異種骨椎間融合器椎弓根釘固定腰椎體間融合術(shù)的生物力學(xué)評(píng)價(jià)

1、異種骨椎間交融器椎弓根釘固定腰椎體間交融術(shù)的生物力學(xué)評(píng)價(jià)【關(guān)鍵詞】異種骨椎間交融器摘要：目的評(píng)價(jià)異種骨椎間交融器行后路腰椎椎體間交融的即刻穩(wěn)定效果及自身強(qiáng)度。方法取16具新穎成年男性L15腰椎標(biāo)本，分別對(duì)完好L15正常組；模擬后路間盤L3、4摘除置交融器對(duì)照1組；模擬后路間盤L3、4、L4、5摘除置交融器對(duì)照2組；模擬后路間盤L3、4摘除置交融器附加椎弓根釘固定對(duì)照3組；模擬后路間盤L3、4、L4、5摘除置交融器附加椎弓根釘固定對(duì)照4組進(jìn)展前屈、后伸、改變、軸向壓縮和腰椎移位時(shí)交融器的最大撥出力及粘彈性實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示椎間交融器植入后腰椎壓縮、前屈、后伸、位移和改變角度較正常組有一定差異，但

2、不顯著P005；而椎間植入交融器附加椎弓根固定，壓縮、前屈、后伸、位移、改變角度較正常組差異顯著P005。腰椎移位時(shí)撥出力實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，對(duì)照1、2交融器植入椎體移位時(shí)最大撥出力為183KN。對(duì)照1、2、3、4組7200s三應(yīng)力松馳量和蠕變量較正常組差異不顯著P005,對(duì)照3、4組初始蠕變量明顯低于正常組和1、2組。結(jié)論異種骨椎間交融器具有足夠的支撐、抗滑、維持或增加椎間隙高度的功能，符合生物力學(xué)及臨床要求。關(guān)鍵詞：腰椎；異種骨椎間交融器；椎弓根釘固定；生物力學(xué)；穩(wěn)定性；粘彈性Biehanialevaluatinnintervertebralfusinbyintervertebralheterg

3、enusbnefusinageithpediularfixatinAbstrat：bjetiveTevaluatetheiediatestabilityeffetandstrengthftheintervertebralhetergenusbnefusinagefrlubarintervertebralfusinethdSixteenaleL15speienseredividedintfivegrups:grupA,L34disexisin+fusinage;grupB,L34,L45disexisin+fusinage;grup,L34disexisin+fusinageithpediula

4、rfixatin;grupD,L34L45disexisin+fusinageithpediularfixatinandntrlgrup,nralL34,L45Theaxiupullstrengthnfusinage,viselastiprperties,reepfuntinandlubarladingdisplaeenturveeretestedduringlubarflexinandextensin,axialpressinandleftandrighttrsinResult1Thehangefaxialpressin,flexinandextensin,ladingdisplaeenta

5、ndtrsinangleshednstatistisignifiane(P005)beteenntrlgrupandgrupA,grupB,butbviussignifianebeteenntrlgrupandgrupandD;2TheaxiupullstrengthnagefgrupAandBas185KNduringlubardisplaeent;3ThereasnstatistisignifianeinthestressrelaxatinandreepbeteengrupsA,B,Dandntrlgrup(P005),butinitialreepfuntinaslerbviuslytha

6、nthatfntrlgrupnlusinTheintervertebralhetergenusbnefusinageprvidessuffiientperfrsupprt,antidisplaeent,aintainingandenhaningintervertebralhEightandissuitablefrlinialappliatinnbiehanialbasisKeyrds：Lubarvertebru;Intervertebralhetergenusbnefusinage;Pediularfixatin;Biehanis自體髂骨移植作為后路腰椎椎間交融的最常見方式，已廣泛應(yīng)用于后路腰

