经皮置入肌腱固定器修复关节侧肩袖撕裂的羊模型评价

《Journal of Functional Biomaterials》：Evaluation of Tendon Fastener Designed for Percutaneous Placement in an Ovine Model for Repair of Articular-Sided Rotator Cuff Tears

　　

摘要专业翻译 引言：部分厚度肩袖肌腱（RCT）撕裂的手术治疗通常涉及开放或关节镜下转为全层撕裂。研究人员开发了一种新方法，利用经皮固定器（fastener）实现免缝合的骨-肌腱固定。目的：本研究在部分撕裂羊肩袖模型中，表征该固定器与螺钉-垫片（screw-and-washer）结构相比的生物力学稳定性。方法：研究包括离体（ex vivo）尸体阶段和体内（in vivo）预试验。在离体阶段，研究人员对20个羊尸体肩关节的冈下肌腱进行了部分横断。肩关节被分为三组：固定器（FS）组（n = 10）、螺钉-垫片（S/W）组（n = 7）以及无固定的空白组（n = 3）。在体内预试验中，3只羊接受了双侧冈下肌腱部分横断及修复，一侧肩关节使用固定器，对侧使用螺钉-垫片；动物在8周时被安乐死以进行组织学分析。两个队列均接受了生物力学评估，体内样本则接受了组织学解剖与分析。结果：三组在极限载荷（FS：2822 N，S/W：2599 N，空白：2924 N）、极限位移（FS：15.9 mm，S/W：15.5 mm，空白：13.8 mm）、刚度（FS：252.4 N/mm，S/W：237.7 N/mm，空白：279.9 N/mm）、横截面积（FS：90.0 mm2，S/W：93.0 mm2，空白：78.8 mm2）、极限应力（FS：32.9 MPa，S/W：28.3 MPa，空白：37.8 MPa）、极限应变（FS：0.203 mm/mm，S/W：0.183 mm/mm，空白：0.183 mm/mm）或弹性模量（FS：231.1 MPa，S/W：220.3 MPa，空白：271.3 MPa）方面均未观察到显著生物力学差异。失败模式最常见为肌腱中段撕裂。无论评估的动物或样本如何，固定器和螺钉-垫片在所评分的组织学参数上均表现出可比的结果。结论：在羊模型中，固定器在治疗部分肩袖撕裂方面提供了与螺钉-垫片结构相似的生物力学稳定性。临床意义：该动物模型研究的结果为考虑进一步临床测试提供了证据。

论文解读

一、研究背景与研究目的

肩袖撕裂是最常见的肌肉骨骼疾病之一，在美国40岁以上成年人中患病率介于6.8%至22.4%之间，给医疗系统带来了沉重的经济与后勤负担。随着影像学技术的进步，部分厚度肩袖撕裂的检出率持续上升。对于肌腱受累小于50%的部分厚度肩袖撕裂，保守治疗通常是首选，但这一决策受患者年龄、症状、功能缺损、撕裂大小与位置、发病性质及病因等多种因素影响。非手术治疗包括物理治疗、运动训练、活动调整和抗炎药物等。对于保守治疗无效的患者，可考虑手术修复，包括关节镜下清创、转为全层修复、原位修复、关节内修复及经骨修复等。生物力学研究表明，原位固定相比转为全层后再修复具有更高的强度，但临床研究并未显示转换修复相比原位修复具有明确的优势。

尽管关节侧肩袖肌腱撕裂的手术治疗已被证明有效，但这类修复给医疗系统带来了显著的费用负担。一项研究发现，部分肩袖损伤的管理和手术治疗总医疗费用超过三万四千美元。患者通常需要先接受保守治疗，在此期间肩袖可能进一步损伤，从而增加患者发病率和医疗成本。降低成本的方案之一是在门诊环境下以最小镇静完成此类修复，即上肢远端手术中常用的WALANT（Wide-Awake, Local Anesthesia, No Tourniquet，完全清醒、局部麻醉、无止血带）模式。基于上述文献背景，医疗系统需要以微创方式处理肩袖撕裂。一种新型微创方法采用免缝合的骨-肌腱固定装置——固定器（fastener，Trace Orthopedics LLC），该装置设计为在超声引导下经皮通过穿刺针置入，无需全身麻醉。据研究人员所知，此前尚无文献描述使用固定器装置修复关节侧肩袖撕裂。本研究的目的在于，在部分撕裂羊肩袖模型中，表征固定器（FS）与市售螺钉-垫片（S/W）结构相比的生物力学稳定性，并开展体内预试验以评估骨愈合潜力。

二、研究设计与主要技术方法

研究采用羊模型，因其冈下肌腱的解剖和生理与人肩袖具有可比性，是慢性肩袖损伤后急性修复的公认转化模型。研究分为离体和体内两个并行阶段。离体阶段收集了20只与研究无关的羊在尸检时的肩关节标本，每只动物使用一侧肩关节。标本接受涉及肌腱宽度小于50%的关节侧冈下肌腱部分横断，分为三组：10个肩关节植入固定器，7个植入市售螺钉-垫片装置，3个不处理作为对照。所有标本均接受破坏性生物力学测试、放射学检查和组织学检测。体内阶段使用3只健康羊，每只动物的左肩植入螺钉-垫片装置，右肩植入固定器装置。所有动物接受双侧急性关节侧部分横断（肌腱宽度的50%）并分别用固定器或螺钉-垫片重新固定冈下肌腱。术后动物存活至8周（±4天），随后被安乐死并送检尸检，接受影像学、微型计算机断层扫描（μCT）和组织学分析。

