富血小板血漿對軟骨修復的生物力學研究

董海鵬，高石軍，竇 硯，鄭曉佐，左百軍(河北醫科大學第三醫院關節二科,河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

·論著·

富血小板血漿對軟骨修復的生物力學研究

董海鵬，高石軍*，竇 硯，鄭曉佐，左百軍
(河北醫科大學第三醫院關節二科,河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

目的探討自體富血小板血漿(platelet rich plasma，PRP)修復兔膝關節軟骨損傷后生物力學變化。方法構建兔膝關節軟骨完整模型作為對照組，構建兔膝關節股骨負重區內側軟骨損傷模型，用自體PRP注入右膝作為PRP組，用生理鹽水(normal saline，NS)注入左膝作為NS組，術后1、3、5周分別取材，觀察軟骨修復情況，用壓敏片測試膝關節內、外側關節面接觸面積及壓強。結果術后1、3、5周，大體觀察新生軟骨組織，PRP組均好于NS組，術后5周PRP組與對照組比較，脛股關節內、外側接觸面積及壓強差異無統計學意義(P>0.05)。結論PRP可以修復受損軟骨，修復后膝關節軟骨組織的接觸面積及接觸壓力接近正常軟骨組織。

軟骨，關節；富血小板血漿；修復外科手術

膝關節軟骨損傷是臨床常見疾病，軟骨損傷后可以導致明顯的軟骨退變，引起脛股關節生物力學特性改變，導致膝關節退變。治療軟骨損傷的方法很多，重建關節軟骨的組織形態及生物力學特性是當今臨床治療關節軟骨損傷的關鍵與難點，近年來研究[1-3]發現，富血小板血漿(plateletrichplasma，PRP)可以修復關節軟骨的組織形態，但國內外對于PRP修復受損關節軟骨后其生物力學特性的研究報道很少。本研究使用自體PRP修復膝關節軟骨損傷后，對比脛股關節壓強及接觸面積的變化，進而探討軟骨損傷后經PRP修復在生物力學方面的作用。

1 材料與方法

1.1 實驗動物：3～4個月齡新西蘭大白兔24只，雌雄不限，體質量1.5～2.1kg(河北省實驗動物中心提供)。構建兔膝關節軟骨完整模型作為對照組(6個)，構建兔膝關節股骨負重區內側軟骨損傷模型，用自體PRP注入右膝作為PRP組(18個)，用生理鹽水(NS)注入左膝作為NS組(18個)。

1.2 兔自體PRP的制備：采用二次離心法制備PRP，將5mL兔耳緣動脈血制備PRP約0.5mL，兔全血血小板計數為(151.35±39.81)×109/L；本實驗制備的PRP血小板計數為(708.98±156.99)×109/L，達到4倍以上，為有效濃度。

1.3 實驗方法: 隨機選取18只實驗動物稱質量并記錄，將4.5mL鹽酸賽拉嗪注射液及2mL鹽酸氯胺酮注射液溶入100mLNS中制備全麻藥物，按2.5mL/kg耳緣靜脈注射麻醉，膝前正中切口，以髕旁內側入路切開膝關節囊，外側推動髕骨致其外側脫位，充分暴露關節內側髁，用手術刀片在內側髁負重區制造面積約2mm×3mm、厚度約3mm的軟骨缺損，不傷及軟骨下骨。PRP組關節腔內注入0.5mLPRP及50μL激活劑(葡萄糖酸鈣、牛凝血酶)，NS組關節注射NS。術后均放回籠舍正常飼養，不予制動措施，前4天肌內注射慶大霉素4萬U/d預防術后感染。術后1、3、5周空氣栓塞法處死動物，其中每個時相點各處死6只，離關節面5cm處截斷股骨和脛骨，去除多余軟組織，-20℃冰箱內標號保存備用。剩余6只兔右膝手術造成軟骨完整模型作為對照組保存備用，方法同上。

1.4 生物力學檢測：控制室溫22℃、濕度40%，標本伸直位(屈膝0°)固定于夾具上，將Prescale感壓紙(LLW，日本富士公司)放入兔膝關節，應用CSS-44020生物力學試驗機(長春試驗機研究所)，以5mm/min、最大50N的壓力行壓力試驗，至50N時保持壓力2min，使壓敏片穩定著色。取下壓敏片，著色面固定于A4打印紙上，逐一標識、記錄，共42例膝關節。采用AutoCAD軟件(中望CAD標準版)行壓敏片面積的測定，采用多線段測量不規則圖形面積，測量脛股關節內側及外側關節壓強并記錄結果，壓強結果采用富士壓力讀取器(FPD-306E和FPD-305E，日本富士公司)測定內側及外側脛股關節壓力。

