于制作人工韧带，LARS 韧带是其中的典型代表。首先聚酯韧带的纤维在关节内平行排列，而在隧道内纵横交错，既符合正常交叉韧带的生理结构，同时又显著提高了抗扭转力。第二，聚酯纤维的抗拉强度得到了显著提高，可以达到 2 0004 000 N，而正常前交叉韧带的最大抗拉强度为 1 7001 800 N。第三，聚酯纤维制作的人工韧带具有良好的组织相容性，新生组织可以进入纤维间隙生长，是人工韧带的理想材料。2.3.22.3.2 LRASLRAS 人工韧带的优势人工韧带的优势不需要自身的供区，可避免取材部位的并发症。
9、关节镜下手术操作方便，手术时间短、创伤小。术后不用外固定，早期康复锻炼，这样最大限度防止关节功能受限，韧带重建后稳定、可靠，可早期从事运动。滑膜炎，松弛等并发症少。LARS 人工韧带强度大，植入简单，固定可靠，可按韧带转向以模仿产生人体韧带的活动方向，能对抗重复扭曲、弯曲的力量以及过度牵引。具有不同于其他人工韧带的多孔结构，有利于自体组织长入。3.3.实验设计实验设计3.13.1 LARSLARS 人工韧带重建前交叉韧带组织转归研究人工韧带重建前交叉韧带组织转归研究目的：通过建立 LARS 人工韧带重建山羊 ACL 的动物模型，对重建术后 20 个月动物模型进行宏观与微观检测，明确 LARS
10、韧带及其固定装置与膝关节内相邻、相关结构的相互关系。方法：将 14 只山羊以随机数字表方法随机平均分成两组，依动物模型的建立方法各组建立 7 只动物模型。于术后 20 个月对标本进行大体观察；对重建后的ACL 组织进行 HE 染色，Masson 染色光学显微镜检查；扫描电镜观察重建后的ACL 组织内部形态和结构；影像学观察术后是否存在并发症，植入物对膝关节内滑膜、软骨及半月板等结构的影响。结果：术后 12 个月及 16 个月各组有一只实验山羊死亡，取材标本后于深低温冰箱储存。术后 20 周大体观察两组，膝关节无肿胀及挛缩畸形，切口愈合良好，关节活动度较对侧无差异。关节无纤维化，关节内半月板、软
11、骨等结构无继发性损伤，滑膜组织无增生，LARS 人工韧带关节内游离部分可见自体组织及滑膜的不规则包裹，保留残端组可见重建后的 ACL 在胫骨止点附近有更广泛的纤维包裹，无结节状残端出现。两组各见一例股骨部分固定金属钛螺钉钉尾退出于股骨隧道。HE 检测见韧带自体组织包裹良好，Masson 染色证实包裹的自体组织多为成熟的纤维组织，在隧道内包裹的纤维组织与骨组织界限清晰，纤维组织与骨呈直接过渡状态；扫描电镜见韧带内部组织生长情况良好，纤维成熟且局部排列整齐；影像学可见骨隧道明显的扩大征象。结论：LARS 人工韧带术后关节内部分与骨隧道部分都有良好的纤维组织诱导能力；LARS 人工韧带术后无脱屑及颗
12、粒物导致的滑膜增生反应； LARS 人工韧带具有较好的生物相容性。3.23.2 LARSLARS 人工韧带重建人工韧带重建 ACLACL 的生物力学检测的生物力学检测目的：获得 LARS 人工韧带重建山羊前交叉韧带术后 20 个月生物力学方面的资料。方法：将取材的膝关节标本进一步修整，去除髌骨和多余的软组织，去除肌肉、关节囊、半月板及后交叉韧带，仅保留股骨、胫骨及中间连接的重建后的 ACL部分，于胫骨及股骨远离关节面约 15cm 处离断胫骨及股骨以便夹具进行固定。将修整后的标本固定于可调式的夹具上，再将夹具固定于生物力学机。使调整好的标本中 LARS 人工韧带处于一条直线，保证其所受拉力的方向
13、完全平行于LARS 人工韧带本身。每组中随机抽取 2 只标本移除固定螺钉后进行拉力测试，剩余的 4 只标本进行保留金属螺钉的拉力测试，给予 10N 的预张力 10 分钟后，每分钟 10mm 等速拉伸标本，采用 20Hz 的频率进行记录，直至 LARS 人工韧带断裂或滑脱失效。结果：保留钛螺钉的标本能够提供足够的拉伸应力。移除钛螺钉的标本不具备足够的抗拉力性能，其平均拉力均小于 300N，拉力测试均以 LARS 人工韧带在骨隧道内滑脱为结局；股骨螺钉滑脱的标本其最大失效拉力明显降低，最大拉力低于 900N，同样以 LARS 人工韧带从骨隧道内滑脱为结局。结论：LARS 人工韧带能够在关节的内环境
14、中保持其较大抗拉伸特性，而无明显的疲劳。固定的钛螺钉仍然通过牢固的挤压为 LARS 人工韧带提供固定。4.4.展望展望膝交叉韧带所处的特殊组织环境以及运动员对修复手术后继续快速康复的要求，给人工材料韧带提供了广阔的市场。自体、异体生物韧带的局限性也随医学和材料学的发展逐渐退出主流。应用人工合成材料重建交叉韧带的成败主要取决应用的材料。目前人工韧带材料的临床与动物实验发现如下问题：人工韧带的磨损屑可致医源性关节病；人工材料硬度高，无周期性张弛，易疲劳及折断；随关节活动韧带在关节内的蠕变，人工韧带会被永久性地拉长，从而导致膝关节的不稳定。未来的人工韧带将致力于找到一种生物性、机械性能与正常韧带相容
15、和与正常韧带生物力学匹配的全新材料。参考文献：1人工膝关节交叉韧带材料学及其特点_谢正阳 2医用支架型前交叉韧带的设计 3 3人工韧带与组织工程韧带研究进展_吴海山 4对苯二甲酸乙二醇酯人工韧带重建前交叉韧带研究进展_高凯 5关节镜下应用 LARS 人工韧带材料修复重建运动损伤膝关节交叉韧带 6LARS 人工韧带重建前交叉韧带的生物相容性和生物力学实验研究 7人工合成材料重建膝关节交叉韧带的进展_孙康 8LARS 人工韧带在前交叉韧带重建中的应用_于利 9生物型人工韧带的体外检测和体内组织相容性的实验研究 10膝关节前交叉韧带修复的组织工程研究进展_吕永钢11Study of the variations in length of the anterior cruciate ligament during flexion of the knee use of a 3D model reconstructed from MRI section
