改良双滑轮技术重建喙锁韧带的生物力学评价与有限元分析

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Biomechanical evaluation and finite element analysis of coracoclavicular ligament reconstruction using a modified double-pulley technique

　　

摘要

**背景：** 传统的点对点（point-to-point, PTP）缝合锚钉固定技术用于喙锁韧带重建时，可能导致负荷分配不均和应力集中。本研究通过合成骨测试和有限元分析，评估了一种改良双滑轮（double-pulley, DP）技术的生物力学性能，并将其与传统PTP方法进行比较。

**方法：** 将十对锁骨-喙突聚氨酯模型随机分配到改良DP组或PTP组，每组五对。所有构建体均先进行循环加载，随后进行失效拉伸测试。记录初始位移、最终位移、位移变化、极限失效载荷及失效模式。同时建立有限元模型，在相同的边界和加载条件下比较两种构型的应力分布和锁骨远端位移。

**结果：** 在循环加载过程中，改良DP组的初始位移、最终位移和位移变化均显著低于PTP组。改良DP组的极限失效载荷显著高于PTP组（367.07 ± 17.24 N vs. 285.70 ± 38.48 N, p < 0.01）。改良DP组的失效模式为双侧锚钉拔出，而PTP组为单侧锚钉拔出。在指定的网格和建模条件下，改良DP模型在缝线（196.01 MPa vs. 287.72 MPa）、锚钉（196.01 MPa vs. 274.82 MPa）和锁骨（26.54 MPa vs. 32.99 MPa）中的计算峰值应力均较低，锁骨远端位移亦较小（0.23552 mm vs. 0.24565 mm）。

**结论：** 在当前的合成模型测试条件下，改良DP技术相比传统PTP方法提供了更高的初始固定强度和更低的循环位移。有限元分析结果为观察到的生物力学差异提供了探索性的、依赖模型的机制支持。

**论文解读：改良双滑轮技术重建喙锁韧带的生物力学评价与有限元分析**

**一、研究背景与问题**

肩锁（acromioclavicular, AC）关节脱位是一种常见的肩部损伤，约占所有关节脱位的2%–16%，多见于运动员和青少年。对于高能量创伤导致的Rockwood Ⅳ-Ⅵ型及部分Ⅲ型损伤，通常需要手术干预以恢复锁骨与喙突之间的解剖对位关系，确保AC关节的垂直稳定性并促进喙锁（coracoclavicular, CC）韧带愈合。传统刚性固定技术如克氏针、张力带、钛缆、CC螺钉和钩钢板虽能稳定CC间距，但存在内固定物断裂、松动、移位、骨溶解甚至喙突骨折等并发症风险。因此，研究重点逐渐转向更符合原生韧带生物力学特性、允许愈合期微动的弹性固定方法。

缝合锚钉通过在锁骨与喙突之间建立稳定的缝合环，促进瘢痕形成和功能恢复，已成为CC韧带重建的可行选择。然而，现有技术多采用两个独立锚钉的点对点（point-to-point, PTP）构型，缺乏机械协同性。锚钉间的张力差异可导致负荷集中于单一锚钉，增加锚钉拔出和固定失效的风险。双滑轮（double-pulley, DP）技术最初由Arrigoni等人用于肩袖修复，通过交叉缝线互连两个锚钉，形成向下压缩力，可有效重新分配应力并增强抗拔出能力。该技术在Bankart损伤及其他骨科应用中已显示出改善的固定和稳定性，但其在CC韧带重建中的生物力学特性尚缺乏系统评估。有限元分析（finite element analysis, FEA）作为一种补充生物力学工具，可直观显示载荷下的内部应力传递并识别潜在应力集中部位。为此，本研究旨在通过合成骨生物力学测试和有限元分析，系统比较改良DP技术与传统PTP技术在CC韧带重建中的生物力学性能。

**二、研究内容与结论**

研究人员制备了十对锁骨-喙突聚氨酯模型，随机分为改良DP组和PTP组各五对。所有构建体先进行20–70 N、1000次的循环加载测试，随后进行极限失效拉伸测试，记录位移参数、极限载荷和失效模式。同时建立基于健康成人肩关节CT影像的有限元模型，在相同边界和加载条件下比较两种构型的应力分布和锁骨远端位移。

