前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤导致膝关节不稳定,严重影响膝关节功能,主要采用ACL重建手术治疗,是运动医学领域研究的热点。ACL重建移植物包括自体移植物、异体移植物和人工韧带。早期的人工韧带失败率太高而被临床淘汰。由于自体和异体移植物重建ACL都存在各自的弊端,近年来人工韧带重新受到关注。临床上应用经过改良设计的聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)人工韧带重建ACL逐渐增多,但术后超过两年的疗效和安全性研究尚不多。ACL重建术后动态膝关节旋转稳定性评价是衡量ACL重建术疗效的重要内容,通常采用三维步态分析技术或X光立体摄影技术来评价。前者比较成熟,后者设备昂贵,国内极少单位使用。目前临床应用PET人工韧带还存在一定缺陷：人工韧带两端骨隧道部分依靠挤压螺钉维持韧带固定,韧带骨道部分受螺钉挤压导致腱骨愈合受到影响；材料的生物相容性欠佳,成纤维细胞在人工韧带关节内游离纤维部分的表面粘附很少,分布不均匀,细胞增殖能力差,细胞外胶原纤维在人工韧带内分布不均匀,是导致人工韧带失败的主要原因之一。当前的基础研究开始注重改进PET人工韧带材料的生物相容性,但还没有能满足临床实践需要的有效方法。本研究是我们863和973纳米化人工韧带研究课题的一部分内容,拟观察PET人工韧带材料表面经纳米技术修饰后,PET材料的生物相容性能否提高,从而有助于提高人工韧带的远期疗效呢?为了解目前PET人工韧带移植后的真实情况,本研究对国内多家骨科运动医学临床中心实施的LARS人工韧带重建ACL术后患者进行3-5年临床随访,评价其临床疗效,分析其失败原因,有针对性地开展相关研究；同时,采用三维步态分析技术,定量评价LARS人工韧带重建ACL术后患者的动态膝关节旋转稳定性,并与自体胭绳肌腱移植重建ACL术后患者比较,探讨人工韧带重建的可靠性；同时对PET人工韧带材料进行纳米化处理,观察人骨髓基质干细胞在经过透明质酸、壳聚糖纳米自组装涂层、以及纳米羟基磷灰石涂层表面处理的PET人工韧带材料上的粘附、增殖和分化能力。为进一步深入研究打下基础,提供参考。本研究包括以下三个部分：第一部分LARS人工韧带重建前交叉韧带多中心临床研究目的多中心临床研究评价LARS (Ligament Advanced Reinforcement System, LARS)人工韧带重建前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)术后3-5年的临床疗效。方法对国内四家大学附属医院的骨科运动医学临床中心,从2004年8月到2006年7月间,使用LARS人工韧带重建ACL的159个病例进行回顾性临床研究,所选手术患者均保留ACL残端,施行人工韧带ACL重建术。从ACL损伤到接受重建手术的时间平均为5个月。术后平均随访50个月(36-62个月)。疗效评价包括：采用Lachman试验、轴移试验、KT-1000关节动度计评价膝关节稳定性；采用Lysholm评分、Tegner评分、IKDC评分,进行膝关节功能主客观评分；采用MRI和X线片影像学评价膝关节滑膜炎和骨隧道扩大发生；通过评价患者术后恢复运动的时间,了解患者对疗效的主观满意度；对其中68例患者进行Biodex等速肌力测定,以评价股四头肌力和胭绳肌力恢复情况。结果最终随访时,KT-1000关节动度计测试的结果是侧-侧比较,胫骨前移差值为1.5±1.6mm,膝关节稳定性较术前明显改善(p<.0001)。Lysholm评分由术前65.1±12.3分提高到最后随访时的94.5±7.0分(p<.0001); Tegner运动评分,由术前的3.1±1.6提高到随访时的6.1±1.5(p<.0001),恢复到不受限制运动的时间为术后5.2±1.1月；IKDC评分,正常或几乎正常(A或B)的比例为94%。有80例患者发生不同程度骨隧道扩大,骨道扩大发生率为51%。主观满意度：81%患者非常满意(127/156),12%患者满意(18/156),不满意者为4%(7/156),非常不满意为3%(4/156)。68例患者股四头肌峰力矩患侧占健侧下肢的百分比为93.6±10.7,等速胭绳肌峰力矩患侧占健侧下肢的百分比为95.8±12.0。与LARS人工韧带重建术直接相关的失败病例11例,失败率为7%,其中3例为固定螺钉松动,4例因为定位错误导致关节松动,3例为LARS人工韧带关节内断裂,伴1例膝关节滑膜炎,1例韧带残端处理不当。