7、椎椎間交融術(shù)中。在獲得較好的臨床療效的同時(shí),仍存在著較多的植骨并發(fā)癥和取骨并發(fā)癥。鈦合金age在腰椎椎體間交融手術(shù)中已得到較廣泛應(yīng)用,但其所產(chǎn)生的并發(fā)癥已也明顯影響了其在臨床上的應(yīng)用,如交融器的異物反響、應(yīng)力遮擋、下沉，交融難以判斷觀察，不交融導(dǎo)致的腰椎不穩(wěn)以及價(jià)格昂貴、金屬異物在體內(nèi)長(zhǎng)期存留等。為此作者研制出一種來源充足、取材方便、價(jià)廉、并發(fā)癥少的生物型交融器彌補(bǔ)了以往方法的一些缺乏。作者在借鑒國(guó)內(nèi)外各類交融器優(yōu)點(diǎn)的根底上設(shè)計(jì)了一種扁方型異種骨腰椎間交融器，并在成人新穎腰椎標(biāo)本上模擬生物力學(xué)測(cè)試，據(jù)此評(píng)價(jià)異種骨椎間交融器重建腰椎的生物力學(xué)穩(wěn)定性，為臨床應(yīng)用提供理論根據(jù)。1實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備11材料的

8、制備腰椎椎間交融器的制作，將新穎安康成年牛小腿取下，去除肌肉、骨膜和骨髓后用強(qiáng)氧化離子水清洗屢次，機(jī)械加工成前主視長(zhǎng)23、寬9、高11，后后視寬9、高10、軸向內(nèi)孔直徑6，縱軸長(zhǎng)槽寬6、長(zhǎng)14，橫向兩孔直徑4，上、下外表圓弧R30，圓柱局部帶螺紋，紋距25，紋深10。機(jī)械加工完成后離子水再次清洗后11氯仿甲醇脫脂2h，濕式密封12kGY，射線輻照滅菌待用。12標(biāo)本的制備及手術(shù)方法實(shí)驗(yàn)標(biāo)本取自正常國(guó)人急性頭部外傷致死的新穎尸體，均為男性；年齡2030歲，于死亡之后1h之內(nèi)進(jìn)展解剖切取其腰椎，附帶局部肌肉，對(duì)每個(gè)標(biāo)本經(jīng)X線檢查均無腰椎病變與損傷。將標(biāo)本置于塑料袋中,密封后置于冰箱(-30)內(nèi)保存，

9、實(shí)驗(yàn)前取出標(biāo)本，在室溫下解凍，去除肌肉，保存前縱韌帶、棘間韌帶、黃韌帶、小關(guān)節(jié)突及關(guān)節(jié)囊。力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)與粘彈性實(shí)驗(yàn)各取16個(gè)標(biāo)本，用自凝牙托粉將標(biāo)本兩端固定，使標(biāo)本兩端平整。在16個(gè)標(biāo)本中先取8個(gè)標(biāo)本做彈性實(shí)驗(yàn)，先做正常組應(yīng)力松弛、蠕變實(shí)驗(yàn)，正常組標(biāo)本做完后，待標(biāo)本恢復(fù)24h后，模擬后路間盤切除置入1個(gè)交融器對(duì)照1組，即在L3、4間隙做全椎板切除，拉開硬膜囊，切除間盤及上、下軟骨板，露出局部骨質(zhì)，撐開間隙，用試模試植入，分別以兩側(cè)植入兩個(gè)試模同號(hào)的異種骨交融器進(jìn)展應(yīng)力松弛、蠕變實(shí)驗(yàn)。做完待恢復(fù)24h后在L4、5間隙置入交融器對(duì)照2組進(jìn)展應(yīng)力松弛、蠕變實(shí)驗(yàn)。做完待恢復(fù)24h后，在后路間盤L3、4

