作者：山西医科大学第三医院（山西白求恩医院、山西医学科学院、同济山西医院）骨科     田煜廷

前交叉韧带（ACL）是维持膝关节稳定的关键结构，其损伤机制主要与运动相关。ACL重建术是目前公认的手术治疗方法。在移植物选择方面，自体肌腱因良好的生物相容性和可靠的临床效果被广泛使用，但存在发生供区并发症、愈合周期较长等缺陷；同种异体移植物为多韧带损伤和翻修病例提供了额外的治疗选择，但其临床应用受到疾病传播风险、血运重建迟缓导致整合不良以及相对较高的失败率等问题的限制。人工韧带是新型替代方案，其采用高分子合成材料、天然生物材料或复合物制备而成，能够模拟天然韧带的结构和生物力学特性。新一代产品，如韧带先进增强系统（LARS），采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）编织结构，在保留强度的同时提升了生物相容性，在ACL重建手术中应用广泛。

临床应用现状及长期稳定性随访

选用人工韧带进行ACL重建，可避免自体移植物取材受限、发生供区并发症及异体移植物疾病传播的风险。更重要的是，人工韧带在术后即可提供生理拉伸强度，有利于早期康复及快速重返运动。多项研究表明，人工韧带在ACL重建手术后可提供与自体移植物相当甚至更优的膝关节功能和稳定性表现。Chen等的研究纳入50例ACL翻修患者，分别采用LARS韧带与异体胫前肌腱进行重建，平均随访49个月。结果显示，LARS组在前向稳定性、运动能力康复、心理恢复方面均显著优于异体肌腱组，患者回归不同运动水平的时间也更短。因此，人工韧带成为职业运动员、军警人员、老年人等需要快速康复人群的理想选择。

然而，人工韧带的长期表现并不完美。在提供短期稳定性与快速康复潜力的同时，长期稳定性存疑，多项长期随访研究结果显示，其有较高的机械性失效率。Tiefenboeck等在10年以上随访研究中发现，LARS韧带断裂率达27.8%，约1/4的患者需行翻修手术。Tulloch等在至少6年的随访中观察到，人工韧带的失败率为33.3%，39.2%的患者进行了二次手术。刘国立等研究发现，相比于自体移植物和同种异体移植物，人工韧带虽具有较好的初始稳定性，但稳定性随时间推移逐渐衰退。Moretti等通过评估ACL损伤前与人工韧带重建术后的活动水平发现，约40%的患者无法恢复原有活动水平。同时，长期随访中普遍观察到多种并发症发生。Smolle等通过最长达20年的随访发现，约66%的患者出现滑膜颗粒病和慢性关节疼痛等并发症。Akrivos等对翻修手术病例的研究同样观察到较高的滑膜炎和骨关节炎发生率。2022年，中国人工韧带研究小组在全国20家运动医学中心对1146例采用LARS韧带的初次ACL重建病例进行最长达10年的随访，结果显示总体表现良好，但仍然观察到关节不稳、关节肿胀僵硬、感染和慢性滑膜炎等多种并发症发生。总体而言，人工韧带具有良好的力学稳定性和快速康复优势，但部分长期随访研究观察到韧带断裂松弛以及多种并发症发生，提示其长期稳定性存在问题。

长期随访中的稳定性问题

组织整合      重建移植物的骨整合从损伤后炎症反应开始，随后进入细胞增殖和基质沉积阶段，最终形成胶原纤维重组和成熟，其通过直接或间接方式附着入骨质内，为界面提供稳定锚定和应力分散。然而PET表面具有惰性，不利于骨细胞的附着与诱导。Viateau等在羊模型中证实，人工韧带与骨壁间仅形成少量Sharpey纤维连接，缺少软骨过渡层及骨嵌合结构，抗拉强度远低于正常韧带。Cai等也证实，PET材料不具备诱导形成软骨样组织的能力，力学性能以“机械支撑”为主，组织融合不足，无法建立真正的骨内嵌合。在关节腔内，LARS韧带设计了开放的纤维，在抵抗扭转的同时，能够诱导周围组织向内生长，但由于缺乏促血管生成与成纤维细胞活化等生物信号，胶原基质重塑迟缓或失败，最终导致人工韧带功能整合受限，降低了整体性能。

