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人工靭帯は、損傷した靭帯を置き換えるために使用される装置です。今日、人工靭帯の最も一般的な用途は、前十字靭帯の再建です。[1]靭帯再建の最も一般的な方法は自己移植ですが、第一次世界大戦時代に開発されて以来、人工靭帯を最適化するために多くの材料と構造が開発されました。 [2]現代の人工靭帯の多くは、ポリエチレンテレフタレートなどの合成ポリマーで作られています。[3]合成ポリマーの生体適合性を向上させるために、さまざまなコーティングが追加されています。[3] 1980年代に開発された初期の人工靭帯は、材料の劣化のために効果がありませんでした。[4]現在、靭帯高度補強システム（LARS）人工靭帯が臨床用途で広く利用されています。[5] 組織工学は、靭帯機能の再生と回復を目指す研究の成長分野です。[2]
歴史
人工靭帯の研究は第一次世界大戦の時代に始まりました。[2] 1914年に記録された最初の人工靭帯の症例では、コーナー博士が銀糸を人工移植片として使用し、断裂した前十字靭帯（ACL）を再建しました。[2] 1918年には、ACLの代わりに絹で作られた靭帯が使用されました。[2]
1980年代初頭、化学と材料科学の技術進歩により、医療に適した材料の開発が促進されました。医師はこれらの合成材料を臨床応用しました。食品医薬品局（FDA）は、1986年にACL再建に使用するためにゴアテックス製の人工靭帯を承認しました。[6]
1980 年代の人工靭帯のデザインは、比較的硬いケーブルまたはテープと、片側または両側のシリコンゴムシリンダーの 2 つの主要部分で構成されていました。[2]ケーブルまたはテープは通常、ポリエチレン、ナイロン、またはカーボンファイバーで作られています。シリコンゴムシリンダーは、さまざまなサイズの患者にフィットするようにサイズが異なっていました。[2] [7] [1]理論的には、シリコンゴムの柔軟性により、比較的低負荷では多少の変形が許容され、高負荷では人工靭帯が硬くなって形状を維持します。[7] [1]実際には、このデザインは、天然靭帯の特性を模倣するという目標を達成することはありませんでした。[8]人工靭帯の機械的性能は、広範な臨床応用には不十分でした。長期的には、性能の低下、合併症、故障が発生しました。[8]
初期の人工靭帯が効果を発揮しなかったのは、材料の劣化が一因でした。[4]治療後数か月から数年経ってから問題が起こりました。[2] [4] JE Paulos は、 ACL再建におけるゴアテックスの使用に関する報告書で次のように述べています。「ACL再建に使用されたゴアテックス人工関節の初期の結果では、失敗率は低かった。残念ながら、追跡期間が長くなると、合併症の発生率は増加し続けています。機械的故障、滲出液、感染症は引き続き発生しています。」[2]当時、人工靭帯に使用されていた材料は、十分な機械的性能を維持できませんでした。[2] [4]これらの材料の多くは、長期的に機械的性能が低下しました。[1] [8] [4]
現在のデザイン
現代の人工靭帯の主な用途は、前十字靭帯の再建です。多くの人工靭帯は、本来のACLの性能を模倣するか上回ることを目指しています。[5]人工靭帯の機械的性能は、耐摩耗性、曲げ疲労と回転疲労への耐性、[2]移植片の滑りや破裂の防止によって特徴付けられます。[9]生体適合性は、生体内での人工靭帯の性能にとって重要です。[3]生体適合性は、新しい組織の成長、[10]線維芽細胞の移動、骨の骨結合、炎症の軽減、瘢痕組織の浸潤の防止、親水性の向上に関連しています。[3]組織の成長と線維芽細胞の移動は、人工靭帯の機械的強度を向上させることが示されており、[10]周囲の骨との骨結合は、移植片の滑りの可能性を減らすことができます。[9]多くの人工靭帯は、炎症や瘢痕組織の浸潤を最小限に抑えるように設計されています。炎症や瘢痕組織の浸潤は機械的強度を妨げ、移植片の破裂を引き起こす可能性があるためです。 [ 3]疎水性は異物に対する宿主の自然な反応を引き起こす可能性があるため、人工靭帯の設計では親水性の向上を目指しています。[3]
