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【摘要】 目的 研究人髌腱密度与其生物力学的关系,寻找能于前交叉韧带重建术前检测髌腱移植物生物力学性质的方法。方法 对20例不成对人体髌腱(男10例，女10例)进行单轴拉伸试验,来研究供者性别及髌腱密度对其生物力学性质的影响, 髌腱密度根据其所测得体积和质量计算出。结果 髌腱的生物力学性质基于性别上的差异均无显著性, 而与其密度呈正相关。密度＞1.68g/cm3(n=8)的髌腱的最大抗张强度比质量密度＜1.68g/cm3(n=12)者明显要高。结论 髌腱密度可以用来评价该髌腱的质量, 因此，可利用术前测量活体内髌腱的密度来决定该前交叉韧带重建是用异体移植物还是自体移植物。
【关键词】 髌腱；密度；移植物质量；生物力学性质
The mechanical properties of the human patellar tendon correlated to its mass density
XIA Zhi-lin,WANG Xin，FANG Li-ming,et al.
Beijing Corps NO.2 Hospital,Chinese People’s Armed Police Forces,Beijing 100037,China
【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
自体髌腱复合体曾被作为移植重建前交叉韧带的金标准，目前仍为外科医生重建手术的首选。学者们对髌腱的生物力学性质进行了广泛研究，希望找到能于移植前有效评价移植腱质量的客观变量，为临床选择肌腱提供依据。笔者对人髌腱的密度及其生物力学性质进行研究，希望确定供体髌腱密度对其生物力学性质的影响。
1 资料与方法
1.1 一般资料 从国人新鲜尸体中获取20例不成对的膝关节（男10例，女10例），冷冻在-20℃，直到试验日为止。膝关节均在供者死亡后12h内冷冻。冷冻时间1～12个月不等。死者排除以下情况：（1）年龄＞50岁；（2）骨骼未发育完全者（女性＜16岁，男性＜19岁）；（3）有膝关节手术史；（4）有膝关节炎病史。在取髌腱标本之前，先将膝关节在室温中解冻。将髌腱连同全部髌骨和胫骨的一部分（包含有胫骨结节）从膝关节中分割出来。胫骨部分修整成楔形，取髌腱的中央部分（平均5mm宽），用手术刀沿着腱束的长轴将腱的内外侧修理成直的平面。小心操作以避免将腱束横行切断。用游标卡尺在不同截面测量髌腱的宽和厚，取其均值，并测量髌腱的长，用以计算髌腱的体积。
1.2 使用仪器 将样本安装在DCS-25T电子万能试验机（日本岛津）上，进行单轴拉伸试验，拉伸速度为30mm/min。以3033型X-Y函数记录仪（四川仪表制造厂）记录载荷—变形曲线，并进行分析，得出最大载荷、衰竭应变及弹性模量。
1.3 计算样本密度 力学测试完毕后将样本的腱性部分从骨的附着点上分离出来，称重。根据前面算出的体积计算出每个样本的密度。
1.4 统计学方法 采集所有数据，应用t检验来比较不同性别来源的髌腱的力学性质，进行相关性分析来判断髌腱密度与生物力学性质间的关系。将样本根据密度排列,再随机选择其中一个密度作为标准,将其上、下两组样本的生物力学指标用t检验分析,重复这个过程，检验是否存在一个密度值,比这个密度值大的样本与比这个密度值小的样本相比，其生物力学强度要高。
2 结果
样本的平均截面积是19.47mm2（SD 8.72），髌腱的平均长度是47.83mm(SD 3.78),男性髌腱平均长49.22mm(SD 3.42),比女性髌腱［平均46.44mm(SD 3.76）］稍长一些（P=0.05）。髌腱组织混合在一起的平均密度是1.61g/cm3(SD 0.47)。男性髌腱的密度（1.68g/cm3）和女性髌腱的密度（1.54g/cm3）之间差异无显著性（P=0.23）,所测得密度范围为0.81～2.57g/cm3。
髌腱的力学性质不依赖于供体的年龄和性别。在最大抗张强度（P=0.62,）、最大应变（P=0.61）、弹性模量（P=0.57）方面基于性别上的差异均无显著性。因为性别和年龄对髌腱力学性质没有任何影响，所以将样本混合起来做密度的相关分析。样本的最大抗张强度与其密度相关（r=0.57, P<0.02）。髌腱的弹性模量也与其密度呈正相关，尽管其相关性较弱，但亦有统计学意义（r=0.44,P<0.05）。衰竭应变与其密度无相关性（r=-0.25,P>0.1）。连续采用t检验分析显示密度＞1.68g/cm3(n=8)的髌腱的最大抗张强度比质量密度＜1.68g/cm3(n=12)者明显要高。
3 讨论
本研究中，组织密度被作为变量进行相关性分析，通过测量其密度，就去除了组织大小对相关性分析的影响。我们发现在髌腱的生物力学性质与密度之间高度相关。较大的组织密度可能意味着较多的胶原堆积在组织中，产生较大的生物力学强度。Woo SL［1］发现经常活动的猪的伸趾肌腱质量和胶原含量增加，其最大抗张强度显著增加。但其未做肌腱生物力学和其质量的相关性研究。我们发现了髌腱组织的一个密度值（1.68g/cm3），大于这个密度的髌腱群体，其生物力学强度显著要高。因为高于或低于这个髌腱密度值的供者的平均年龄非常接近，所以年龄不会导致髌腱的生物力学的差异。这与Flahiff［2］报道的结果一致。
在以前的研究中，诸如样本大小、组织储藏方法、组织的测试条件、样本的截面积和力学测试方法等因素都被认为是很重要的因素，并且各实验间各不相同［3］，因此，难以 做具体数据上的比较。文献报道［3］，测试过程中对样本进行盐水浴，让液体从腱组织渗出，能产生更大的强度和硬度。一些研究人员观察了髌腱生物力学的差异，猜测可能有某些内在或外在的因素与此差异性有关。例如，Flahiff［2］认为重量、活动量、健康及饮食能影响髌腱的力学性能，虽然Beynnon［4］陈述软组织内在的未知生物学因素能导致肌腱力学性能的差异。基于我们的研究，髌腱的密度似乎是这种差异的一个原因。
本研究最有意义的成果是，髌腱密度可以用来评价该髌腱的质量。这个发现在临床上将具有重要意义。有些学者［4］认为，在重建手术进行之前预测自体移植物的生物力学性能很重要。他们报道移植物移植后有不同程度的伸长，导致手术5年后过度的膝关节前后松弛。这些研究人员也主张,因为重建术后难以立即测量移植物的伸长量，所以有一种能预测自体移植物的生物力学性质的简单指示器是非常必要的。基于我们的研究，自体移植物的密度能被用来预测包括弹性模量在内的生物力学性质。现代影像技术如CT扫描能无创测量移植组织的密度。利用一条组织密度与CT值的标准曲线就可以从CT扫描中得到组织密度。因此，可利用术前测量活体内髌腱的密度来决定该前交叉韧带重建是用异体移植物还是自体移植物为好。
这里得出的结果不能应用到异体移植物。因为重建术前异体移植物经过了射线照射和冻干处理。
【参考文献】
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. Biomechanical 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，2001,29：161-166.
作者单位：1 100037 北京，武警北京总队第二医院骨科
2 湖北武汉,武汉大学中南医院骨科
(编辑：宋 青)