2 結 果

2.1 軟骨修復大體觀察：PRP組術后1、3周缺損軟骨處可見新生軟骨組織，表面略粗糙，缺損區邊界未消失，術后5周缺損軟骨處新生軟骨組織修復完整，軟骨表面光滑有光澤，缺損區邊界消失；NS組術后1周未見明顯軟骨修復，術后3、5周仍可見軟骨缺損，中央部不平整，可見軟骨樣組織覆蓋，覆蓋組織呈白色，與損傷邊緣邊界不清，軟骨退變。

2.2 同時間脛股關節接觸面積和壓強比較：術后1、3周，PRP組、NS組內側脛股關節接觸面積均大于對照組，PRP組、NS組外側脛股關節接觸面積均小于對照組(P<0.05)；術后5周，NS組內側脛股關節接觸面積明顯大于對照組，NS組外側脛股關節接觸面積明顯小于對照組(P<0.05)；術后1、3、5周，PRP組內側脛股關節接觸面積均小于NS組，PRP組外側脛股關節接觸面積均大于NS組(P<0.05)。術后1、3、5周各組間脛股關節壓強以及各時點之間差異均無統計學意義(P>0.05)，見表1。

GroupsMedialcontactarea(mm2)1week3weeks5weeksLateralcontactarea(mm2)1week3weeks5weeksControl15．79±0．6815．79±0．6815．79±0．6815．59±0．4315．59±0．4315．59±0．43NS19．91±1．56?20．08±0．86?#21．23±2．24?12．49±0．84?12．12±0．90?11．51±1．41?PRP18．38±0．86?#17．74±0．86?#15．69±0．70#△☆13．94±0．46?#14．27±0．76?#15．33±0．53#△☆ F21．44742．04130．49739．32234．93138．006 P0．0000．0000．0000．0000．0000．000GroupsMedialpressure(MPa)1week3weeks5weeksLateralpressure(MPa)1week3weeks5weeksControl1．84±0．211．84±0．211．84±0．211．83±0．251．83±0．251．83±0．25NS1．79±0．211．85±0．332．00±0．261．98±0．311．83±0．251．77±0．22PRP1．81±0．291．89±0．321．84±0．231．91±0．241．80±0．281．85±0．26 F0．0660．0590．0490．4690．0260．175 P0．9360．9520．6350．9740．9740．841

*P<0.05vscontrol group #P<0.05vsNS group △P<0.05vs1 week ☆P<0.05vs3 weeks byqtest

3 討 論

PRP是自體血經濃集、分離后獲得的血液制品，含血小板濃度為全血的4～ 5倍，血小板經激活后能釋放出大量高濃度生長因子，可以刺激細胞增殖分化，促進軟組織修復[4]。Sun等[1]將48例兔軟骨缺損模型隨機分為2組，實驗組以PRP處理，對照組不作處理，結果提示PRP組在大體形態和組織學變化方面均顯著優于對照組，并發現PRP有刺激新生軟骨形成的作用。Saito等[2]在兔膝關節前交叉韌帶損傷(anterior cruciate ligament transection,ACLT)造模骨關節炎的研究中的發現，在兔膝關節內注射PRP顯著抑制ACLT兔模型軟骨損傷形態和組織學的發展。Milano等[3]對羊膝關節軟骨損傷后使用PRP與關節鏡下微骨折術后組織學研究顯示，從組織學方面評估，PRP組長期軟骨組織形態及結構完整性明顯優于微骨折組。本研究結果顯示，大體觀察術后5周PRP組受損軟骨處新生軟骨組織修復完整，NS組術后5周仍可見軟骨缺損，使用PRP可以修復受損軟骨，使軟骨組織修復完整，表面光滑。

膝關節作用力的傳遞借助于半月板和關節軟骨的蠕變使脛股之間的接觸面增大，從而減少了單位面積的力負荷，脛股關節間力的傳遞和應力分布與正常的半月板和關節軟骨的功能密切相關[5]。此外，膝關節在水平面的旋轉運動是以內側髁為中心，這種旋轉方式使得膝關節內側間隙易于發生退變，這也是膝關節骨關節炎病變往往以內側間隙為重，甚至出現典型的內側單間室骨關節炎和膝內翻畸形[6-7]。本研究PRP組在術后1、3、5周脛股關節內側接觸面積呈減少趨勢，說明軟骨得到修復，缺損區域填充，恢復軟骨完整，脛股關節外側接觸面積呈增加趨勢，到第5周非常接近對照組，說明關節內外側都已基本恢復正常。因此，認為PRP可以改變關節軟骨的生物力學特性。薛超等[8]研究發現正常兔膝關節在0°時其接觸面積為(30.0±5.9)mm2，而在切除內側半月板時為(13.0±2.8)mm2。而本研究有所不同，其原因為在生物力學測量時切除內外側半月板，當脛股關節中保留內側和外側半月板時，股骨壓縮到脛骨上的半月板，導致它們向四周伸展，使脛股關節的接觸面積增大，減小關節軟骨之間的接觸應力。內側軟骨損傷后短期內其退變并不嚴重，半月板的存在可以增加脛股接觸面積從而分擔軟骨受力，長期損傷后,巨大應力不均伴隨內側軟骨接觸面積增加，致使損傷區域增生，邊緣骨贅形成，使內側接觸面積進一步增加，容易導致膝內翻畸形。本研究結果也證實這一點，NS組術后1、3、5周內側軟骨接觸面積增加，缺損區域增加，輕度骨贅形成；而PRP組術后5周缺損區域被新生軟骨組織替代，邊緣光滑有光澤，內、外側接觸面積與對照組相似。