靭帯高度補強（LARS）は、ACL修復手術における主要な人工靭帯です。ポリエチレンテレフタレート（PET）で作られています。[3]骨内部分と関節内部分で構成されています。骨内部分は、編んだ横方向の構造で区切られた縦繊維で構成されています。この編み構造は、変形や摩耗を防ぐのに役立ちます。[5] [11]関節内部分は、90度の角度で事前にねじられた縦繊維で作られています。この部分は、疲労に耐え、組織の成長を促進するように設計されています。[5] Leeds Keio靭帯はポリエステルメッシュ構造で構成されています。ネイティブACLの機械的特性を模倣することを目指しています。靭帯の多孔質特性は、機械的特性を改善することが示されている組織の成長を促進することができます。[5] PGAダクロン人工グラフトは、75％の編組生分解性ポリグリコール酸と25％の永久ダクロン糸で構成されています。[11]ケネディLAD人工靭帯はポリプロピレンリボンで作られており、組織の成長を促進し、新しい靭帯への負荷を徐々に伝達するように設計されています。[10]
ヒトの生来のACLは、キロニュートンオーダーの引張強度を持ち、 [3]破断時の伸びは約10%です。[10]生来のACLの機械的特性は、ヒト集団全体で異なります。子供のACLの強度は、成人よりも高い傾向があります。[10] PGAダクロン人工靭帯は、約3500 Nの極限引張強度と約20%の平均極限伸びを備えています。[10]ケネディLAD靭帯は、破断時の引張強度が約1500 Nで、剛性は約50 N/mmです。[10]リーズ-慶応人工靭帯は、約2000 Nの極限引張強度と、組織の成長後の剛性が約250 N/mmです。[10] LARS人工靭帯は、使用される繊維の量に応じて機械的特性が異なります。ゲージの大きい靭帯は引張強度が高くなります。試験では、60ゲージのLARS靭帯は2500Nの極限引張強度を示し、120ゲージの靭帯は5600Nの引張強度を示しました。[5] [12]陥入組織は粘弾性特性を改善し、摩擦を減らすことが示されています。[5]
人工靭帯には生体適合性を改善するためにコーティングが施されている。58Sバイオガラスおよびハイドロキシアパタイトコーティングは、浸漬法[2]を用いてPET靭帯に塗布した場合、in vitroおよび動物実験[3]で骨結合および細胞活性を改善することがわかっている。 [3]ヒドロキシプロピルセルロース表面処理は、動物実験でPET靭帯の骨結合を改善することがわかっている。[2]コーティングされていないPETは疎水性であるため、コーティングは親水性を高めるように設計されている。[3]ヒアルロン酸コーティングは疎水性を低下させることができ、in vivoで瘢痕組織の形成と炎症を軽減することがわかっている。[3]ヒアルロン酸とキトサンの複合コーティングは、積層技術によって人工靭帯表面に塗布することができ、マウスの靭帯界面での新しい骨形成を促進することがわかっている。[9]キトサンは疎水性を低下させ、骨結合とミネラル沈着を改善するために使用され、ヒアルロン酸は細胞の分化と成長を促進します。[9]ポリスチレンスルホン酸ナトリウムコーティングは、動物実験で膝の機能性と天然ACLの模倣を改善することが示されています。[2] [13]
臨床応用
前十字靭帯（ACL）は、頻繁に損傷を受ける人体構造であり、治療しないと半月板断裂や関節軟骨の変性など、膝に二次的な損傷を引き起こす可能性があります。ACL再建術はACL損傷に対して一般的に行われている技術で、患者の30％に実施され、膝構造の安定性を回復することができます。[2] [14]従来のACL再建術では、自家移植片または同種移植片が使用され、長いリハビリ期間が必要であり、ほとんどの場合、長期的にドナーの病的状態が発生します。[11]
