γ射线照射与非照射人肌腱生物力学的比较研究
【摘要】 [目的]探讨目前国内外最普遍应用的“γ”射线照射消毒法对人肌腱生物力学的影响。[方法]将等长的24条肱二头肌肌腱长头配对分成两组，A组(12)：非照射组，B组(12)：经2.5Mrad“γ”射线照射组。采用WDW-3 020万能材料试验机测定结构力学和材料力学。[结果]经拉伸实验后肌腱平均长度B组为A组的99.15%，最大拉长量为93.46%，刚度为95.27%，最大载荷能量为93.60%,最大应力为84.88%,最大应变为85.82%,弹性模量为90.40%，能量密度为66.73%，B组照射组与A组非照组比较P<0.05,有统计学意义，照射后生物力学各参数明显降低。[结论]“γ”射线照射消毒后肌腱强度明显降低，是否采用“γ”射线照射消毒同种异体组织有待于进一步研究。
【关键词】 生物力学; 人; 交叉韧带; 移植; 同种异体; 照射; 肌腱
Abstract: [Objective]To explore the change of biomechanics about human tendon with“γ”irradiated which was universal used by domestic and foreign. [Methods]Twenty-four upper limb tendon of human with the same length were divided into two groups,group A(12):nonirradiated group, group B (12):2.5 Mrad gamma irradiated group.Material properties and structural properties were determined with WDW-3020 electron universal testing machine.[Results]The mean length of the tendon was 99.15% of control, the elongation to failure was 93.46%, the linear stiffness was 95.27%, the energy to maximum force was 93.60%, the maximum stress was 84.88%, the strain to failure was 85.82%, the linear modulus was 90.40%, the strain energy density to maximum was 66.73%. Difference was noted after compared hetween group A and B (P<0.05). All biomechanical parameter presented significantly decline after irradiated.[Conclusion]The tendon strength reduced obviously after irradiated, it needs further studies whether disinfect allograft could be irradiated with Gamma radiation on clinical.
Key words：biomechanics; human; cruciate ligament; transplant; allograft; irradiate; tendon
交叉韧带是膝关节稳定的主要结构，交叉韧带重建术是交叉韧带损伤的主要方法[1]。自1978年Neviaser等人应用冻干保存的同种异体肩袖移植修复大范围的肩袖损伤，1981年Green等人将冷冻保存后的异体阔筋膜用于肌腱、韧带损伤的修复相继成功以来，人们开始了同种异体组织重建膝关节前交叉韧带的临床及基础研究。但同种异体组织移植仍有疾病传播、感染、松弛等诸多问题。为了防止艾滋病、肝炎等疾病的传播，国内外一些学者及组织探讨了一系列的消毒措施，目前最常用的是“γ”射线照射消毒。有研究表明，在2.0Mrad“γ”照射对同种异体组织的最大应力，最大应变等有一定负面影响[2]，本文对国内外普遍采用的2.5Mrad“γ”射线照射消毒法对肌腱生物力学指标的影响进行全面探讨。
