不同骨密度下部分皮质骨切除对全缝线锚钉与传统缝线锚钉的生物力学影响

摘要

本文介绍了一种评估部分去皮质化对不同密度 Sawbones 中全缝线锚钉（ASAs）和传统缝线锚钉（CAs）生物力学影响的实验方案。

摘要

尽管生物力学测试已证实骨皮质刮除与锚钉失效载荷之间存在相关性，但部分骨皮质刮除对全缝线锚钉生物力学性能的影响仍不明确。本研究旨在评估部分骨皮质刮除对不同密度锯骨模型中全缝线锚钉和传统缝线锚钉生物力学性能的影响。实验在未刮除、部分刮除和完全刮除骨皮质的锯骨模型中测试缝线锚钉的性能。共评估两种类型的全缝线锚钉和一种传统锚钉。采用两种双相聚氨酯泡沫材料模拟正常骨组织（密度为0.32 g/cm³，即20磅每立方英尺，pcf 20）和骨质疏松骨组织（密度为0.16 g/cm³，即10磅每立方英尺，pcf 10）。施加循环载荷并记录峰值位移。循环加载试验后，对未失效的锚钉进行拉伸至失效测试。记录循环次数、峰值位移、最大失效载荷及失效模式。

首先，峰值位移显著受到骨密度和锚钉类型的影响：正常骨模型的峰值位移低于骨质疏松模型，而传统螺钉型锚钉的峰值位移始终低于全缝线锚钉。相比之下，骨皮质切除程度——无论未切除、部分切除还是完全切除——对峰值位移均无显著影响。其次，在骨质疏松骨模型（10磅/立方英尺）中，部分切除组与未切除组之间的失效载荷无显著差异，但这两组均显著高于完全切除组。

引言

肩袖撕裂是导致肩部疼痛的最常见原因，而关节镜下肩袖修复术因其良好的临床疗效成为主要的治疗选择。缝线锚钉在此手术中起着至关重要的作用。缝线锚钉的技术进步显著提高了锚定稳定性并促进了愈合率^1,2,3。全缝线锚钉（ASAs）是一类较新型的锚钉，主要由两部分组成：缝线材料和鞘管^4,5。当锚钉插入骨组织后，通过牵拉ASAs的缝线材料使其展开，将鞘管收束成多种形状，同时套筒被压缩固定于皮质骨上^3,6。与传统缝线锚钉（CAs）相比，ASAs可形成更小的骨隧道，从而实现更多的固定点并减少骨组织损伤^7,8。因此，这类锚钉在临床手术中的应用正日益受到青睐。

肩袖止点脱皮质术是一种在肩袖修复中广泛应用的技术，通过释放内源性骨髓物质来促进肌腱-骨愈合⁹。临床上常采用脱皮质术以增强肌腱-骨缝合锚定点的愈合反应。该技术由 McLaughlin 等人¹⁰于1944年首次提出，其操作包括制备出渗血的骨槽，通过诱导间充质干细胞浸润，促进肌腱-骨界面的骨微血管化，从而在肩袖修复过程中促进愈合⁹。部分脱皮质术要求保留缝合锚周围一定范围的皮质骨，其保留区域的宽度与锚钉直径相匹配，其余皮质骨则被去除，以完成脱皮质操作。该方法旨在为锚钉提供足够皮质骨以维持稳定性，同时发挥脱皮质术的促进愈合作用。

值得注意的是，与CAs不同，ASAs在固定时显著依赖皮质骨^3,6。这种依赖性带来了一定挑战，因为去皮质化会降低ASAs的拔出强度^11,12。因此，在肩袖修复过程中需要平衡去皮质化的影响，而部分去皮质化可能是应对该问题的一种方法。ASAs采用摩擦固定锚定机制，要求其牢固地置于完整的皮质骨表面下方，因此人们一直关注去皮质化对ASAs生物力学性能的影响^11,12,13,14。Ruder等¹¹评估了ASAs在循环加载后的位移及失效载荷，发现去皮质化显著降低了失效载荷，但对平均位移无显著影响。类似地，Natlos等¹²近期在一个人体尸体肩部模型中，利用显微计算机断层扫描定量测量了皮质厚度，其结果表明ASAs的拔出强度与邻近皮质厚度之间存在显著相关性（P < 0.05）。

生物力学测试已表明骨皮质切除与锚钉失效载荷之间存在相关性，但由于文献有限，部分骨皮质切除对ASA生物力学特性的影响仍不明确^11,12。因此，本研究旨在评估部分骨皮质切除对ASA和CA生物力学特性的影响，并比较ASA与CA的力学性能。