结果显示，改良DP组在循环加载中的初始位移（0.1997 ± 0.02417 mm vs. 0.2827 ± 0.03847 mm）、最终位移（0.3174 ± 0.04878 mm vs. 0.5288 ± 0.07621 mm）和位移变化（0.1177 ± 0.03696 mm vs. 0.2461 ± 0.04248 mm）均显著低于PTP组。极限失效载荷方面，改良DP组显著高于PTP组（367.07 ± 17.24 N vs. 285.70 ± 38.48 N, p < 0.01）。失效模式上，改良DP组均为双侧锚钉拔出，而PTP组均为单侧锚钉拔出，提示DP构型具有更均衡的负荷分配特征。有限元分析显示，在相同简化加载和建模条件下，改良DP模型在缝线（196.01 MPa vs. 287.72 MPa）、锚钉（196.01 MPa vs. 274.82 MPa）、锁骨（26.54 MPa vs. 32.99 MPa）和肩胛骨/喙突（9.6817 MPa vs. 10.013 MPa）中的计算峰值应力均较低，锁骨远端位移亦较小（0.23552 mm vs. 0.24565 mm）。

研究表明，改良DP技术可提供更高的初始固定强度和更低的循环位移，应力分布更为均匀，其双侧锚钉拔出模式进一步证实了负荷的均衡分担。

**三、主要关键技术方法**

本研究采用的主要方法包括：①合成骨模型 biomechanical testing，使用20 PCF聚氨酯泡沫块模拟锁骨和喙突基底，样本量为每组5对（来源于Sawbone Europe AB）；②循环加载与极限失效测试，采用20–70 N、1000次循环及50 mm/min的加载-失效协议；③有限元分析，基于一名32岁健康男性志愿者（175 cm，68 kg）的肩关节CT影像（已获西南医科大学附属医院伦理委员会批准），通过Mimics 21.0、Geomagic Wrap和SolidWorks软件构建三维模型，并使用FEA软件进行网格划分和求解；④统计学分析，采用独立样本t检验结合精确置换检验验证结果的稳健性。

**四、研究结果**

**1. 循环加载测试结果**：在70 N循环加载条件下，改良DP组的位移峰值曲线始终低于PTP组。三组位移指标（初始位移、最终位移、位移变化）在改良DP组中均显著降低（p分别为0.0035、0.0008和0.0009），精确置换检验确证了相同的统计学差异方向。

**2. 极限失效测试结果**：所有改良DP组标本均表现为双侧锚钉拔出，而PTP组标本均为单侧锚钉拔出。改良DP组的平均极限载荷显著高于PTP组（367.07 ± 17.244 N vs. 285.70 ± 38.482 N; p = 0.0026），后验功效为96.4%。

**3. 有限元分析-应力分布**：两种模型中最大位移均发生在锁骨远端。PTP模型在缝线（287.72 MPa）、锚钉（274.82 MPa）和锁骨（32.987 MPa）中的峰值应力均高于改良DP模型（分别为196.01 MPa、196.01 MPa和26.537 MPa），差异幅度分别为31.87%、28.68%和19.55%。PTP模型的最大锁骨应力位于远端隧道，而改良DP模型位于中央隧道。

**4. 有限元分析-位移分布**：改良DP模型的锁骨远端位移（0.23552 mm）低于PTP模型（0.24665 mm），差异幅度约为4.5%。两种模型的肩胛骨/喙突峰值应力差异较小（9.6817 MPa vs. 10.013 MPa）。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，锁骨骨隧道的精确定位对恢复CC韧带功能至关重要。本研究采用2.5 cm、3.5 cm和4.5 cm的三隧道构型，与中国人群的解剖学研究结果一致。有限元分析显示外侧锚钉（模拟斜方韧带成分）承受较高应力，这与临床上渐进性创伤时斜方韧带先于锥状韧带损伤的观察相符。DP技术通过交叉缝线将线性牵引转化为向下压缩力，增强了组织贴合和抗拔出能力。改良DP构型的双侧锚钉拔出机制表明其具有均衡的负荷分配特性，但同时也提示一旦一侧固定失效，负荷可能突然转移到剩余固定点，导致整个构型失效，因此在骨质条件较差的患者中需谨慎评估骨量、锚钉间距和轨迹。

研究结论：在当前的合成模型测试条件下，改良DP技术相比传统PTP方法表现出更高的初始固定强度和更低的循环位移；有限元模型在指定网格和建模条件下亦显示出较低的计算峰值应力和锁骨远端位移。这些有限元发现属于探索性和模型依赖性结果，不应被解释为网格无关的估计或临床性能的直接预测。总体上，研究结果为改良DP构型的进一步生物力学和临床评估提供了支持。