1 材料与方法
1.1 实验材料准备
由解放军总第一附属医院组织库提供的24条等长肌腱配对分成A、B两组，每一对来自同一供体。A组为对照组，没有经过“γ”射线照射，B组为实验组，经过2.5Mrad“γ”射线照射12 h。普通低温冷冻(-20℃)保存异体肌腱以备进行生物力学检测。
1.2 生物力学测试
将标本取出后室温下融化1 h，生理盐水纱布保湿。用WDW-3020电子万能材料试验机(清华大学航天航空学院工程力学系固体力学实验室提供)做拉伸实验。首先使用专用横截面积测试仪测量肌腱的宽度与厚度，出横截面积。为防止直接夹持对肌腱的损伤，特别设计了专用夹具对肌腱进行夹持。使位于两夹持端间实验部分肌腱的长度均为30 mm，将肌腱夹持好，固定于试验机上，调整拉力使其经过肌腱轴线。先行预处理，拉伸速度0.5 mm/s,拉长0.5 mm，共3次。最后加载直至试样被完全破坏，加载速度设为20 mm/min，试验机自动记录载荷-位移曲线，见图1。其中直线段斜率为刚度。
图1载荷-位移曲线
1.3 破坏部位
A、B两组所有实验材料破坏部位均不在夹具夹持肌腱处，避免了在夹持部位破坏造成结果的不准确，如果肌腱是在夹持部位破坏的可能是由于夹具夹持力所造成的。
1.4 统计学处理
采用配对t检验，P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
对载荷-位移曲线进行修正，根据此曲线计算出生物力学各指标，载荷测量精确到0.001 N,位移精确到0.01 mm。数据用均数±标准差表示。具体结果如下。
2.1 结构力学特性
研究肌腱在外载荷作用下刚度、能量、位移等的变化，确定肌腱承受和传递外力的能力。①B组实验组平均最大拉伸长度为A组对照组93.46%，两组之间差异有统计学意义(t=3.45,P<0.05)。②B组照射组的平均刚度为A组非照射组的95.27%，两组之间差异有高度统计学意义(t=4.49,P<0.001)。③B组照射组平均最大载荷为A组非照射组96.72%，减少了4.93%，两组之间差异有统计学意义(t=2.97,P<0.05)。④最大载荷能量B组是A组的93.60%，差异有统计学意义(t=3.34,P<0.05)(表1)。
2.2 材料力学特性
研究肌腱在外力作用下所发生应变、应力和刚度等的变化及导致肌腱破坏的极限。①照射组的弹性模量为非照射组的87.66%，减少了12.34%，两组之间比较差异有统计学意义(t=2.53,P<0.05)。②最大应力B组为A组的84.88%，两组间有统计学意义(t=2.91,P<0.05)。③最大应变B组为A组的85.82%，两组之间比较差异有统计学意义(t=3.45,P<0.05)。④B组能量密度为A组的66.73%，能量密度减少了33.23%，差异有统计学意义(t=4.21,P<0.05)(表2)。表1 A、B两组结构力学比较表2 A、B两组材料力学比较注：与对照组相比差异有统计学意义(P<0.05)
3 讨论
自体BPTP(骨-髌腱-骨)曾经被认为是ACL(前叉韧带)重建的金标准，但不可避免诸多的并发症，如股四头肌、腘绳肌薄弱等，据报道手术后髌骨关节疼痛高达80%，而同种异体组织移植具有无供区症状，材料大小不受限，手术时间和费用少等优点[2]。 Poehling等[3]指出应用同种异体组织重建ACL后疼痛少并且术后1年内关节活动受限少，所以术者倾向于采用同种异体组织进行ACL重建。疾病传播是目前应用同种异体移植物存在的主要问题，为减少疾病的传播，消灭处在“窗口期”的病原微生物，一些组织库先后使用一系列灭菌消毒技术如环氧乙烯薰蒸，“γ”射线照射等。经基础实验和临床实践后，目前国内外最普遍采用的是“γ”射线照射消毒来减少疾病的传播。虽然高剂量的“γ”射线照射消毒能有效的杀灭细菌病毒等微生物，但不可忽视的是对组织具有破坏损伤和灭菌消毒双重作用，“γ”射线照射消毒必须达到两方面的要求，一是必须达到完全灭菌消毒的目的，包括HIV和肝炎病毒，二是必须保证肌腱有足够的强度。目前国内外对2.5 Mrad“γ”射线照射消毒引起肌腱生物力学变化没有很明确的了解，缺少直接对人体肌腱的研究，作者采用照射非照射的人体肌腱进行研究，进一步明确了2.5 Mrad“γ”射线照射对肌腱生物力学参数的影响。