方案

本研究使用了合成骨模型。未涉及人类或动物受试者，无需伦理审批。

1. 缝合锚钉准备

注意：请将锚点储存于干燥、室温条件下，直至使用。商品标识信息见材料表。

1. 准备三种锚钉类型。
   1. 选择全缝线锚钉1（ASA1 = UHT）。为遵循本方案，请确保ASA1由一根扁平编织的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）管构成，内穿UHMWPE缝线，预扩孔钻头直径为2.8 mm，植入后扩张至4.5 mm。
      注意：其结构特征为可塌陷的圆柱形构造，在张力作用下形成皮质下球状结构。
2. 选择全缝线锚钉2（ASA2 = Y-Knot）。为遵循本方案，请确保ASA2由一根扁平编织的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）管构成，内穿UHMWPE缝线，预扩孔钻头直径为2.8 mm，植入后扩张至5.0 mm。
   注意：其结构特征为可塌陷的圆柱形构造，在张力作用下形成皮质下球状结构。
3. 选择传统螺钉型锚钉（CA = Biocorkscrew）。为遵循本方案，请确保CA由聚醚醚酮（PEEK）制成，螺钉外径为4.5 mm。
   注意：其结构特征为全螺纹设计。

2. 骨模型制备

1. 骨模型选择
   1. 使用合成骨，因其生物力学特性与尸体骨相当。
2. 材料组成
   1. 使用两种双相聚氨酯泡沫：正常骨：密度为 0.32 g/cm³（每立方英尺 20 磅，pcf 20）；骨质疏松骨：密度为 0.16 g/cm³（每立方英尺 10 磅，pcf 10）^15,16。
      注：制造工艺已将厚度为 3 mm、填充短纤维的环氧树脂涂层预先涂覆在聚氨酯泡沫块的单侧表面，作为商业化材料的组成部分。涂层侧模拟皮质骨，未涂层的多孔聚氨酯泡沫则模拟松质骨^8,16,17。
3. 随机分组
   注：有关去皮质操作步骤，请参见第 2.4 步。
   1. 使用计算机生成的序列将骨块随机分配至三个去皮质组：
      1. 对于 ND（无去皮质）组，不进行任何去皮质操作。
      2. 对于 PD（部分去皮质）组，在缝合锚钉插入点 2.5 mm 处进行去皮质。
      3. 对于 CD（完全去皮质）组，对骨模型实施完全去皮质。
         注：2.5 mm 的偏移距离对应于全缝合锚钉的半径，确保去皮质区域位于其扩张范围之外，避免干扰锚钉部署。
4. 去皮质操作步骤（图 1）：
   1. 在计算机辅助研磨工具上安装直径为 5.5 mm 的圆柱形磨头（参见材料表）。
   2. 打开三轴研磨工具的控制软件（参见材料表）。
   3. 按下紧急复位按钮，直至指示灯停止闪烁。
   4. 点击加载 G 代码，并选择预配置的加工文件。
   5. 按下TAB键以激活手动控制模式。
   6. 使用方向键将刀具头移动至起始位置。
   7. 再次按下TAB键以退出手动模式。
   8. 点击归零按钮，将所有轴（X、Y、Z、A）重置为 0.000 mm。
   9. 点击循环启动以开始骨表面抛光。
      注：使用计算机辅助研磨工具时需谨慎操作，以防受伤。应始终佩戴适当的个人防护装备，包括护目镜和手套。操作期间应确保紧急停止按钮易于触及。

3. 植入物放置

1. 按照制造商的说明插入所有锚钉：将 ASA 垂直于骨块表面插入，CA 以 45° 角插入。
2. 使用钻导引导创建导孔。
3. 将 ASA 锚钉垂直于骨表面放置（有关本方案中使用的缝合锚钉的详细信息，请参见材料表）。
4. 将 CA 锚钉相对于骨表面以 45° 角插入（有关本方案中使用的缝合锚钉的详细信息，请参见 材料表）。
   注意：插入 ASA 锚钉直至感觉到阻力突然下降（表明锚钉扩张已完成），并通过观察插入器上的激光标记与皮质表面的视觉对齐来确认。若模型出现可见的插入异常，则应弃用。