10、間隙置1枚交融器，以6枚椎弓根釘固定對(duì)照3組進(jìn)展應(yīng)力松弛、蠕變實(shí)驗(yàn)，做完后待恢復(fù)24h后，在L3、4和L4、5間隙置交融器，置6枚椎弓根釘固定對(duì)照4組進(jìn)展應(yīng)力松弛、蠕變實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)取8個(gè)標(biāo)本，手術(shù)方式與實(shí)驗(yàn)步驟與應(yīng)力松弛、蠕變一樣，先做正常組，之后對(duì)照1、2、3、4組。實(shí)驗(yàn)用器械根本為后路椎間交融的器械加鉸刀、刮勺、嵌入器、自制4個(gè)型號(hào)的試模一套。13實(shí)驗(yàn)器材腰椎改變實(shí)驗(yàn)在K-50型改變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)展。L15標(biāo)本屈、伸、軸向壓縮、應(yīng)力松馳及蠕變實(shí)驗(yàn)使用機(jī)器為日本島津AG-10TA自動(dòng)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。載荷通過載荷傳感器傳遞，位移通過光電編碼器傳遞，應(yīng)變通過機(jī)器的應(yīng)變單元測(cè)量。實(shí)驗(yàn)完畢后，計(jì)

11、算機(jī)自動(dòng)輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。生物材料在應(yīng)力作用下都有滯后現(xiàn)象，在變形過程中有熵的改變，有機(jī)械能損失，所以正式實(shí)驗(yàn)前必須對(duì)標(biāo)本進(jìn)展預(yù)調(diào)處理。本實(shí)驗(yàn)對(duì)所有標(biāo)本在最大應(yīng)力為其破壞應(yīng)力的30%應(yīng)力程度下對(duì)試樣反復(fù)加、卸載30次，循環(huán)曲線趨于平穩(wěn)后進(jìn)展實(shí)驗(yàn)1、2。2實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果21腰椎L15腰椎前屈、后伸實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)以2/in的實(shí)驗(yàn)速度對(duì)標(biāo)本施加載荷，分別測(cè)出50500N所對(duì)應(yīng)的位移。各組試樣載荷-位移曲線經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)展擬合后見圖1、2。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異分析見表1、2。表1各組前屈載荷位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異略表2各組后伸載荷位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異略2腰椎軸向壓縮實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)條件同上，依次測(cè)出每組試樣各8個(gè)的載荷-位移數(shù)據(jù)，曲

12、線見圖3。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異分析見表3。表3各組壓縮載荷位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異略3腰椎改變實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器以2度/in的實(shí)驗(yàn)速度對(duì)試樣施加扭矩，分別測(cè)出20200N所對(duì)應(yīng)的改變角值。依次測(cè)出各組試樣的扭矩-改變角數(shù)據(jù)與曲線。實(shí)驗(yàn)曲線經(jīng)計(jì)算機(jī)擬合后見圖4。統(tǒng)計(jì)學(xué)差異分析見表4。表4各組改變載荷位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異略4腰椎移位時(shí)交融器撥出力實(shí)驗(yàn)以2/in的速度對(duì)標(biāo)本施加撥出力，至交融器撥出時(shí)記錄最大撥出力，結(jié)果見表5。表5腰椎移位時(shí)撥出力實(shí)驗(yàn)結(jié)果略5L15段脊柱壓縮應(yīng)力松馳實(shí)驗(yàn)略正常組、對(duì)照14組應(yīng)力松馳曲線經(jīng)計(jì)算機(jī)擬合后見圖5。統(tǒng)計(jì)學(xué)差異見表6。由對(duì)數(shù)計(jì)算繪出的正常組、對(duì)照1、2、3、4組腰椎歸一化應(yīng)力

13、松馳函數(shù)曲線見圖6。統(tǒng)計(jì)學(xué)差異見表7。表6各組7200s應(yīng)力松弛量統(tǒng)計(jì)學(xué)差異略表7各組7200s蠕變量統(tǒng)計(jì)學(xué)差異略轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.6L45腰椎蠕變實(shí)驗(yàn)略正常組、對(duì)照1、2、3、4組蠕變曲線見圖7。由正常組、對(duì)照1、2、3、4組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到J(t)的一組實(shí)驗(yàn)值，Jt的實(shí)驗(yàn)函數(shù)曲線見圖8。3討論退變性下腰椎疾患常伴有不同程度的不穩(wěn)。Tener等實(shí)驗(yàn)證明，腰椎在側(cè)屈、后伸時(shí)負(fù)荷最大，切小關(guān)節(jié)會(huì)破壞腰椎的柔韌性、耦合運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致應(yīng)力集中，關(guān)節(jié)間隙狹窄，使腰椎穩(wěn)定性下降。為了重建腰椎的穩(wěn)定，節(jié)段性交融是必要的。自體髂骨移植是最常見的交融方式，在獲得一定的臨床療效的同時(shí)，也存在較多的缺陷，即易出現(xiàn)植

