兔膝關(guān)節(jié)力學(xué)有限元分析及軟骨缺損模型的建立

檀臻煒，汪丙昂，姚一民，陳家磊，段 鑫，劉 明，項 舟

關(guān)節(jié)運動或靜止負(fù)重過程中所受到的機械負(fù)荷，對于軟骨組織的功能表達十分重要，軟骨細(xì)胞的力學(xué)感應(yīng)性不同，其能夠識別和響應(yīng)不同程度的信號刺激，并差異性地調(diào)控軟骨功能[1]，因此，對關(guān)節(jié)軟骨不同負(fù)重部位進行生物力學(xué)分析，對于關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)和再生有著重要意義。隨著計算機技術(shù)和影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有限元技術(shù)成為研究膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性的有效手段。本研究擬借助于micro CT掃描兔膝關(guān)節(jié)，然后建立兔膝關(guān)節(jié)的有限元模型，重點比較股骨髁后部、股骨髁前部和股骨滑車部的負(fù)重受力分布，為建立不同負(fù)重部位軟骨缺損模型提供生物力學(xué)依據(jù)，并通過動物實驗嘗試建立不同負(fù)重部位軟骨缺損的動物模型。

1 材料與方法

1.1 實驗動物 新西蘭大白兔8只，由四川大學(xué)動物實驗中心提供，實驗動物生產(chǎn)許可證號為SCXK(川)2016-0015，使用許可證號為 SCXK(川)2016-0017。

1.2 膝關(guān)節(jié)股骨側(cè)3D數(shù)字模型建立 采用空氣耳背靜脈內(nèi)注射法處死實驗兔，離斷兔髖膝關(guān)節(jié)，取膝關(guān)節(jié)股骨側(cè)，采用Micro CT顯微成像系統(tǒng)（瑞士Scanco Medical AG公司，型號：Viva CT 80）進行Micro CT掃描，圖像保存為Dicom格式，導(dǎo)入醫(yī)學(xué)軟件Mimics17.0進行前期處理，在無損壓縮中得到兔膝關(guān)節(jié)的三視圖，然后選擇黃色的部分作為后面有限元分析的原始圖（圖1），計算黃色部分的3D屬性并記錄結(jié)果。

1.3 模型表面優(yōu)化和搭建體網(wǎng)格 完成對模型的三維計算后，為了保證模型表面的光滑，避免在有限元分析中發(fā)生局域上不可分析的錯誤，選擇軟件工具欄中的wrap功能進一步優(yōu)化模型。然后將模型復(fù)制進入3-matic中做進一步的加工處理生成體網(wǎng)格（圖 2）。

1.4 模型參數(shù)賦值 根據(jù)文獻參考[5-6]，設(shè)置膝關(guān)節(jié)總體載荷為80 N，并施加于豎直方向，骨密度為1200 kg/m3，它的彈性模量為165 GPa，泊松比為0.3。然后將其以cdb格式輸出為Ansys可以識別的有限元格點的模型輸出。

1.5 建立模型軟骨應(yīng)力云圖 將Mimics導(dǎo)出的cdb格式文件導(dǎo)入Ansys19.0（APDL）軟件,設(shè)置問題的解決類型中選擇“靜力學(xué)（static）”方案,添加載荷以及約束條件，在Solution中選擇Solve并完成分析之后，Ansys19會生成結(jié)果文件，讀取該文件并在畫圖欄中選取畫出第一主應(yīng)力圖，即得軟骨應(yīng)力云圖。

