弹性力学论文：钉道强化对颈椎前路椎间融合术式稳定性影响的生物力学.pdf

Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery, October 2010, Vol. 24, No.101174钉道强化对颈椎前路椎间融合术式稳定性影响的生物力学研究陈春1 赵卫东1 孙培栋1 吴长福1 瞿东滨2 欧阳钧1【摘 要】 目的 评价聚甲基丙烯酸甲酯 （polymethylmethacrylate， PMMA）骨水泥对颈椎骨螺钉的强化作用，分析钉道强化前后、 疲劳前后不同状态下颈椎前路椎间融合术 （anterior cervical interbody fusion， ACIF） 术后颈椎的稳定性。 方法 在 12 个猪颈椎 （C3 7） 标本上， 利用 Motion Analysis 运动捕捉分析系统和 MTS-858 液压伺服材料试验机按以下分组顺序测试屈伸、 左右侧弯、 左右旋转 6 个方向的运动角位移参数， 包括运动范围 （range of motion， ROM） 、 中性区 （neutral zone， NZ） 和弹性区 （elastic zone， EZ） 。正常对照组 （A 组） 为完整状态 ； 钢板固定组 （B 组） 行 C4、 5椎间盘切除植骨前路钢板固定术 ； 钢板固定疲劳组 （C 组） 对 B 组标本行屈伸、 左右侧弯疲劳实验， 各加载 5 000 次 ； 钉道强化钢板固定组 （D 组） 对 C 组注入 PMMA 实施钉道强化 ； 钉道强化钢板固定疲劳组 （E 组） 对 D 组标本行屈伸、 左右侧弯疲劳实验。 结果 A 组各运动方向 ROM、 NZ、 EZ 与其他各组比较差异均有统计学意义 （P 0.05） 。B 组各运动方向 ROM、NZ、 EZ 明显低于 C 组 （P 0.05） ； 其屈伸 ROM、 NZ 及前屈 EZ 均明显低于 E 组 （P 0.05） 。C 组各运动方向 ROM、 NZ、 EZ 均明显高于 D、 E 组 （P 0.05） 。D 组与 E 组比较， 除屈伸、 左右侧弯 ROM 和 NZ， 左右旋转 ROM， 及屈伸、 右侧弯、 左右旋转 EZ 明显低于 E 组 （P 0.05） 。 结论 PMMA骨水泥强化钉道能明显增强 ACIF 内固定术式的稳定性， 这为临床实施颈椎前路钢板螺钉内固定术提供生物力学依据。【关键词】 骨水泥强化 颈椎前路椎间融合术 疲劳载荷 生物力学中图分类号 ： R681.5 R318.08 文献标志码 ： ABIOMECHANICAL STUDY ON EFFECT OF POLYMETHYLMETHACRYLATE AUGMENTATION ON CERVICAL STABILITY AFTER ANTERIOR CERVICAL INTERBODY FUSION/CHEN Chun1, ZHAO Weidong1, SUN Peidong1, WU Changfu1, QU Dongbin2, OUYANG Jun1. 1Department of Human Anatomy, Southern Medical University, Guangdong Provincial Key Laboratory of Medical Biomechanics, Guangzhou Guangdong, 510515, P.R.China; 2Department of Spinal Surgery, Nanfang Hospital, Southern Medical University. Corresponding author: OUYANG jun, E-mail: 【Abstract】 Objective To evaluate the eff ect of polymethylmethacrylate (PMMA) augmentation on cervical stability after anterior cervical interbody fusion (ACIF) before and after fatigue. Methods Twelve porcine cervical spines (C3-7) were subjected