1. 引言
韧带(如图1)是连接关节两骨或软骨的一种致密、高度有序的组织[1]。而在膝关节腔的韧带称为膝关节交叉韧带，主要分为前交叉韧带(Anterior cruciate ligament, ACL)和后交叉韧带(Posterior cruciate ligament, PCL)，是膝关节能多自由度运动的稳定结构。但随着健身产业和体育运动的发展，韧带损伤发生率有逐年增加的趋势[2]。而在两条韧带中ACL是最容易受损伤的，ACL损伤后，其对胫骨的控制和本体感受器作用随之下降，继而发生膝关节不稳定，常继发半月板损伤和关节软骨磨损，最终导致膝关节骨关节炎[3]-[5]。同时，ACL损伤的患者多为年轻人，这导致了其运动能力明显下降，甚至严重影响患者日常生活，造成巨大的经济损失和沉重的社会负担。由于关节腔特殊的生理环境以及自身再生能力有限，ACL缝合修复效果很差，无法满足术后功能需求[6]，但，ACL重建却取得良好的效果。
目前，在ACL的重建治疗中，常使用的材料主要包括聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等[8]-[10]。这些材料都具备良好的力学性能，此外，这些材料都具备良好的生物活性，在医学骨移植领域具有广泛的应用。而在目前的ACL重建治疗中，常用的治疗方式是采用LARS韧带替代人体前交叉韧带，并采用界面螺钉对LARS韧带进行固定，该方式固定的人工韧带存在松弛的风险，因为界面螺钉是通过挤压作用来进行固定的，长时间的使用交叉韧带可能会使得界面螺钉与骨骼出现磨损情况，使得界面螺钉的挤压作用降低，同时，界面螺钉也会与人工韧带之间产生磨损效应，这将存在缩短人工韧带的风险。当再次进行ACL重建时，则需要更大直径的螺钉进行增压作用，长此以往，将会使得骨骼孔径逐渐增大，最终引起骨骼破裂，从而增加患者损伤部位，加剧肢体功能的受影响程度[10]-[13]。其次界面螺钉固定需要对股骨进行洞穿处理，该操作在一定程度上将加剧对股骨的损伤甚至破坏的风险，骨骼的洞穿意味着骨骼将出现空心结构，再加上界面螺钉的挤压作用，对年龄较大的患者，这可能会对骨骼带来无法修复性的损伤[14]-[16]。
对此，本文设计出一种LARS韧带/PEEK嵌合体，该嵌合体以普通骨钉为基础原型进行设计，骨钉具备固定、连接作用。其固定的方式主要在于螺纹的锁紧作用，对骨骼的挤压作用相对较弱，对骨骼的伤害降低。此外，其钉头固定一端不需对骨骼进行洞穿处理，避免骨骼出现空心结构，有助于降低年老患者的ACL重建的风险。此外，在ACL重建中，该结构可以降低手术的复杂程度，为手术节省一定的时间，增加手术成功的可能性。该嵌合体的制作是通过浇铸工艺将PEEK与PET浇铸成型，再通过车削机床的作用，将嵌合体加工成具有螺纹结构的嵌合体钉结构。最后对其力学性能、浸润性、形貌特征进行表征，初步检验其性能是否满足应用于人体，为后来者提供相关研究依据。
Figure 1. Anatomical diagram of the anterior cruciate ligament [7]
图1. 前交叉韧带刨析图[7]
2. 实验部分
2.1. 实验试剂及原料
相关实验试剂及原料见表1。
Table 1. Reagents and materials
表1. 试剂及原料
材料名称 |
简称 |
规格 |
生产厂商 |
聚醚醚酮 |
PEEK |
99% (wt.%) |
常州德毅新材料有限公司 |
聚对苯二甲酸乙二醇酯线材 |
PET |
99% (wt.%) |
青岛鸿利线业有限公司 |
聚对苯二甲酸乙二醇酯母料 |
PET |
99% (wt.%) |
惠州市庭凯塑料有限公司 |
2.2. 嵌合体制作
1) PEEK嵌合体制作
LARS韧带/PEEK嵌合体制备(如图2(A))：称量25 g PEEK放入坩埚中，然后将坩埚放入360℃的马弗炉中静置20分钟，等待PEEK熔融；在此期间将40 mm长度、内径18 mm、外径22 mm的钢管上模合模，采用铜丝进行固定，并垂直放置于带有10 mm孔洞的钢板底模上，使得孔洞中心与钢管中轴线对齐，再将4根(每根3股)束陇的PET纤维线穿过底板孔径，并于钢管中轴线重合，使得PET纤维线在浇铸后能位于嵌合体的中心位置。最后，把熔融的PEEK树脂从钢管的上口处浇铸入钢管内，在浇铸过程中还需要保证PET纤维线处于垂直状态。后续以类似的方法进行嵌合体的制备，但需要改变PET纤维线的根数，分别需制作4、8、12、16根的LARS韧带PEEK嵌合体，以此研究不同数量的PET纤维线对PEEK嵌合体性能的影响。