4. 测试条件

1. 生物力学测试设置
   1. 使用力学测试机进行生物力学测试（材料表）。
      1. 将合成骨块固定在专用夹具中，使锚钉缝线与作动臂对齐（图2）。
      2. 将骨块的长轴方向调整至与加载作动器成135°角。
         注：135°的取向模拟了修复术后冈上肌腱的生理张力状态，该参数已在先前的生物力学研究中确立^7,13。
2. 缝线连接
   1. 手动将缝线缠绕并固定在测试机连接的圆形挂钩上。
   2. 打外科结，并用四个交替的半结加固。
   3. 保持缝线锚钉与挂钩之间距离为100 mm。
      注：测试装置示意图参见图2。
3. 预加载施加
   1. 以1 N/s的速率加载至10 N¹¹。
   2. 保持5秒，以建立零位移基线。
4. 循环加载
   1. 启动力学测试控制软件（参见材料表）。
   2. 在主界面中进入测试设置选项卡。
   3. 点击顶部工具栏中的新建项目以初始化测试序列。
   4. 在测试方法库中查找并选择预配置的循环测试方法。
   5. 在预加载过程中定义零位移位置。
   6. 编程设定力学测试仪以1 Hz频率施加10–60 N的载荷。
   7. 点击右上角的开始按钮（绿色图标），启动循环加载程序。
   8. 运行200个连续循环。
   9. 在左侧图形输出面板中实时监测循环载荷-位移曲线。
   10. 将位移-时间数据导出至连接的数据采集软件（.xls格式）。
5. 拉伸至失效测试
   1. 启动力学测试控制软件（参见材料表）。
   2. 在主界面中进入测试设置 选项卡。
   3. 点击顶部工具栏中的新建项目 以初始化测试序列。
   4. 在测试方法库中查找并选择预配置的锚定失效测试方法。
   5. 将位移速率 设置为33 mm/s。
   6. 点击开始 按钮（右上角绿色图标）以启动失效测试程序。
   7. 失效载荷数据将自动记录在电子表格中，可直接查看；将失效载荷-时间数据导出至连接的数据采集软件（.xls格式）。
   8. 将失效模式分类为：
      1. I型：锚钉拔出——由于固定力不足或骨密度下降导致锚钉从骨中移位，常见于骨质疏松情况。
      2. II型：缝线切割——结构失效，表现为缝线割穿锚钉孔眼或孔眼断裂，导致缝线移位或穿入组织。
      3. III型：缝线断裂——缝线材料因过度张力而发生断裂^8,18。

结果

循环测试
在CD组中，1个UHT锚钉和3个Y-Knot锚钉在从pcf 10测试块中拔出时发生失效。在PD组中，1个Y-Knot锚钉在从pcf 20测试块中拔出时发生失效。在ND组中，所有锚钉均成功通过循环测试。

循环测试期间的峰值位移列于表1中。值得注意的是，无论骨密度或锚钉类型如何，ND、PD和CD组之间的峰值位移均未观察到显著差异（所有P > 0.05）。因此，骨皮质切除术不影响循环测试中的峰值位移。

在UHT锚钉组和CA组中，pcf 20测试块的峰值位移显著低于pcf 10（两者P < 0.05）。Y-Knot锚钉组之间未观察到显著差异（图3）。

亚组分析显示，在部分脱皮质处理后，UHT锚钉在pcf 20测试块中的峰值位移显著低于在pcf 10测试块中的峰值位移（表2）。

讨论

本研究通过检测两种经皮缝合锚钉（ASA）和一种传统锚钉（CA）在不同骨密度骨块中的生物力学性能，分析了去皮质对缝合锚钉性能的影响。峰值位移受骨密度（在正常骨模型中较低）和锚钉类型（在传统螺钉型锚钉中较低）的影响，而去皮质程度无显著影响。在骨质疏松模型中，部分去皮质组与未去皮质组的失效载荷无显著差异，但两者均高于完全去皮质组的数值。

尽管以往的研究已强调了皮质骨完整性在ASA生物力学性能中的重要性^10,11，但尚无研究探讨部分去皮质化的影响。本研究通过证明部分去皮质化不会影响ASA的生物力学特性，填补了这一空白。具体而言，ND、PD和CD组之间的峰值位移未观察到显著差异。在失效载荷方面，部分去皮质化对ASA或CA的失效载荷均无影响。相比之下，完全去皮质化对失效载荷的影响则依赖于骨密度。在pcf 20测试块中，完全去皮质化仅影响Y-Knot锚钉的失效载荷。然而，在pcf 10测试块中，无论锚钉类型如何，CD组的失效载荷均显著低于ND组和PD组。这表明维持皮质骨完整性对于...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
生物锚钉	Arthrex, Naples, USA	AR-1927bcf-45	传统螺钉型缝合锚钉 (CA)
Bluehill Universal	Norwood, MA, USA	E10KNBL5086	力学测试控制台软件
计算机数控 2030 雕刻机	JPX Technology Co., Shenzhen, China	JD2030F400W	计算机辅助研磨工具
Instron, E10k,	Norwood, MA, USA	E10KNBL5086	力学测试机
Mach3Mill	ArtSoft Corporation, Sarasota, FL,USA	Mach3 R3.043.066	三轴数控控制软件
Pcf 10 Sawbone	Pacific Research Laboratories, Vashon, WA, USA	1522-319	骨质疏松骨模型
Pcf 20 Sawbone	Pacific Research Laboratories, Vashon, WA, USA	1522-315	正常骨模型
UHT	Star, Beijing, China	F19000001	全缝线锚钉 2 (ASA 1)
Y-Knot RC	ConMed, New York, USA	YPRC02	全缝线锚钉 1 (ASA 2)