to testing angular displacement parameters, including the range of motion (ROM), neutral zone (NZ), and elastic zone (EZ), in nondestructive fl exion and extension, right/left lateral bending, and left/right rotation on Motion Analysis motion capture system and MTS-858 servo-hydraulic testing machine. Intact cervical spines served as control group (group A); one-level discectomy and fusion was performed with anterior plate fi xation based on group A as group B; fl exion and extension, left/right lateral bending (5 000 cycles) fatigue testing based on group B as group C; the augmentation screw channel was used based on group C as group D; and fl exion and extension, left/right lateral bending fatigue testing were performed based on group D as group E. Results The ROM, NZ, and EZ in group A were significantly different from those in other groups (P 0.05) at fl exion/extension, left/right bending, and left/right rotation. The ROM, NZ, and EZ in group B were signifi cantly smaller than those in group C (P 0.05). The ROM and NZ in fl exion/extension and the EZ in fl exion in group B were signifi cant smaller than those in group E (P 0.05). The ROM, NZ, and EZ in group C in fl exion and extension, left/right lateral bending, and left/right rotation were signifi cantly higher than those in groups D and E (P 0.05). The ROM and NZ in fl exion and extension and left/right lateral bending, and the ROM in left/right rotation, and the EZ in fl exion and extension, right bending, and left/right rotation in group D were signifi cantly smaller than those in group E (P 基金项目 ： 卫生部重大社会公益项目 （200802017）作者单位 ： 1 南方医科大学人体解剖学教研室 广东省医学生物力学重点实验室 （广州， 510515） ； 2 南方医科大学附属南方医院脊柱外科通讯作者 ： 欧阳钧， 教授， 博士导师， 研究方向 ： 医学生物力学， E-mail: 中国修复重建外科杂志2010年10月第24卷第10期1175颈椎前路椎间融合术 （anterior cervical interbody fusion， ACIF） 是治疗颈椎退行性病变的常用术式， 然而对于骨质疏松患者或需要多节段融合的患者， 前路钢板螺钉要获得足够的把持力仍比较困难。