2) PET嵌合体制作
首先称取PET母料25 g置于坩埚中，再将坩埚放入300℃的马弗炉中静置20分钟，在此期间，将40 mm对半钢管相互平行放置，凹口朝上，两边开口分别用光滑钢块堵住。待树脂完全熔融后，将树脂浇铸于对开模内，然后迅速将特定根数的PET平行铺设在未冷却的树脂上，最后迅速合模，使得PET纤维线嵌入PET树脂内，制备出LARS韧带/PET嵌合体。并重复以上步骤，制备出4根、8根、12根、16根的嵌合体，以此研究不同数量的PET纤维线对PET嵌合体性能的影响。具体实验条件见表2所示。
3) 车削加工
首先将多余的PET纤维线进行修剪，然后将嵌合体放入夹具中固定，最后开机按照设计尺寸进行车削加工。在车削加工时，先将嵌合体加工螺纹的部分车削成10.5 mm的光滑圆柱体，然后对底部进行倒锥角，最后停机更换车削刀为螺纹刀进行螺纹加工，完成嵌合体的制作。
Table 2. Linear density of different PET fibers
表2. 不同PET纤维线数
样品编号 |
PET纤维线数(根) |
PET树脂质量(g) |
树脂加温温度(℃) |
树脂加温时间(min) |
1 |
4 |
25 |
300 |
20 |
2 |
8 |
25 |
300 |
20 |
3 |
12 |
25 |
300 |
20 |
4 |
16 |
25 |
300 |
20 |
3. 测试与表征
3.1. DSC检测
实验采用北京恒久科学仪器厂生产的同步热分析仪(STA449F3)进行检测，其温度范围在25℃~1550℃、升温速率为1℃/min~50℃/min。在氮气氛围内，以一定的吹扫气流速条件，从35℃开始以5℃/min的升温速率升温至380℃，恒温1 min，再以10℃/min降温到35℃，记录PEEK的DSC曲线图。
3.2. 力学性能测试
采用深圳三思纵横科技股份有限公司的UTM5105X型电子万能试验机进行测试，选取PET纤维线数为4、8、12、16四个样品组进行测试，用万能试验机，嵌合体上端30 mm处，被上端夹具夹住，该固定的方式是模拟人体前交叉韧带的长度设定的。最后，设置万能试验机拉伸速度为2 mm/min进行实验。
3.3. 扫描电镜检测
分别选取一个4、8、12、16根PET纤维线的嵌合体，先将其放入液氮内静置20分钟，用铁锤敲击使其破碎，选择其中与PET纤维线相接触的并满足扫描电镜标样大小的碎片，将其放入样品袋中，采用日本生产的JSM-7800-FFESEM场发射扫描电镜放大200倍进行断裂嵌合体形貌分析，夹取少许固体样品平铺于导电胶上，轻压牢固，经2次喷金处理后将样品放置在样品台上进行观察。
4. 结果与分析
4.1. PEEK熔融温度分析
采用Origin 2019b 64Bit软件对PEEK的DSC数据进行分析，并绘制曲线谱图(如图2(B))，为PEEK的吸热峰，从中可以看出该PEEK树脂的熔点为321℃，其熔融温度在340℃左右，与厂家提供的熔融温度相符。
Figure 2. (A) Schematic diagram of chimeric construct fabrication; (B) Analysis of DSC curves; (C) Surface structure of the chimeric construct; (D) Schematic of interface between chimeric construct end face and PET fiber; (E) Schematic diagram of chimeric construct turning process; (F) Post-tensile morphology of chimeric construct; (G) Morphology of chimeric construct with 8 PET fibers at 5-day embedding interval; (H) Error analysis of tensile strength measurements; (I) Fracture surface morphology of chimeric construct; (J) The serial numbers 1, 2, 3, and 4 correspond to the cross-sectional scanning images of fiber mosaic structures with 4, 8, 12, and 16 fiber strands, respectively