结论对于保留有ACL残端的急性和慢性ACL损伤病例应用LARS人工韧带重建ACL,术后随访50个月的主观和客观临床疗效尚好,骨道扩大发生率为51%。术后4年的失败率为7%,包括了螺钉松动、韧带断裂等。LARS人工韧带两端与骨隧道之间愈合不够牢固。临床相关提示,必须探索促进骨组织PET人工韧带两端愈合的有效方法。第二部分LARS人工韧带重建前交叉韧带术后膝关节稳定性的三维步态分析目的评价并比较LARS人工韧带和自体腘绳肌腱移植重建ACL术后,患者在步行状态下的动态膝关节旋转稳定性和步态结果。方法LARS人工韧带和自体腘绳肌腱(HT)移植重建ACL术后1年以上已经恢复运动的患者各8例,正常对照8名。在步态分析实验室,应用装置8台高速红外摄像机的Vicon三维步态分析系统和测力台,采集实验对象步行时的运动学和动力学数据。分别采集每位实验对象在正常速度步行时3次符合要求的测试数据,取平均值,作为每位实验对象的结果。应用Visual 3D软件对采集的运动学和动力学数据进行分析。步态分析指标：运动学,包括时间-距离参数：步速、步长,患侧下肢的站立期时间占步态周期时间的百分比；患侧膝关节屈伸和旋转角度；步态动力学指标：患侧下肢矢状面垂直地面反作用力,并与正常对照组比较。结果步速、步长、步频,站立期时间占步态周期的百分比,LARS组、HT组与对照组比较,差异无统计学意义(p>0.05)。站立期的矢状面膝关节角度：足跟着地时的屈膝角度,LARS组、HT组和对照组分别为3.0±1.4度、2.8±1.6度和2.74±2.1度；站立期最大屈膝角度和最小屈膝角度,LARS组、HT组、对照组分别为：33.2±9.6度和7.0±3.1度,33.5±10.8度和7.7±3.8度,32.8±5.7度和7.2±3.4度；三组间比较,差异无统计学意义(p>0.05)。膝关节最大内旋角度,LARS组、HT组和对照组分别为6.2±1.6度、5.8±1.3度和5.2±1.8,三组间差异无统计学意义(p>0.05)。膝关节最大外旋角度,LARS组、HT组和对照组分别为7.8+1.1度、8.2±1.4度和5.6±1.9度,HT组和LARS组均显著大于对照组(p<0.001)；HT组和LARS组比较,组间差异无统计学意义(p>0.05)。动力学,三组的矢状面垂直地面反作用力均呈正常的M形曲线；地面反作用力第1峰值,LARS组、HT组和对照组分别为120.8±15.3、119.7±12.8和121.1±19.0；地面反作用力谷值,LARS组、HT组和对照组分别为73.0±12.9、72.6±13.7和68.9±13.0；地面反作用力第2峰值,站立中期力的变化,地面反作用力达到第1峰值的时间,LARS组、HT组和对照组间的差异均无统计学意义(p>0.05)。结论LARS人工韧带重建和自体HT移植单束重建ACL术后1年步行时的时间-距离参数和矢状面垂直地面反作用力恢复至正常水平。步行时的矢状面膝关节活动度恢复正常,但2组患者的水平面膝关节旋转稳定性未恢复到正常水平。第三部分PET韧带材料纳米化对骨髓基质干细胞黏附、增殖以及分化影响的实验研究目的观察人骨髓基质干细胞(human Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells, hBMSCs)在经过表面纳米化处理的PET材料表面的黏附、增殖及成骨分化的能力。方法观察hBMSCs在以下3组PET膜片上的粘附、增殖和分化：PET膜片表面经壳聚糖、透明质酸纳米自组装涂层处理(LBL组)；PET膜片表面经壳聚糖、透明质酸纳米自组装涂层处理后,表面再加纳米羟基磷灰石涂层(HA组),PET膜片未经表面处理(PET组)。扫描电镜(SEM)观察hBMSCs在材料上培养24小时和7天时的细胞形态。检测hBMSCs培养7天后的增殖和碱性磷酸酶(ALP)活性。Real Time PCR检测培养3天时hBMSCs的整合素β1 mRNA表达。结果电镜下hBMSCs在纳米羟基磷灰石和透明质酸、壳聚糖涂层的PET表面能更好地伸展和黏附,形态明显优于普通PET组。培养7天的细胞增殖、ALP活性定量,HA组和LBL组均显著高于PET组(p<0.001)。HA组细胞增殖,显著高于LBL组(p=0.01)。HA组的ALP活性,显著高于LBL组(p<.001)。hBMSC培养3天的整合素β1 mRNA表达,HA组和LBL组显著高于PET组(p<.001)；HA组显著高于LBL组(p=.003)。结论PET表面经壳聚糖、透明质酸纳米自组装涂层和纳米羟基磷灰石涂层处理后,能明显促进人hBMSCs在PET膜表面的粘附、增殖和分化。纳米羟基磷灰石涂层的作用最明显。