此外， 临床上常出现首次植钉失败， 二次拧入导致螺钉植入后把持力下降、 松动、 脱出等， 因此如何提高螺钉的把持力是临床上亟待解决的问题之一1-2。近年来， 利用椎弓根钉道强化技术治疗和修复胸腰椎损伤已有大量研究， 并且在临床上得到广泛应用3-5， 而该技术在颈椎应用的实验研究相对较少6-8， 特别是钉道强化后疲劳测试对生物力学稳定性的影响罕见报道。本研究使用聚甲基丙烯酸甲酯 （polymethylmethacrylate， PMMA）骨水泥强化前路钢板单皮质骨椎体螺钉钉道， 分析在强化前后、 疲劳前后等不同状态下颈椎的生物力学稳定特性， 以期为临床实施螺钉松脱翻修术、 预防性强化钢板螺钉提供生物力学依据， 从而为颈椎钢板前路固定术的技术改良奠定理论基础。1 材料与方法1.1 实验标本选用新鲜猪颈椎 （C3 7） 标本 12 个， 8 10 月龄（平均 9 月龄） ， 体重 80 100 kg。所有标本均摄正侧位 X 线片， 以排除病变或畸形标本。标本用双层塑料袋密封后， 于 20保存 ； 实验前 8 h 取出标本， 室温下自然解冻， 剔除周边肌肉、 筋膜， 注意保持韧带、 椎间盘和骨结构完整。修整后的标本用 PMMA 骨水泥 （上海新世纪齿科材料有限公司） 包埋， 包埋时保持整个颈椎处于中立位， C5呈水平位， 喷洒生理盐水保持标本湿润。所有测试在 6 h 内完成， 测试后标本用双层塑料袋包裹后 4冷藏。1.2 实验材料与仪器双节段颈椎前路蝶形钢板螺钉系统 ： 钛合金长32 34 mm， 松质骨螺钉长 12.8 mm、 直径 4 mm（佛山施泰宝外科植入物有限公司） 。MTS-858 液压伺服材料试验机 （MTS 公司， 美国） ； MTS 控制下对抗加载三维运动试验仪 （6 个自由度方向10 10 Nm 对抗连续加载） ， 由本实验室自制 ； 3510-AT 疲劳试验机（BOSE 公司， 美国） ； 运动捕捉系统、 EVaRT 软件 （Mo-tion Analysis 公司， 美国） 。1.3 实验分组及稳定性测试和疲劳测试标本按照以下顺序分别测试 5 种状态下的运动角位移参数， 包括运动范围 （range of motion， ROM） 、中 性 区 （neutral zone， NZ）和 弹 性 区 （elastic zone，EZ） 。 正常对照组 （A 组） ： 完整状态。钢板固定组 （B 组） ： 按照临床标准 ACIF 手术方法行 C4、 5椎间盘切除术9。所有标本均采用双节段颈椎前路蝶形钢板螺钉系统固定， 于 C4、 5椎体节段拧入 4 枚单皮质椎体螺钉和 2 枚锁定钉。钢板固定疲劳组 （C 组） ：对 B 组标本行屈伸、 左右侧弯疲劳实验。疲劳实验在 3510-AT 疲劳试验机上进行 （图 1）10-11。以 1 Hz、2 Nm（20 110 N 的轴向载荷产生）的力矩按正弦波加载 5 000 次。过程中用湿纱布包裹并喷洒生理盐水。疲劳实验结束后将标本在生理盐水内浸泡 8 h以恢复韧带和椎间盘的正常力学性质12。钉道强化钢板固定组 （D 组） ： 对 C 组标本实施钉道强化， 通过 20 mL 注射器经穿刺针沿双侧钉道注入黏稠状的PMMA 骨水泥， 5 min 后拧入椎体螺钉， 室温下 （28）放置 1 h 后进行标本测试。PMMA 注射量为单侧钉道0.3 0.5 mL8。钉道强化钢板固定疲劳组 （E 组） ：同 C 组方法， 对 D 组标本行屈伸、 左右侧弯疲劳实验。在 MTS-858 液压伺服材料试验机上对各组标本行屈伸、 左右侧弯和左右旋转 6 个运动方向的稳定性测试 （图 2） ， 对所有标本实施纯力偶矩加载13， 载荷为0.5 2.0 Nm， 保持 30 s 为 1 个循环， 加载 - 卸载循环3 次后采集数据。采用运动捕捉系统 （图 2） 捕捉脊柱三维运动位移14-17， Eagle-4 数字动作捕捉镜头动态追踪并自动精确捕捉安放在标本上标志球的位移 （精度0.000 001 mm， 时间间隔 0.001 s） ， EVaRT 软件根据光学三维运动分析原理计算每个标本节段的运动位移。1.4 统计学方法采用 SPSS13.0 统计软件包进行分析。