免疫反应与慢性滑膜炎      Tulloch等针对人工韧带失败病例的滑膜病理研究显示，50%的病例存在中重度滑膜增生和异物性肉芽肿反应。所有滑膜样本中，均观察到以巨噬细胞吞噬颗粒为特征的病理结构。diBenedetto等进一步证实，滑膜组织中可以观察到具有双折射特性的PET磨屑，周围缺乏纤维血管组织长入，形成典型的“材料-组织排斥界面”。研究认为，人工韧带与骨道界面整合不良，力学微环境不稳定，同时由于黏弹性不足、抗疲劳性能较差，在长期力学负荷下易产生磨损。PET磨屑被滑膜巨噬细胞吞噬后不可降解，其持续激活M1巨噬细胞，在局部呈现慢性炎症状态，这是滑膜长期受刺激的基础。值得注意的是，滑膜反应与材料整合度密切相关，组织纤维生长不足的样本更易诱发炎症。慢性炎性微环境也会抑制成骨细胞募集与分化，促进成纤维瘢痕化与骨道扩大，进一步干扰骨整合。因此，促进组织整合，同时抑制瘢痕形成和调节局部炎症微环境，对于人工韧带的长期稳定性同样重要。

骨道扩大与溶骨反应      界面整合不良可导致微动增加，产生更多磨损颗粒，持续激活M1巨噬细胞，从而驱动瘢痕增生，阻隔血管与新骨长入，进一步干扰组织整合，并可促进破骨细胞活化，导致骨破坏，形成“磨损-炎症-骨破坏”的正反馈，最终导致骨道扩大，成为松动和手术失败的危险因素。动物实验和临床观察研究均发现，缺乏有效整合的生物封闭是导致骨道扩大的关键因素，在极端情况下，可能诱发骨溶解。Du等在1例并发骨关节炎的病例中发现明显的骨道扩大，人工韧带磨损严重，且有滑膜渗出，骨边缘增生。另一些文献也报道了术后骨道扩大伴严重异物反应和骨溶解现象。综上，“组织整合差”仍是限制人工韧带长期成功的瓶颈，因此赋予PET材料以生物活性，实现从“机械固定”到“生物整合”的转变，是人工韧带通往真正生物学愈合的道路。

人工韧带表面功能化研究

人工韧带表面功能化是通过浸涂、喷涂和化学沉积等方法在PET韧带表面构建功能涂层，以优化韧带性能。其中，有机材料涂层侧重于改善生物相容性与细胞行为，胶原蛋白、丝素蛋白、壳聚糖等天然聚合物可增强细胞黏附、增殖及胶原分泌，加速韧带化过程。无机材料如羟基磷灰石、生物活性玻璃等，则具有良好的成骨潜能。因此，通过复合涂层和分段设计实现多功能集成，模拟天然韧带-骨界面的结构和功能梯度，成为当前的研究重点。同时，结合组织工程方法，利用生物活性因子及细胞衍生物等涂层来调控微环境，抑制炎症反应并促进再生修复，将进一步提升韧带重建的效果。

促进骨整合      一些矿化涂层的化学组成与天然骨矿物质相似，从而展现出优异的骨传导性。通过引入锶、镁、硅等活性元素调控成骨信号通路，可进一步增强骨诱导潜能，促进韧带与骨的整合。Cai等通过电化学方法在PET韧带上沉积钙磷酸盐，以持续释放钙离子，诱导骨组织和纤维软骨的新生。在兔模型研究中，该涂层使韧带-骨界面的极限载荷在12周后提高50%。另一项研究采用真空溅射技术制备掺锶羟基磷灰石（SrHA）涂层，其可提高韧带亲水性，通过释放锶离子（Sr2＋）激活成骨通路，提升骨道的骨量和剪切强度。Shi等受古石材生物矿化的启发，开发出镁硅酸盐加聚合物涂层，其可促进骨髓间充质干细胞的黏附和增殖。碳纳米管具有优异的力学特性与仿生拓扑结构，Wang等将排列的碳纳米管片缠绕在PET表面，在大鼠模型中诱导骨再生，从而使骨道缺损明显减少。目前，涂层策略已从单纯仿生骨传导发展为融合活性离子释放、表面拓扑结构调控的多级体系，旨在促进成骨分化、血管化及基质矿化。

