兔子肘关节囊和韧带损伤后愈合阶段旋前运动的生物力学研究

《Journal of Hand and Microsurgery》：Biomechanical study of pronation movement during the healing phase after elbow joint capsule and ligament trauma in rabbits

本研究建立兔前肢关节囊及韧带损伤模型，结合有限元方法模拟人类肘关节恢复期旋转运动，发现愈合时间与关节活动度呈负相关，软组织应力累积加剧病理改变，为手术提供依据。

　　

王芳|建达林|李明欣|陈宇阳|冯学海|张建国|范宇波

天津科技大学机械工程学院，中国天津300222

摘要

目的

本研究旨在构建兔子的前肢挛缩模型，以机械量化关节囊和韧带损伤愈合阶段内的旋前-旋后运动。此外，还开发了人类肘关节的有限元模型，以研究愈合阶段旋前-旋后运动过程中肘关节的机械环境。

方法

将白兔随机分为对照组（无损伤）和损伤组（关节囊和韧带损伤）。受伤的前肢分别固定2周、4周、6周和8周（分别称为2IM、4IM、6IM、8IM组），并对关节进行机械测试。利用人类肘关节的有限元模型模拟不同愈合期间肘关节从0°到50°的旋前运动，并分析肘关节内软组织力的变化。

结果

在愈合阶段，受伤组的总活动范围（ROM）显著减少，分别在4周、6周和8周时减少了26.8°、43.8°和57.4°。这些减少伴随着关节囊内的细胞黏附等组织学现象。此外，内部软组织应力随时间逐渐增加，其中环状韧带处的应力最高。在整个愈合过程中，肱骨软骨上的应力始终高于尺骨软骨，最大应力达到尺骨软骨的15.8倍。关节囊上的应力也逐渐增加，在受伤后4周、6周和8周分别增加了69.5%、87.5%和139.2%。

结论

愈合时间与总关节活动范围显著负相关，这表现为内部软组织负荷的持续积累和转移。这些发现有助于进一步了解肘关节挛缩时关节腔内的生物力学环境，并为指导肘关节挛缩松解手术提供依据。

引言

肘关节损伤常伴有关节挛缩，这是一种由于多种因素导致活动范围（ROM）受限的临床表现[1]、[2]、[3]。与关节不稳定不同，这种运动功能障碍的临床发病率更高[4]，影响高达50%的肘关节损伤患者[5]、[6]。创伤后关节挛缩是由关节周围组织的病理变化引起的[5]。目前，大多数关于关节挛缩的研究使用创伤性屈曲关节挛缩动物模型[7]、[8]。然而，旋前-旋后也是人类日常生活中重要的运动，其活动范围为0°至90°[9]，对许多日常和职业活动至关重要。

临床证据表明，关节囊是导致挛缩的主要因素[10]、[11]、[12]、[13]。然而，即使是韧带张力的微小变化也可能导致关节挛缩的迅速发生。肘关节对挛缩的耐受性较低，即使是相对轻微的挛缩也会导致严重的功能障碍[14]。康复训练是肘关节挛缩的主要非手术治疗方法[15]。然而，在肘关节损伤的病理状态下，自主关节运动可能会通过异常的应力分布加剧关节囊、韧带和软骨等软组织的继发性损伤。因此，临床治疗通常采用分阶段关节固定或控制活动范围训练来平衡组织修复和关节功能维持之间的矛盾需求[16]、[17]、[18]、[19]。目前，关节囊和韧带损伤愈合阶段肘关节组织的病理变化及机械环境，以及这些变化与关节ROM之间的关系仍不清楚。

本研究建立了兔子的前肢挛缩模型，以观察关节囊挛缩的进展和不同愈合期间韧带机械特性的演变。它机械量化了关节囊和韧带损伤模型中的旋前-旋后运动，并进一步开发了人类肘关节的有限元模型，以模拟不同愈合阶段的旋前运动。该研究分析了关节囊和韧带损伤后旋前过程中肘关节软组织力的变化。这些发现对于理解肘关节挛缩后内部软组织的机械环境以及指导肘关节挛缩松解手术具有重要意义。

部分摘录

动物模型

选择日本白兔（具有大耳朵[20]）作为本研究? ?? ??，因为其解剖结构、功能活动范围（ROM）以及上肢使用方式与人类相似[7]、[21]。本研究已获得天津科技大学的伦理委员会批准。实验设计将30只雄性日本白兔分为对照组（n = 6）和损伤组（n = 24，关节囊和韧带损伤）。在损伤组中，动物被

机械测试结果

机械测试结果表明，随着愈合期的延长，受伤肢体的总ROM减少，而中性区的长度缩短（图5b）。定量分析显示，与对照组（161.2° ± 5.3°）相比，受伤后2周（2IM，163.6° ± 4.6°）、4周（4IM，134.4° ± 11.9°）、6周（6IM，117.5° ± 2.5°）和8周（8IM，103.8° ± 1.4°）的ROM均有所下降（图5c）。值得注意的是，统计学上存在显著差异

讨论

本研究建立了兔前肢的创伤后挛缩模型，并研究了关节囊和韧带联合损伤后愈合阶段的肘关节旋前-旋后运动。与对照组相比，2IM时的受伤肢体总ROM（+1.5%）和中性区长度（+1.7%）略有增加，表明术后早期存在松弛。相比之下，4IM、6IM和8IM时的总ROM分别下降了16.6%、27.1%和35.6%，而中性区长度

讨论

总之，我们将兔前肢挛缩模型与特定于受试者的有限元肘关节模型相结合，以量化关节囊和韧带联合损伤如何改变愈合过程中的旋前-旋后力学。在2IM时已经出现不稳定，之后总ROM逐渐下降。同时，关节囊和韧带的厚度及剪切模量增加，伴随组织学恶化——细胞黏附、血管增生和进行性纤维化。有限元分析显示

声明和披露

资助：本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）研究项目的资助（项目编号12102301）。

利益冲突声明

作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。

作者贡献

王芳：论文审阅和修改指导。建达林：进行动物实验、数据分析和手稿撰写。李明欣：提供临床建议并操作动物。陈宇阳：进行动物实验。冯学海：进行动物实验和数据收集。张建国：论文审阅和修改指导。范宇波：论文审阅和修改指导。所有作者都对手稿的早期版本进行了评论。所有作者都阅读并批准了最终版本的手稿。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务或个人利益关系。