图2. (A) 嵌合体加工示意图；(B) DSC曲线分析；(C) 嵌合体表面；(D) 嵌合体端面与PET纤维线结合情况；(E) 嵌合体车削图；(F) 拉伸后的嵌合体状况；(G) 相隔5天PET纤维线数为8的嵌合体；(H) 拉力误差分析；(I) 嵌合体断裂表面；(J) 序号1、2、3、4分别对应4、8、12、16条纤维线嵌合体断面扫描图
4.2. 嵌合体制作实验分析
1) PEEK嵌合体制作
根据PEEK嵌合体的制作方法进行实验发现最终实验结果较差，原因在于PEEK在室温下冷却较快，流动性较差，在进行树脂浇铸时，PEEK在浇铸口处快速冷却，从而导致浇铸口堵塞，树脂无法向下继续填充。最终导致实验失败。
2) 实验方案一
改变竖向浇铸的方式，采用横向浇铸的方式，首先采用光滑的两个钢块堵住对半钢管两边的开口处，防止在浇铸时使得树脂从钢管模内流出，然后将熔融PEEK迅速浇铸入两半钢管模，再将PET纤维线迅速铺设于PEEK树脂上，最后迅速合模。该方法改进钢管浇铸口过小的问题，使得PEEK能迅速充满模具。
根据改进方案实验出现新的问题。浇铸完树脂后，铺设PET纤维线时发现PEEK的表面已经冷却，PET纤维线无法被PEEK树脂浸润，且被PEEK冷却形成的薄膜阻隔于外，而强行合模时发现，两半模具无法合模，树脂已经局部固化。
3) 实验方案二
针对改进后出现的问题，本文采用更高的温度进行实验，分别设置370℃、380℃、390℃、400℃进行实验。希望找到一个温度使得树脂流动性增强，冷却时间延长。
再次改进发现不同温度对其流动性以及冷却时间有一定的影响，但将PET纤维线放入PEEK中发现PET被迅速熔断直接导致实验失败。对此，提出了两点改进措施：(1) 对PEEK进行改性处理，降低其熔融温度的同时改变其流动性以及延长冷却时间；(2) 尝试在PET纤维线上加上阻热涂层，使得PET纤维线能够承受加热后的PEEK温度。但因为各种实验设备及材料限制，无法再进行改进操作。对此分析认为现有的PEEK100以及PET纤维线无法满足LARS韧带PEEK嵌合体的制作。因此本文采用更直接的方法进行实验，即更换现有的PEEK100为PET树脂进行实验。该树脂与PET纤维线为同种物质，其熔融后与PET纤维线结合不会使得PET纤维线迅速熔断；同时相对与PEEK，PET树脂的流动性更好，冷却时间更长，为铺放PET纤维线以及合模提供足够的时间。
4) PET嵌合体制备
根据PET嵌合体的制作方法进行实验，LARS韧带/PET嵌合体成功地制作出来，但是，在嵌合体表面存在大量的凹痕(如图2(C))，这是因为模具内部表面不够光滑导致。
此外，在嵌合体与PET纤维线交接处出现界面结合较差的现象(如图2(D))，这是因为堵住端口的铁块温度较低，所以当浇铸树脂时，接触铁块的树脂会迅速冷却从而无法对PET纤维线进行有效浸润。
5) PET嵌合体车削加工
对嵌合体进行车削加工时，顺利将嵌合体车削为10.5 mm直径的光滑圆柱体，但在更换螺纹刀加工时，10.5 mm的圆柱体出现破裂，圆柱体内部出现较大空隙以及PET纤维线裸露出来(如图2(E))。这是因为该嵌合体的制作为手工制作工艺，在铺设PET纤维线时较难将其进行束缚，PET纤维线之间会出现空隙，而在浇铸PET树脂时，树脂未流入空隙内就已冷却，在螺纹刀的作用下，因为这些缺陷的存在使得嵌合体被破坏。最终导致无法制备出具备骨钉螺纹结构的嵌合体。
4.3. 拉伸力学性能分析
为4组20个样品的拉伸极限力，从表中可以看出，4、8条PET纤维线组的嵌合体的极限拉力相对较为平缓，而12、16条PET纤维线组的嵌合体其极限拉力相对起伏较大(见表3)，最低极限拉力为4根PET纤维线2号样品653.6 N；最大极限拉力为16根PET纤维线的2号样品1949.2 N。根据界面螺钉固定人工韧带的相关研究表明，界面螺钉固定人工韧带的极限拉力大约在574 N，对比表4可以看出，表中所有嵌合体的极限拉力都比界面螺钉固定人工韧带的极限拉力高，从LARS韧带/PET嵌合体本身来看，具备代替界面螺钉固定LARS韧带的潜质。