数据以均数 标准差表示， 组间比较采用重复测量的方差分析，P 值 0.05 为有统计学意义。2 结果2.1 ROM 和 NZ 检测 A 组与其他各组比较， 各运动方向 ROM、 NZ 差异均有统计学意义 （P 0.05） 。B 组与 C 组比较， 各运动方向 ROM、 NZ 差异均有统计学意义 （P 0.05） ； 与 E 组比较， 其屈伸 ROM 及 NZ 差异有统计学意义 （P 0.05） 。C 组与 D、 E 组比较， 各运动方向 ROM、 NZ 差异均有统计学意义 （P 0.05） 。D 组与 E 组比较， 其屈伸、 左右侧弯 ROM、 NZ差异均有统计学意义 （P 0.05） ； 左右旋转 ROM 差异有统计学意义 （P 0.05） 。见表 1。2.2 EZ 检测A 组与其他各组比较， 各运动方向 EZ 差异均有统计学意义 （P 0.05） 。B 组与 C 组比较， 各运动方向的EZ 差异均有统计学意义 （P 0.05） ； 与 E 组比较， 其前屈 EZ 差异有统计学意义 （P 0.05） 。C 组与 D、 E 组比较， 各运动方向 EZ 差异均有统计学意义 （P 0.05） 。D 组与 E 组比较， 其屈伸、 右侧弯、 左右旋转 EZ 差异均有统计学意义 （P 0.05） 。见表 2。3 讨论3.1 ACIF 术后螺钉松动的原因及对策ACIF 治疗颈椎病的临床效果良好18-19， 然而随着脊柱融合技术的不断发展以及在世界范围的普及，融合术后螺钉脱落的并发症逐渐受到重视。椎体螺钉的稳定性是决定颈椎前路钢板螺钉系统固定效果的关键， 而骨质疏松、 多节段钢板螺钉系统固定术及术中操作等常引起螺钉松动、 脱落。金大地等20和陈德玉等21认为影响颈椎椎弓根螺钉松动脱落的主要因素有 ： 患者一般为老年人， 骨质疏松严重， 螺钉把持力不够 ； 术中反复调整螺钉方向， 使攻丝后的骨螺纹消表 1 各组各运动方向颈椎 ROM 和 NZ 检测 （n=12， ， x s）Tab.1 ROM and NZ of the cervical spines in each group（n=12， ， x s）组别GroupROMNZ屈伸Flexion/extension左右侧弯Left/right lateral bending左右旋转Left/right rotation屈伸Flexion/extension左右侧弯Left/right lateral bending左右旋转Left/right rotationA11.67 4.05#11.87 1.50#4.45 1.82#8.27 3.85#0.11 1.78#1.86 1.09#B 1.35 0.85* 0.85 0.61*0.97 0.34*0.79 0.59*0.54 0.44*0.37 0.21*C 3.55 2.87*# 2.11 1.56*#2.55 1.48*#2.59 2.57*#2.27 1.69*#1.12 0.76*#D 1.50 1.10* 1.14 0.74*1.05 0.57*0.89 0.88*0.57 0.50*0.44 0.26*E 2.05 1.28*# 1.60 1.19*1.47 0.76*1.25 1.00*#0.96 0.76*0.61 0.45*与 A 组比较 P 值 0.05，#与 B 组比较 P 值 0.05，与 C 组比较 P 值 0.05，与 D 组比较 P 值 0.05* Compared with group A, P 0.05; #compared with group B, P 0.05; compared with group C, P 0.05;?compared with group D, P 0.05表 2 各组各运动方向颈椎 EZ 检测 （n=12， ， x s）Tab.2 EZ of the cervical spines in each group（n=12， ， x s）组别Group前屈Flexion后伸Extension左侧弯Left lateral bending右侧弯Right lateral bending左旋转Left rotation右旋转Right rotationA5.02 2.03#6.64 2.25#6.25 0.86# 5.79 