人工靭帯に対する初期の関心は、テフロンとカーボンファイバーで作られたプロプラスト靭帯やポリプロピレンで作られたポリフレックスなどの非ヒト組織の実装につながりました。[10] [15]その結果、ねじり力に対する耐性が低いことが示されました。[11] 1986年にFDAによって承認され、後にクリニックで採用されたゴアテックス十字靭帯人工器官は、機械的故障率は低いものの、追跡調査での断裂率が高かったことが示されました。[16]その後、ゴアテックスはACL手術では放棄され、リーズ・ケイオ（LK）靭帯が採用されました。その後の長期追跡調査では、LK靭帯は最初は有望な性能を示しましたが、2年後の安定率はまだ低く、10年間の反対側の関節と比較して変性変化が増加しました。[17] [18] 21世紀には、靭帯高度強化（LARS）靭帯が市場で最も人気のある人工靭帯になりました。LARS靭帯は、最初は満足のいく結果をもたらすだけでなく、少なくとも2年間はパフォーマンスに違いがありません。[19] LARS靭帯は、短期的な研究では自家移植と比較して安定性が高く、罹患率が低いことが示されており、9年間の研究では、LARS靭帯は100％の生存率を示しました。[5]合成ACLグラフトは常にクリープ、疲労、および破損を生じるため、十分な供給、満足のいく機械的特性、および低い罹患率を備えた合成グラフトの需要は本質的に高いです。[5]現在、LARS靭帯は、自家移植および他の合成グラフトの両方に最も匹敵します。[5]
人工靭帯で最初の 10 年以降によく起こる合併症は、破損、摩耗片、滑膜炎、再発性不安定性、骨溶解、慢性滲出液です。[10]合併症は、通常、手術直後または比較的短期間で表面化することはなく、最初の 10 年以降に現れ始めるケースもいくつかあります。人工靭帯用の特定の合成材料の性能を研究し、患者の健康状態を監視するには、追跡調査が必要です。[10]断裂率は通常、2 ～ 5 年で記録されます。[10]
組織工学
人工靭帯の将来は未知数ですが、組織工学の主導的な研究者は、靭帯を再生・修復して正常な機能を回復することを目指しています。[2] ACLは自然に治癒しないため、 ACL組織工学は内側側副靭帯（MCL） の治癒に基づいています。 [2] ACL靭帯の修復には、組織工学でシード細胞が使用されます。シード細胞には、入手が容易、増殖力が強く、成熟した細胞外マトリックスを効率的に生成できるなどの条件が必要です。骨髄由来間葉系幹細胞、脂肪由来幹細胞、血管周囲幹細胞、ヒト包皮線維芽細胞などの幹細胞は、組織工学で一般的に使用されています。[2]
参考文献
- ^ abcd Davarinos N、O'Neill BJ、 Curtin W (2014)。「前十字靭帯再建術の簡単な歴史」。整形外科手術の進歩。2014 ： 706042。doi ： 10.1155 / 2014 /706042。
- ^ abcdefghijklmnopqr Chen T、Jiang J、Chen S (2015 年 1 月)。「人工靭帯の臨床応用の現状と進歩」。アジア太平洋スポーツ医学、関節鏡検査、リハビリテーション、テクノロジー誌 。2 ( 1 ): 15–26。doi :10.1016/ j.asmart.2014.11.001。PMC 5730644。PMID 29264235。
- ^ abcdefghijkl Li H, Chen S (2015年2月). 「ポリエチレンテレフタレート人工靭帯へのバイオメディカルコーティング」. Journal of Biomedical Materials Research. Part A . 103 (2): 839–45. doi :10.1002/jbm.a.35218. PMID 24825100.