离体生物力学测试中，固定器和螺钉-垫片在直视下植入。破坏性生物力学分析用于量化20个羊尸体肩关节标本的力学特征变化。标本在整个制备和测试过程中每隔约10分钟用生理盐水喷雾保持水合。肌腱横截面积通过施加0.12 MPa均匀压力于完全约束肌腱的定制夹具进行测量。肱骨用双组分硬质铸造树脂包埋在圆柱形聚合物套筒中，以确保样本与测试系统之间的机械固定。样本固定于伺服液压材料测试系统（MiniBionix 858，MTS）框架上，使冈下肌腱生理加载方向与测试机作动器轴向对齐。肌腱由定制冷冻夹具夹持，内部夹持温度在整个测试过程中维持在最高?10°C以防滑脱。生物力学测试程序包括初始静态预载、预调理循环和应力松弛测试。10 N预载维持约2分钟或直至标本完全松弛。预载后使用卡尺测量从骨止点到夹具的肌腱参考标距长度。样本在0%至2%工程应变之间进行10次预调理循环。预调理后，以0.5%/秒的应变速率进行单次斜坡至破坏测试。破坏后拍摄数字照片以记录失败位置和模式。

组织学方面，从3只体内羊标本的双侧肩关节制备组织学切片。分配用于组织学的样本大体切分为最终组织块、成像，然后保存在10%中性缓冲福尔马林中。固定完成后，样本在组织处理器上脱水和透明化，然后用Acrylosin Hard溶液浸润并聚合为硬化块。每个样本在矢状面至少切取n = 2张切片，包括肱骨止点、冈下肌腱、修复部位和测试物，总计至少18张切片。切片采用Exakt方法制作，磨至约50–70微米最终厚度，抛光后用Sanderson快速骨染色并用Van Gieson染色复染。每张切片在10倍总放大倍数下采集校准数字图像。染色组织学切片由最初对治疗参数设盲的研究病理学家评估。

三、研究结果

破坏性生物力学测试结果：固定器（n = 10）、螺钉-垫片（n = 7）和空白（n = 3）三组在任何生物力学结果参数上均未发现显著差异：横截面积（p = 0.30）、极限载荷（p = 0.36）、极限位移（p = 0.12）、刚度（p = 0.10）、极限应力（p = 0.15）、极限应变（p = 0.24）和弹性模量（p = 0.23）。两个修复组中均无标本在修复部位失败。肌腱中段撕裂是各组的主要失败模式（固定器7/10；螺钉-垫片5/7；空白2/3）；其余标本在靠近夹具处肌腱失败（固定器3/10；螺钉-垫片2/7）或因骨撕脱失败（空白1/3）。单因素方差分析（one-way ANOVA）表明固定器、螺钉-垫片和未处理组之间无统计学差异。

组织学检测结果：固定器和螺钉-垫片组在所评分的组织学参数上均表现出可比结果，无论评估的动物或样本如何。两种装置均表现出相似的止点形成，大多数样本具有以直接纤维附着于骨为特征的部分止点附着（<50%）。两组之间存在若干关键差异：螺钉-垫片组织表现出增加的胶原紊乱和不成熟性，且腱细胞密度高于固定器组。相比之下，固定器组织与宿主骨紧密贴附，几乎没有空腔形成。这种无空腔和紧密贴附导致固定器周围出现明显的骨硬化。总体而言，这些变化使固定器组织在肌腱纤维排列、细胞密度和新生血管评分方面优于螺钉-垫片组织。所有组中均未见显著的细胞反应浸润，包括多形核细胞、淋巴细胞、浆细胞、巨噬细胞、植入物降解迹象或颗粒碎片。鉴于每组标本数量较少，组织学数据以描述性方式呈现，未进行统计学比较。

四、讨论与结论

讨论部分指出，骨科文献常用患者报告结局指标（PROMs）比较各种治疗缓解肩袖撕裂症状的效果，但这些模型缺乏对固定器、螺钉-垫片和保守治疗之间生物力学差异的认识。本研究使用公认的羊冈下肌腱动物模型，可提供治疗结构的生物力学信息。值得注意的是，未治疗组的极限载荷与固定器和螺钉-垫片组相似（2793 N vs. 2822 N和2608 N）。由于部分横断涉及肌腱宽度不足50%，大多数标本在肌腱中段失败，无一在修复部位失败。该测试反映的是完整肌腱的强度而非固定的独立强度。这些结果表明两种装置均未损害骨-肌腱结构，但并未确立固定强度。这一区别在临床上很重要，因为再撕裂最常发生在术后前90天内。未来需要在完全脱离模型中进行循环加载研究，以确定固定器是否能提供足够的早期固定以允许加速康复。

组织学方面，固定器与螺钉-垫片组织之间最显著的变化是宿主骨与植入物的贴附情况。螺钉-垫片结构周围宿主骨贴附不良，而固定器组表现出适当的骨贴附。这些差异是否影响长期固定稳定性、骨重塑或止点愈合，无法从单一的8周时间点确定。值得注意的是，组织病理学分析中未发现炎症反应，这可能与分析时间点有关——生物材料植入后的急性炎症反应通常在1周内消退，慢性炎症期一般在2周内消退，8周时两阶段均可能已消退。然而，由于植入后最初几周内未进行分析，无法就早期炎症反应得出明确结论。

研究结论为：本研究证明固定器在测试的每一项生物力学指标上与传统的螺钉-垫片具有相似的固定强度。固定器还具有良好的骨-植入物界面，8周时未见炎症反应。需要转化至人体研究以评估固定器装置用于超声引导经皮微创修复部分厚度肩袖撕裂的有效性和安全性。