有大量研究表明1.5 Mrad“γ”射线照射能破坏95%的细菌微生物，而使用3.0 Mrad“γ”射线照射就会引起组织较严重的破坏，并且在2.5 Mrad“γ”射线照射后的骨-腱-骨中仍能检测出HIV，建议使用3.6～4.0 Mrad照射，一些学者认为5.0Mrad“γ”射线照射才能杀灭HIV[4]。目前能被接受的剂量是1.5～2.5 Mrad，但从作者的实验数据可以看出2.5 Mrad“γ”射线照射后各生物力学参数明显降低，肌腱强度下降显著，各参数均具有统计学意义，其中参数刚度具有高度统计学意义，刚度是指生物材料对外力作用抗变形能力，肌腱刚度在ACL重建后膝关节早期蜕变有重大影响。有研究表明4.0 Mrad“γ”射线照射后肌腱的刚度和最大应力分别减少30%和21%，本实验2.5 Mrad“γ”射线照射后刚度和最大应力分别减少4.63%和15.12%，与对照组相比有统计学意义，所以肌腱强度降低的趋势基本是一致的，并且从本组实验中可进一步看出“γ”射线照射引起肌腱强度的降低具有剂量依赖性。Curran等研究指出2.0 Mrad“γ”射线照射组强度比非照射组强度减少20%[8]，Filder[9]研究认为2.0 Mrad“γ”射线照射后强度降低15%。有学者指出2.0 Mrad“γ”射线照射后肌腱的弹性模量和最大应力明显下降，本研究中2.5 Mrad“γ”照射后弹性模量和最大应力分别减少9.60%和15.1%。肌腱弹性模量是衡量肌腱产生变形难易程度的指标，在ACL重建后希望肌腱有足够的弹性模量以求重建的膝关节在承受外力时有足够的稳定性，“γ”射线照射后弹性模量减小，所以必须遵循“以强代弱”的原则。本试验材料的选择不能确定供者的年龄使肌腱强度可能有所差异对试验数据会有一定的影响，作者采用同一组肌腱来自同一供体以求尽可能的减小对实验结果的影响。有些学者认为吡啶喏林的含量与肌腱生物力学存在着线性关系，也就是说照射前后生物力学的变化可能是由于照射引起同种异体组织羟基脯氨酸、铰链等生物化学成分改变引起的。
2.5 Mrad“γ”射线照射的同种异体组织强度的降低是否会增加临床失败率?在膝关节交叉韧带重建研究中发现移植物在塑型改建过程中其强度有明显下降的过程，所以必须按照“以强代弱”的原则来重建交叉韧带，移植物强度在重建术中的作用已经得到明确[6]。Suggs等[5]通过机模拟研究ACL重建后发现：重建后关节早期退变与移植物刚度过大有关，刚度一致时，可以有效恢复膝关节的稳定性且不增加关节面的压力。所以选择结构力学一致的移植物重建ACL可以在恢复稳定性的基础上对膝关节软骨提供良好的保护作用。本研究发现γ射线照射消毒后肌腱的刚度明显下降，所以如何确定照射后刚度一致性使移植物具有相同或接近相同的结构力学，从而达到最好的重建效果需要基础研究和临床观察的进一步探讨。Bach[7]、孙磊[9]等均已经证实了应用非照射的同种异体组织重建ACL的良好的临床效果。国外有通过临床随访发现采用2.0～2.5 Mrad“γ”射线照射后的同种异体肌腱重建ACL的失败率明显高于非照射组的报道，故不主张应用“γ”射线照射消毒的组织来重建ACL。“γ”射线照射的同种异体组织移植后超微结构的变化过程及临床失败率增加的具体机制还没有深入的了解。
目前国内外普遍采用2.5 Mrad“γ”射线照射消毒同种异体组织的方法并不能完全杀灭病原微生物如HIV等，作者直接采用人体肌腱实验后证实照射后各结构力学和材料力学参数降低明显，这种强度的降低可能导致临床失败率的增加，综上所述，是否采用“r”射线照射消毒同种异体肌腱及其生物力学改变是否会导致临床失败率的增加和具体机制有待于进一步研究。
【】
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