圖1 Mimics軟件生成的膝關(guān)節(jié)股骨側(cè)立體圖像及其三視圖

圖2 模型導(dǎo)入3-matic后加工生成的體網(wǎng)格

1.6 兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損模型建立 將成年新西蘭大白兔以3%戊巴比妥鈉(35 mg/kg)耳緣靜脈麻醉，仰臥位置于動物手術(shù)臺上并固定四肢，注意四肢固定不宜過緊，方便術(shù)中活動膝關(guān)節(jié)及改換體位。剪去雙膝關(guān)節(jié)術(shù)區(qū)毛發(fā)，常規(guī)碘伏消毒、鋪巾，行5.0 cm大小的膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)切口。切開皮膚后，通過前內(nèi)側(cè)切口并彎曲膝關(guān)節(jié)，使髕骨朝外端脫位，從而使股骨滑車部和股骨髁前部軟骨暴露在外。使用克氏針（2 mm）進行定位，然后再使用鉆頭（3 mm）建立關(guān)節(jié)軟骨缺損（深約 3 mm），髕骨復(fù)位。取同一皮膚切口內(nèi)的后內(nèi)側(cè)入路[2]，顯露由脛側(cè)副韌帶、半腱肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭構(gòu)成的三角形區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)切開關(guān)節(jié)囊并將膝關(guān)節(jié)置于伸直位，同時用手術(shù)刀柄將切口后方組織壓向?qū)?cè)，可見股骨髁后部軟骨面完全暴露，同樣建立股骨髁后部的軟骨缺損。生理鹽水沖洗術(shù)區(qū)后依次縫合傷口；術(shù)后3 d每天肌注20萬U青霉素鈉，不予制動，單籠常規(guī)飼養(yǎng)，定期觀察傷口情況和步態(tài)及精神狀態(tài)、進食、雙下肢活動情況。

2 結(jié)果

2.1 軟骨應(yīng)力云圖 根據(jù)軟骨應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，在兔膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)髁后部中的應(yīng)力最大（約7.67 MPa）；對比股骨髁后部、股骨髁前部及股骨滑車部位這3個區(qū)域的軟骨應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，以應(yīng)力最大的股骨髁后部為100%的話，股骨髁前部及股骨滑車部位的應(yīng)力僅為股骨髁后部應(yīng)力的62%和24%（表1），與Li等[3]關(guān)于兔膝關(guān)節(jié)負(fù)重與非負(fù)重部位比較及結(jié)構(gòu)定量分析的的實驗結(jié)果近似（圖3）。

表1 股骨髁后部、股骨髁前部及股骨滑車部位的軟骨應(yīng)力比較

2.2 兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損模型建立結(jié)果 通過后內(nèi)側(cè)入路即可清楚顯露股骨髁后部關(guān)節(jié)軟骨,并建立完全負(fù)重部位的軟骨缺損模型（圖4）。通過常規(guī)前內(nèi)切口即可顯露兔膝關(guān)節(jié)股骨滑車和股骨髁前部的關(guān)節(jié)軟骨，并進行不完全負(fù)重部位軟骨缺損的建立（圖5）。術(shù)后觀察實驗兔精神、進食、活動均良好，手術(shù)切口均無紅腫、局部化膿等炎癥表現(xiàn)，約1 w后切口基本完全愈合，術(shù)后2～3 w跛行步態(tài)基本消失，顯示此手術(shù)入路并未傷及實驗兔重要神經(jīng)和血管，手術(shù)創(chuàng)傷在可控范圍內(nèi)。

圖3 實驗兔膝關(guān)節(jié)負(fù)重部位分布[6]

圖4 實驗兔股骨髁后部軟骨的顯露

3 討論

3.1 三維有限元法分析兔膝關(guān)節(jié)軟骨應(yīng)力分布膝關(guān)節(jié)有限元分析是基于有限元素法建立的，是用于力學(xué)計算的一種數(shù)值分析方法，可以對模型的各個組成部分賦予材料屬性、施加約束條件和設(shè)定數(shù)值，并可進行相關(guān)分析[4]。有限元技術(shù)將CT或MRI得到的連續(xù)骨骼斷層圖像輸入計算機，經(jīng)圖像處理和軟件處理后，在計算機中建立三維結(jié)構(gòu)和力學(xué)云圖，對該模型附加各種力的作用使，其更接近真實的物理環(huán)境[5]。本實驗采用Micro CT掃描兔膝關(guān)節(jié)的股骨圖像后，通過圖像處理和賦予材料力學(xué)屬性后得到整個膝關(guān)節(jié)股骨側(cè)的軟骨力學(xué)分布云圖及不同部位負(fù)重的力學(xué)分布，再次證實兔膝關(guān)節(jié)負(fù)重最多的部位是位于股骨髁后部，而非股骨髁前部和滑車部位[6]。