随着PET线数量的增加，嵌合体被拔出的数量在增加(如图2(F))，在达到16根PET线时，所有嵌合体都被拔出。此外，8条PET线的嵌合体出现较多嵌合体在拉伸时出现嵌合体崩裂的现象。此外，8条PET纤维线的嵌合体在拉伸时出现较多嵌合体碎裂的现象(如图2(E))，这可能是因为8条PET纤维线的嵌合体从被制作出来到力学性能测试的时间相隔不到1天，未经过退火处理，其他实验组都存在5天退火处理，从而导致8条PET纤维线的嵌合体内存在较高的内应力。为验证猜想的准确性，因此对8条PET纤维线的嵌合体进行重新制作，并间隔5天后再次进行力学性能测试，最后将其测得的平均值与现有数据进行对比。
相隔不同天数测出的嵌合体的平均拉力大小相差不大(见表4)，相隔5天的PET纤维线的嵌合体在拉伸时出现嵌合体碎裂的现象较少(如图2(G))。结果表明，内应力对嵌合体的性能具有较大的影响。
数据采用Origin 2019b 64Bit软件绘制出误差柱状图(如图2(H))。结果显示，4、8条PET嵌合体的误差棒较短，而12、16条PET嵌合体的误差棒较长，说明相对12、16条PET的嵌合体4、8条PET的嵌合体测出的拉力极限值更加准确，这是因为所有嵌合体都为手工制作，且工艺存在一定的误差，但是，随着PET纤维线数的增加，PET纤维线难以被完全拉直束缚成一条直线，控制难度增加，误差出现的可能性更大。
Table 3. Ultimate tensile strength of chimeric constructs with different PET fiber contents
表3. 不同PET数嵌合体极限拉力
样品编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
4 |
889.1 N |
653.6 N |
732.4 N |
894.0 N |
827.2 N |
8 |
1221.5 N |
1272.4 N |
1430.8 N |
1021.4 N |
1383.9 N |
12 |
1881.2 N |
1470.0 N |
1161.3 N |
1759.0 N |
1135.0 N |
16 |
1218.2 N |
1949.2 N |
1741.8 N |
861.2 N |
1141.8 N |
Table 4. Comparison of average tensile strength for chimeric constructs with 8 PET fibers at different embedding intervals
表4. 不同间隔天数的8条PET纤维线嵌合体平均拉力对比
样品编号 |
1 |
2 |
3 |
平均值 |
8 (间隔1天) |
1221.5 |
1272.4 |
1383.9 |
1292.6 |
8 (间隔5天) |
1175.8 |
1288.3 |
1279.6 |
1247.9 |
4.4. 嵌合体形貌分析
嵌合体表面存在有PET纤维线的凹痕(如图2(I))，该结果表明断裂的嵌合体表面存在PET纤维线被浸润的现象。
可以清晰看出4组嵌合体的断裂表面都存在PET纤维线浸润的痕迹(如图2(J))，该结果表明，PET树脂对PET纤维线束的表面存在较好的浸润效果。
5. 结论
通过对LARS韧带/PEEK嵌合体的制作，发现PEEK流动性较差、冷却速率过快、熔融温度过高，在嵌合体的浇铸成型时，模具易被树脂堵住，且PET纤维线与PEEK接触迅速熔断，导致实验失败。采用PET纤维线、PET树脂成功制备出LARS韧带/PET嵌合体，但在进行车削加工时，发现嵌合体内部存在空隙，树脂未在纤维线之间进行完全浸润，导致在进行螺纹车削时，嵌合体碎裂从而导致车削失败。
力学性能结果表明嵌合体最低极限拉力653.6 N，界面螺钉固定LARS韧带的极限拉力大约在574 N，说明嵌合体具备代替界面螺钉固定人工韧带的潜质。此外发现，8条PET纤维线的嵌合体拉伸后出现大量碎裂的情况，其他嵌合体则整体结构比较完整，对比发现该实验组嵌合体未经过退火处理，退火后的嵌合体结构完整，说明退后处理对嵌合体性能影响较大。通过扫描电镜分析发现，嵌合体内部断裂面出现了浸润PET纤维线的凹痕，该发现表明PET树脂对PET纤维线束表面能进行有效浸润。
NOTES
*通讯作者。