14、骨塊脫出、松動(dòng)、吸收、塌陷,并影響植骨交融率，其次，取自體骨手術(shù)的非嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生率高達(dá)10%20%，包括失血量增加、血腫、供骨區(qū)疼痛、化膿性感染、股外側(cè)皮神經(jīng)、臀上神經(jīng)損傷導(dǎo)致的感覺障礙。討論取代髂骨移植方式及如何使交融節(jié)段獲得穩(wěn)定以促進(jìn)植骨交融是我們研究的課題。隨著金屬交融器臨床應(yīng)用逐漸增多，該交融器的缺點(diǎn)及并發(fā)癥的報(bào)告也逐漸增多3、4，有的學(xué)者再次把目光轉(zhuǎn)向了異體骨，但異體骨存在著無法找到供體的日益嚴(yán)重的缺陷。尋找一種取材方便廣泛、價(jià)格低廉的生物型交融器是臨床工作的要求。生物型交融器應(yīng)具有以下特點(diǎn)：1簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)手術(shù)的程序，縮短了手術(shù)的時(shí)間。2替代物要有足夠的強(qiáng)度獲得椎體間支撐；生物相容性

15、好,不引起不良生物反響；無污染、不對(duì)受者造成感染。3替代物要具有骨誘導(dǎo)性，可作為新骨形成的基架,可促進(jìn)成骨、刺激間質(zhì)干細(xì)胞分化為活潑的成骨細(xì)胞。4來源充足，取材方便，價(jià)廉。異種骨也像其他器官一樣具有明確的免疫原性。其免疫原主要存在于骨的有機(jī)質(zhì)中。劉偉用免疫組化的方法結(jié)合新穎不脫鈣切片技術(shù)首次證實(shí)：異種植骨的抗原性主要位于骨細(xì)胞和哈佛管道內(nèi)皮上，骨膠原常常被觀察到?jīng)]有抗原性或是有很弱的抗原性。羅卓荊等5用雙染色法測(cè)定結(jié)果，在牛松質(zhì)骨內(nèi)的多種細(xì)胞成分是移植的主要抗原成分，所以皮質(zhì)骨含有較弱的抗原性，且去除抗原性的方法也比松質(zhì)骨容易得多。異種骨腰椎椎間交融器取材于牛小腿的皮質(zhì)骨，經(jīng)過嚴(yán)格的脫脂脫蛋白

16、處理。應(yīng)用時(shí)交融器中心復(fù)合植入大量的自體骨，大大的增強(qiáng)了骨誘導(dǎo)性，腰椎椎間交融器僅作為扁方形皮質(zhì)骨支架復(fù)合植入，故雖是不同種屬間組織移植，但引起的免疫排擠反響非常微弱，對(duì)組織交融無不良反響。交融器植入本身并不能進(jìn)步椎節(jié)的穩(wěn)定性，Diar等6指出：除非附加椎弓根螺釘系統(tǒng)內(nèi)固定，否那么后路腰椎椎體間交融器不宜單獨(dú)使用，尤其是存在中重度不穩(wěn)傾向的下腰疾患。Zha等7報(bào)道應(yīng)用單枚交融器附加椎弓根螺釘治療腰椎滑脫癥時(shí)，獲得滿意的效果。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示椎間交融器植入后腰椎壓縮、前屈、后伸、位移和改變角度較正常組有一定差異，但不顯著P005，而椎間植入交融器附加椎弓根固定，壓縮、前屈、后伸位移、改變角度較正常