圖5 實驗兔膝關(guān)節(jié)股骨滑車和股骨髁前部軟骨缺損的建立

雖然該有限元模型具有成本低、可重復(fù)研究、數(shù)據(jù)源便于采集、無樣本差異影響結(jié)果等優(yōu)點，但也存在以下局限性：省略了家兔膝關(guān)節(jié)更細(xì)致的受力分析，80 N這個數(shù)值比較粗糙，很可能有比較大的誤差（但得到的生物力學(xué)結(jié)果與以往的類似研究[7]之間符合得比較好）；難以模擬出生物體動態(tài)的力學(xué)變化以及更細(xì)微的生物力學(xué)機制，僅能對實驗兔膝關(guān)節(jié)的匍匐常態(tài)進行力學(xué)分析；在Mimics中的有限元體網(wǎng)格分割中，三角形分割得不夠細(xì)致，導(dǎo)致后面在Ansys19中的求解中會存在較大的誤差的可能。

3.2 軟骨損傷動物模型的選擇和建立標(biāo)準(zhǔn) 相對比于小型模型動物如鼠的關(guān)節(jié)面小、軟骨層極薄及不利于軟骨缺損的建立修復(fù)[8]，以及大型模型動物如犬豬羊的體積大、成本高、實驗操作不便[9-10]等缺點，新西蘭大白兔被廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)軟骨缺損動物實驗?zāi)Ｐ偷慕11]。實驗兔軟骨缺損模型制備方式眾多，單純手術(shù)破壞兔膝關(guān)節(jié)血循環(huán)、切除半月板、前后交叉韌帶、軟骨碎片（微粒）置入關(guān)節(jié)腔內(nèi)等方法的成模時間較長，且不適合生物工程軟骨的植入[12]，因此，本實驗選擇手術(shù)鉆孔直接造成軟骨缺損的方式。通常認(rèn)為軟骨缺損直徑小于3 mm、深度未達到軟骨下骨的軟骨缺損模型，在制模6 w后軟骨缺損可獲得自體的部分或全部修復(fù)[13]。因此，本實驗軟骨缺損模型建立也采用全層關(guān)節(jié)軟骨-軟骨下骨缺損（深約 3 mm、直徑約3 mm）。

3.3 兔膝關(guān)節(jié)不同負(fù)重部位軟骨缺損實體模型的建立 目前在構(gòu)建兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損動物模型時，國內(nèi)外大多采用膝前內(nèi)側(cè)的手術(shù)入路和構(gòu)建股骨髁前部或股骨滑車的軟骨缺損部位[14]，但兔膝關(guān)節(jié)長期處于高屈曲狀態(tài)負(fù)重，因此，股骨髁前部和股骨滑車部位并非兔的主要負(fù)重區(qū)。Tochigi等[6]對兔的生活和運動規(guī)律研究結(jié)果顯示，兔膝關(guān)節(jié)軟骨主要負(fù)重區(qū)的范圍位于股骨髁后部。筆者通過同一皮膚切口內(nèi)的兩個不同軟組織窗口，可以同時顯露不同負(fù)重部位的股骨髁前部、滑車部和股骨髁后部軟骨，通過膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)切口的前內(nèi)側(cè)入路顯露并切開內(nèi)側(cè)髕韌帶和闊筋膜張肌擴張部及前內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)囊，外翻髕骨并屈曲膝關(guān)節(jié)，即可充分暴露股骨滑車和股骨髁前部，即可清楚顯露并制造兔膝關(guān)節(jié)不完全負(fù)重部位股骨滑車和股骨髁前部的軟骨缺損模型；通過內(nèi)側(cè)切口的后內(nèi)側(cè)入路即可清楚顯露股骨髁后部并造完全負(fù)重部位的軟骨缺損模型。本實驗建立了一個能在實驗兔膝關(guān)節(jié)不同負(fù)重區(qū)構(gòu)建軟骨缺損的安全手術(shù)入路，并在活體實驗兔上成功進行了膝不同負(fù)重部位軟骨的顯露和缺損的構(gòu)建，手術(shù)后實驗兔的生活、運動狀態(tài)良好，未出現(xiàn)實驗動物死亡及肢體殘疾或壞死，表明動物模型成功建立。

本研究成功建立了實驗兔膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型，并通過軟骨受力云圖比較了股骨髁后部、股骨髁前部和股骨滑車部的負(fù)重受力差異，為建立不同負(fù)重部位軟骨缺損模型提供了生物力學(xué)依據(jù)。并通過動物實驗成功建立不同負(fù)重部位軟骨缺損的動物模型，為進一步的軟骨組織工程修復(fù)奠定了良好的基礎(chǔ)。