Gushue等[9]分析了正常兔膝關節生物力學的特點，發現兔關節運動時接觸壓力峰值內側脛股關節要高于外側脛股關節。本研究結果也發現內側接觸壓力要大于外側接觸壓力，但是差別不明顯。原因可能是本研究標本是尸體，其加載的壓力是恒定的，并且壓力為其3倍體質量以模仿動物行走時膝關節所承受負荷。對同時間內外側脛股關節接觸面積和壓強比較的統計結果顯示，術后1、3、5周，PRP組、NS組與對照組兩兩比較內外側脛股關節壓強，差異均無統計學意義，原因可能是加載于標本上的應力為超負荷應力，即為動物體質量3倍以上，此時內外側壓力都超過軟骨形變范圍，致使壓力分布無明顯差別。對于不同時間點內外側脛股關節接觸面積和壓強比較，術后5周，PRP組內側接觸面積逐漸減小，外側接觸面積逐漸增大，而NS組外側脛股關節壓強的比較雖無統計學意義，但術后5周有趨勢小于1周及3周，我們認為軟骨損傷后會導致關節面的生物力學改變。關節面局部的應力集中可致關節軟骨的病損，關節面的接觸壓降低和失去接觸也會導致軟骨的退變。由于軟骨面的退變導致的軟骨厚度的喪失還可導致正常軟骨面的應力重新分布，導致整個軟骨損傷的擴展。這說明關節軟骨損傷后沒有進行有效治療，其長期影響會改變關節內生物力學特性。也可能觀察例數太少，有待今后擴大例數進一步研究。

本研究提示PRP對兔關節軟骨組織形態的修復有積極促進作用，新生軟骨組織的接觸面積及接觸壓力接近正常膝關節軟骨組織，這為臨床應用PRP治療軟骨損傷提供了實驗依據。

[1] SUN Y,FENG Y,ZHANG CQ,et al.The regenerative effect of platelet-rich plasma on healing in large osteochondral defects[J].Int Orthop,2010,34(4):589-597.

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(本文編輯：許卓文)

BIOMECHANICALSTUDYONPLATELET-RICHPLASMAINREPAIROFARTICULARCARTILAGE

DONGHaipeng，GAOShijun*，DOUYan，ZHENGXiaozuo，ZUOBaijun
(SecondDepartmentofJoint,theThirdHospitalofHebeiMedicalUniversity,HebeiOrthopaedicBiomechanicsLaboratory,Shijiazhuang050051,China)

ObjectiveTostudythebiomechaniccharacteristicsofkneejointaftercartilagerepairingwithplatelet-richplasma(PRP).MethodsThemodelsofcartilageinjuryonweight-bearingareainthemedialfemoralwereconstructed,andwererespectivelyrepairedbyPRPandnormalsaline(NS).Theuninjuredcartilageswereregardedascontrolgroup.Therepairofinjuredcartilagewereexamined,andthemedialandlateralcontactareaandpressureofthekneejointwererecorded1,3,5weekspostoperatively.ResultsThenewlyrepairedcartilagewasobservedinPRPgroup,andthereparativeeffectwasbetterthantheNSgroup1,3,5weekspostoperatively.TherewerenosignificantdifferenceinthefieldsofthecontactareaandpressureofthemedialandlateralthetibiofemoraljointfiveweeksafteroperationbetweenthePRPgroupandthecontrolgroup(P>0.05).ConclusionThePRPwasapotentialfactorforrepairinginjuredcartilage.ThecontactareaandpressureofthekneejointafterrepairbyPRPweresimilartothenormalcartilage.

cartilage,articular；plateletrichplasma;reconstructivesurgicalprocedures

2013-11-18；

2013-12-17

董海鵬(1984-)，男，河北石家莊人，河北醫科大學第三醫院醫學碩士研究生，從事關節外科疾病診治研究。

*通訊作者。E-mail:gaoshijun@126.com

R327.72

A

1007-3205(2014)06-0635-04

10.3969/j.issn.1007-3205.2014.06.006