17、組差異顯著P005，說明無論是植入單枚椎間交融器還是置入雙枚椎間交融器附加椎弓根釘固定都可到達(dá)穩(wěn)定腰椎的目的。王8報(bào)道了以應(yīng)變電測(cè)原理和技術(shù)模擬單枚椎間交融器附加椎弓根固定行后腰椎體間交融術(shù)，進(jìn)展應(yīng)變電測(cè)量，其結(jié)果為椎間交融器植入后附加椎弓根固定腰椎強(qiáng)度與剛度值均超過正常腰椎。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然測(cè)量方法與其不同，但與王的結(jié)果表現(xiàn)出良好的一致性。證明腰椎間植入交融器附加椎弓根釘固定有利于脊柱的穩(wěn)定性，是一個(gè)較好的術(shù)式。無論是應(yīng)力松馳或是蠕變都以最初的600s內(nèi)應(yīng)力或應(yīng)變變化較大。應(yīng)力松馳曲線呈對(duì)數(shù)關(guān)系變化，蠕變曲線呈指數(shù)關(guān)系變化。對(duì)照1、2、3、4組7200s應(yīng)力松馳量和蠕變量較正常組差異不顯著P0

18、05。對(duì)照3、4組初始蠕變量明顯低于正常組和1、2組，這是由于附加椎弓根釘固定進(jìn)步了腰椎的剛度和強(qiáng)度所為。異種骨腰椎椎間交融器的設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：1交融器的彎曲輪廓與終板的凹度相適應(yīng)；2交融器上下端呈鋸齒狀，能嵌入終板，增大抗撥出力。3交融器插入端圓形設(shè)計(jì)有助于平安植入交融器。4交融器前凸角度為8，交融器后路高度有8、9、10、11、12；5兩枚交融器植入后骨與骨接觸面積近50，大面積接觸中空面可置入大量自體骨；6交融器的前后端承載面能適應(yīng)地?cái)R在保存著的終板皮質(zhì)骨上；7交融器與椎間隙之間接觸嚴(yán)密，相鄰椎體與交融器內(nèi)植骨之間的松質(zhì)骨結(jié)合結(jié)實(shí)。作者設(shè)計(jì)的扁方形腰椎間異種骨交融器，植入椎體后留有一定的

19、間隙，可防止圓形交融器在交融過程中造成的應(yīng)力集中及植骨接觸面積小等缺點(diǎn)，進(jìn)步了骨愈合才能。由于設(shè)計(jì)的交融器上下齒紋角度合理，還可通過椎間加壓，明顯進(jìn)步了抗撥出強(qiáng)度。作者作了圓柱形和扁方形椎體間異種骨交融器置入椎體間后的撥出力的預(yù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示兩者之間的最大撥出力差異不顯著。在新型椎間交融器的研制過程中，減輕和消除植入物對(duì)人體內(nèi)在力學(xué)環(huán)境的影響，是研究工作所追尋的目的，其目的不但是重建脊柱的支撐和運(yùn)動(dòng)功能，更重要的是使植入物在人體長(zhǎng)期不發(fā)生松動(dòng)和脫出，一個(gè)重要的問題是防止在植入體的界面上出現(xiàn)應(yīng)力集中9。作者設(shè)計(jì)的異種骨椎間交融器，在椎體安置后其抗壓、抗彎剛度、改變角度均與正常組無顯著差異，尤其是附加椎弓根釘固定效果更好。說明其設(shè)計(jì)符合生物力學(xué)原理。參考文獻(xiàn)：1馬洪順，張忠君，黎曉華.胎兒臂叢神經(jīng)上干粘彈性實(shí)驗(yàn)研究J.中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2022，233：274278.2馬洪順，陸有，王曉晨.骨質(zhì)疏松對(duì)骨生物力學(xué)性質(zhì)影響實(shí)驗(yàn)研究J.中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2022，224：364369.