0.59#2.83 1.42# 1.62 0.57#B0.67 0.42* 0.67 0.42* 0.44 0.30*0.42 0.30*0.58 0.35* 0.45 0.19* C1.83 1.34*#1.72 1.57*#1.01 0.30*#1.09 0.87*#1.42 0.92*#1.04 0.47*#D0.77 0.55*0.73 0.55*0.62 0.37* 0.52 0.37*0.62 0.36*0.47 0.22*E1.03 0.62*# 1.01 0.67* 0.84 0.62* 0.75 0.57*0.74 0.39* 0.72 0.42* *与 A 组比较 P 值 0.05，#与 B 组比较 P 值 0.05，与 C 组比较 P 值 0.05，与 D 组比较 P 值 0.05*Compared with group A, P 0.05; #compared with group B, P 0.05; compared with group C, P 0.05;?compared with group D, P 0.05图 1 3510-AT 疲劳试验机对标本进行后伸偏心疲劳测试 （箭头所示） 图 2 运动捕捉系统的部分 Eagle-4 镜头捕捉颈椎三维运动的运动角位移 （箭头所示）Fig.1 Eccentric extension fatigue testing on 3510-AT fatigue testing ma-chine (Arrow) Fig.2 The part of Eagle-4 digital camera of the Motion Analysis motion capture system captures angular displacement of cervical (Arrow)21中国修复重建外科杂志2010年10月第24卷第10期1177失 ； 手术操作不当， 导致螺钉位置不良， 如进入椎间隙等 ； 其他危险因素， 如年龄、 异体骨植骨、 多节段多钢板、 术前颈椎不稳定及损伤机制不明确、 术后外固定、 术后外伤等。目前解决这一问题的方法有强化螺钉材料、 改善螺钉内固定系统的设计、 改进螺钉植入方法等， 其中骨水泥钉道强化技术临床应用较广泛。钉道强化的原理是使骨水泥与螺钉和周围骨形成紧密连接， 增强螺钉和骨水泥界面的固定， 减少对固定界面的破坏， 从而避免螺钉脱落。多数学者认为提高螺钉在椎体和椎弓根内的牢固性是获得稳定内固定的关键22-23， 并尝试向螺钉的钉道内注入骨黏合剂以达到改变固定界面、 强化螺钉的目的。但回顾文献发现对颈椎前路钉道强化的基础研究较少。陈跃平等6在 2008 年采用 16 个青年男性尸体新鲜椎体标本进行修复和强化， 结果发现轴向拔出力分别增加了 45% 和80%。Pitzen 等7通过对颈椎前路螺钉骨水泥翻修生物力学实验发现， 翻修螺钉与标准螺钉的轴向拔出力差异无统计学意义。临床方面， 司瑜等8对 6 例颈椎骨质疏松患者实施椎体钉道及周围强化， 随访 4 13个月， 均未发现钛板螺钉脱落或椎体塌陷。3.2 骨质疏松患者改善椎体螺钉系统稳定性的方法通过钉道强化椎体是增强骨质疏松患者椎体螺钉把持力的主要方法， Burval 等24应用 PMMA 骨水泥加固椎弓根钉道， 提高了骨质疏松椎体即时和疲劳后的固定强度， 但固定强度不及椎体球囊扩张术。吴继功等25对颈椎椎体成形术的生物力学测试研究表明钉道强化能提高椎体的抗压缩力和刚度。但对于骨质疏松骨质， 骨水泥注射剂量不当易导致骨水泥渗漏， 提高术后风险26-27。但若仅强化钉道， 而因骨水泥在固化过程中的产热作用， 使骨水泥 - 骨接触面的骨质发生无菌性坏死， 会降低骨水泥与骨的结合强度， 发生螺钉松动。因此本研究采用钉道及周围强化， 不会影响椎体血运， 也不影响植骨愈合。通过对标本进行 5 种状态脊柱三维稳定性测试后发现， 钉道及周围强化能增强即刻和疲劳载荷后的稳定性。3.3 影响椎体螺钉稳定性的因素螺钉的即时轴向拔出实验能反映螺钉在体内的即时稳定性， 但不能评价螺钉长期在体稳定性情况。体外疲劳实验是解决这个问题的较好方法28-29， 因此，螺钉的疲劳松动次数 （number of loading cycles， NLC）和轴向拔出力是反映椎体螺钉稳定性的良好指标。