- ^ abcde Aichroth PM、Cannon Jr WD (1992-01-01)。膝の手術：現在の実践。CRC Press。ISBN 978-1-85317-090-4。
- ^ abcdefghij Iliadis DP、Bourlos DN、Mastrokalos DS、Chronopoulos E、Babis GC (2016 年 6 月)。「前十字靭帯再建における LARS 人工靭帯と ABC 純粋ポリエステル靭帯の比較」。Orthopaedic Journal of Sports Medicine。4 ( 6): 2325967116653359。doi : 10.1177 /2325967116653359。PMC 4933937。PMID 27453894。
- ^ US-FDA. 「関節内人工膝靭帯デバイスの研究用デバイス免除および市販前承認申請の準備に関するガイダンス文書」(PDF)。米国食品医薬品局。
- ^ ab Jenkins DH、McKibbin B (1980 年 11 月)。「臨床診療における腱および靭帯の代用としての柔軟なカーボンファイバーインプラントの役割。予備報告」。The Journal of Bone and Joint Surgery。英国巻。62 - B (4): 497–9。doi : 10.1302 /0301-620X.62B4.7430232。PMID 7430232 。
- ^ abc Cuppone M、Seedhom BB (2001)。「人工靭帯によるACL再建術後の膝のゆるみに対するインプラント延長と固定方法の影響：死体を用いた研究」。Journal of Orthopaedic Science。6 ( 3) : 253–61。doi : 10.1007 /s007760100044。PMID 11484120。S2CID 6272767。
- ^ abcd Li H, Ge Y, Zhang P, Wu L, Chen S (2011 年 11 月). 「キトサン-ヒアルロン酸の層ごとのコーティングがポリエチレンテレフタレート人工靭帯の骨移植治癒に及ぼす影響」. Journal of Biomaterials Science. ポリマー版. 23 (1–4): 425–38. doi :10.1163/092050610X551989. PMID 21255485. S2CID 42571974.
- ^ abcdefghijkl Legnani C、Ventura A、Terzaghi C、Borgo E 、 Albisetti W (2010 年 4 月) 。 「合成グラフトによる前十字靭帯再建術。文献レビュー」。国際整形外科。34 (4): 465–71。doi :10.1007/s00264-010-0963-2。PMC 2903133。PMID 20157811。
- ^ abcd Jia ZY、Zhang C、Cao SQ、Xue CC、Liu TZ、Huang X、Xu WD（2017年7月）。「前十字靭帯再建における人工移植片と自家移植片の比較：メタ分析」。BMC Musculoskeletal Disorders。18 （1）： 309。doi ：10.1186/ s12891-017-1672-4。PMC 5517802。PMID 28724372。
- ^ Liu ZT、Zhang XL、Jiang Y、Zeng BF (2010 年 2 月)。「前十字靭帯再建における 4 本鎖ハムストリング腱自家移植と LARS 人工靭帯の比較」。国際 整形外科。34 ( 1 ): 45–9。doi : 10.1007 /s00264-009-0768-3。PMC 2899266。PMID 19396441。
- ^ Frost, Olivia (2019-11-29). 「生体活性で生分解性の合成靭帯の開発」. Innovation News Network . 2024-07-22閲覧。
- ^ Cimino F、Volk BS、Setter D（2010 年10月） 。「前十字靭帯損傷：診断、管理、予防」。American Family Physician。82（8）：917–22。PMID 20949884。
- ^ Dandy DJ、Flanagan JP、Steenmeyer V (1982 年 7 月)。 「関節鏡検査と前十字靭帯断裂の管理」。臨床整形外科および関連研究(167): 43–9。PMID 6896483。
- ^ Wredmark T, Engström B (1993-06-01). 「Stryker Dacron 高強度靭帯による前十字靭帯再建術の 5 年間の結果」.膝手術、スポーツ外傷学、関節鏡検査. 1 (2): 71–5. doi :10.1007/BF01565455. PMID 8536011. S2CID 12856081.
- ^ Rading J 、 Peterson L (1995-05-01)。「前十字靭帯再建におけるLeeds-Keio人工靭帯の臨床経験。2年間の追跡調査」。アメリカスポーツ医学ジャーナル。23 (3): 316–9。doi : 10.1177/036354659502300311。PMID 7661259。S2CID 28416792 。
- ^ Murray AW、Macnicol MF (2004年2月)。「リーズ・慶応大学前十字靭帯再建術の10～16年の結果」。The Knee。11 ( 1 ) : 9～14。doi :10.1016/S0968-0160(03)00076-0。PMID 14967321 。
- ^ Nau T、Lavoie P、Duval N (2002 年 4 月)。「前十字靭帯再建における新世代の人工靭帯。ランダム化試験の 2 年間の追跡調査」。The Journal of Bone and Joint Surgery。英国版。84 ( 3): 356–60。doi : 10.1302/0301-620x.84b3.12400。PMID 12002492。