提升抗菌能力      术后感染是导致人工韧带失败的原因之一，为此研究人员开发了多种抗菌涂层技术。银离子、铜离子等金属离子具有广谱杀菌能力，Wang等设计了一种基于银/铜纳米颗粒的复合抗菌涂层，其利用离子协同释放效应，在24h内可杀灭99%以上常见致病菌，能够有效预防术后感染。Wu等以聚多巴胺（PDA）为载体构建稳定银纳米涂层，在实现长效抗菌的同时能促进成骨。此外，新型抗菌材料开发也展现出良好应用前景。聚丙烯酸-镓网络涂层通过持续释放镓离子，兼具抗菌与促进成骨的双重功能。Wang等则开发了基于黑色氧化钽的光热响应涂层，赋予人工韧带近红外光激发的杀菌能力。其通过调控表面粗糙度和氧空位浓度，可实现高效光热抗菌。这些抗菌涂层技术的突破，为降低感染风险、促进组织整合及愈合提供了解决方案。

免疫调节涂层      调节免疫微环境是近年来研究的新方向，这些研究通过不同机制调控巨噬细胞极化，抑制过度炎症反应，促进组织再生和减少瘢痕形成。多糖水凝胶以天然多糖为材料构建，其三维结构可模拟细胞外基质，通过力学信号来调控免疫细胞行为，并借助多糖活性组分经由特异性受体传递相关信号，调控免疫微环境。Wang等开发的硫酸化多糖多层水凝胶涂层可抑制早期疤痕形成，通过消除疤痕组织的占据效应进一步促进M2巨噬细胞极化，增强骨道稳定性。Li等则通过PDA自组装、硫酸软骨素化学接枝和骨形成蛋白（BMP）-2物理固定，开发出多功能涂层以修饰PET表面，通过多种途径调控巨噬细胞极化和抗炎因子分泌来抑制纤维化，同时促进干细胞的成骨分化。他们将其应用在兔模型中，12周后纤维软骨生成增加且无瘢痕形成。

梯度释放涂层      通过使用层层自组装、水凝胶包埋等技术，或结合PDA、肝素、环糊精等功能材料进行复合，可实现生物活性分子的稳定负载与可控释放。PDA具有优异的黏附性和官能团可修饰性，一些研究采用PDA作为载体来固定各类活性分子并实现缓释，达到增强成骨、抗菌等生物学效应，而多功能梯度涂层的构建则通过阶段适配的释放进一步增强效果。Chen等开发的多层蚕丝蛋白涂层，外层负载肝素以发挥抗炎作用，内层则搭载BMP以促进骨再生，实现炎症期与再生期的时序调控。Gao等开发的多层丝素-姜黄素-锌离子（Zn2＋）涂层，通过早期释放姜黄素抑制炎症，后期释放Zn2＋促进成骨。他们将其应用于大鼠模型，8周后骨道炎症指标下降，骨量增加。Sr2＋/镁离子（Mg2＋）双离子涂层则通过早期释放Mg2＋促进血管神经生成，后期释放Sr2＋促进骨组织生成，以匹配愈合过程。通过开发梯度释放生物活性因子的涂层，可以满足术后不同阶段的组织再生需求。总体而言，除单纯促进骨整合外，结合抗菌剂、抗炎因子和生物活性物质的涂层可提供全面的术后保护，避免并发症发生。细胞分布、药物释放的时空多节段设计可以实现多维调节和高效整合，具有重要临床意义。

总结与展望

新一代人工韧带已取得良好的临床效果，在早期力学性能和术后康复方面均优于自体移植物，总体上能满足患者需求，但其较差的组织整合能力限制了长期效果。为此，各种生物材料和韧带修饰方法应运而生，有望进一步改善临床结果。需要注意的是，大多数人工韧带表面功能化试验均在小动物模型中进行，其安全性和有效性尚需通过更多研究加以验证。

来源：国际骨科学杂志2026年1月第47卷第1期