Youssef 等30认为， 螺钉的 NLC 较轴向拔出力更能反映螺钉的稳定程度， 螺钉的稳定程度直接影响脊柱的三维稳定性。描述三维稳定性的运动角位移有 ROM、NZ 和 EZ 3 个重要参数， 如果任一方向上的 ROM、 NZ或 EZ 显著增加， 则说明该节段不稳定， 反之则说明该节段稳定 ； 其中 EZ 反映了脊柱在正常生理活动状态下的力学性能。本研究结果显示， D、 E 组比 C 组的三维稳定性增强， 说明 PMMA 骨水泥强化椎体螺钉后能提高椎体螺钉与骨界面的稳定性及有效提高螺钉的抗疲劳能力。在偏心疲劳实验中， 超过 5 000 6 000 次的载荷变形曲线拟合不理想， 因此本研究采用了 5 000 次的疲劳次数31-32。Hakalo 等33报道疲劳测试使用猪标本的轴向加载载荷为 20 200 N， 频率为 2.5 Hz。鉴于猪标本的大小、 年龄及预实验的结果， 本研究采用了频率 1 Hz， 20 110 N 的轴向载荷加载， 以保证标本的运动度处于最大生理范围之内而不被破坏。樊仕才等34报道 2 000 次的屈伸疲劳载荷对螺钉的稳固性无影响， 而本研究 5 000 次的左右侧弯、 屈伸疲劳载荷使钢板螺钉系统三维稳定性有所降低， E 组屈伸 ROM 和NZ 及前屈 EZ 与 B 组比较， 差异均有统计学意义 （P 0.05） ；提示强化后抗后伸的螺钉拔出能力增强。两者在左右旋转 EZ、 NZ 上差异均无统计学意义 （P 0.05） ， 这可能与我们未设计旋转疲劳实验有关。在研究中需要对每个标本经历多次重复实验， 而脊柱本身的软组织性质对 ROM 的影响最大。因此， 标本的工作环境及湿润程度和软组织理化特性的及时恢复至关重要， 干燥或不能及时恢复理化特性的标本可能会导致标本的刚性增加， 使 ROM 减小， 从而减少脊柱的运动范围， 增大实验误差。实验过程中我们保持标本在稳定室温 （20）下并及时向标本喷洒生理盐水， 并且 C 组标本在测试稳定性结束后， 使用湿生理盐水纱布包裹放置在 4冰箱下 8 h 后再进行稳定性测试12。猪标本的个体差异性很小， 被广泛应用于生物力学测试， 其生物力学特点与人颈椎标本在矢状面 （屈伸） 上相似9。但猪椎间盘大于人椎间盘， 在预实验过程中， 用猪棘突制作长 21 mm、 宽 16 mm 的植骨块经疲劳后发生破裂， 因考虑到测量的是标本即时和疲劳后的稳定性， 而且本研究不会牵涉到植骨融合问题， 所以制作了尺寸合适的 PMMA 骨水泥植骨块代替以进行支撑复位35， 植骨块宽度大于骨窗 2 mm， 并将其表面敲击平整。在预实验中通过载荷 - 位移曲线发现使用猪颈标本可有效模拟临床螺钉松动的效果， 从而增加实验可信度， 结果提示 B 组与 E 组的屈伸 ROM、 NZ比较差异均有统计学意义 （P 0.05） ， 说明疲劳载荷对颈椎的屈伸运动影响较大。李超等36认为引起临床螺钉松动脱落的主要因素与放置支撑钢板螺钉系统时固定钢板两端的椎体上张力增大有关， 即在限制性钢Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery, October 2010, Vol. 24, No.101178板矢状面上出现较大的弯曲应力， 由于钢板和螺钉之间紧密结合， 这种应力必然会传递到螺钉， 骨 - 螺钉界面强度的减弱似乎易较早发生。Hussain 等37通过有限元分析发现限制性钢板螺钉在终板处的成角是造成承受很大剪切力的主要原因， 因此也容易造成螺钉松动。本研究在 C 组发现 2 例标本钢板下极发生了明显的螺钉松动， 进一步证实了文献的推测。本研究仅测试了 PMMA 骨水泥强化、 疲劳前后对脊柱稳定性的影响， 未考虑到临床实施钢板螺钉翻修术时脊柱的运动范围， 下一步研究将在人体骨质疏松颈椎标本上进行骨水泥修复和强化疲劳实验， 分析螺钉的即刻和疲劳载荷下骨 - 螺钉界面生物力学特性， 以期为临床实施骨质疏松或多节段钢板固定椎体螺钉翻修术、 预防性强化或修复骨质疏松， 及多节段前路钢板螺钉手术提供一种良好的方法。4 参考文献1 Cagli S, Isik HS, Zileli M. 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