异种骨椎间融合器椎弓根钉固定腰椎体间融合术的生物力学评价

1、异种骨椎间交融器椎弓根钉固定腰椎体间交融术的生物力学评价【关键词】异种骨椎间交融器摘要：目的评价异种骨椎间交融器行后路腰椎椎体间交融的即刻稳定效果及自身强度。方法取16具新颖成年男性L15腰椎标本，分别对完好L15正常组；模拟后路间盘L3、4摘除置交融器对照1组；模拟后路间盘L3、4、L4、5摘除置交融器对照2组；模拟后路间盘L3、4摘除置交融器附加椎弓根钉固定对照3组；模拟后路间盘L3、4、L4、5摘除置交融器附加椎弓根钉固定对照4组进展前屈、后伸、改变、轴向压缩和腰椎移位时交融器的最大拨出力及粘弹性实验研究。结果显示椎间交融器植入后腰椎压缩、前屈、后伸、位移和改变角度较正常组有一定差异，但

2、不显著P005；而椎间植入交融器附加椎弓根固定，压缩、前屈、后伸、位移、改变角度较正常组差异显著P005。腰椎移位时拨出力实验结果说明，对照1、2交融器植入椎体移位时最大拨出力为183KN。对照1、2、3、4组7200s三应力松驰量和蠕变量较正常组差异不显著P005,对照3、4组初始蠕变量明显低于正常组和1、2组。结论异种骨椎间交融器具有足够的支撑、抗滑、维持或增加椎间隙高度的功能，符合生物力学及临床要求。关键词：腰椎；异种骨椎间交融器；椎弓根钉固定；生物力学；稳定性；粘弹性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自体髂骨移植作为后路腰椎椎间交融的最常见方式，已广泛应用于后路腰

7、椎椎间交融术中。在获得较好的临床疗效的同时,仍存在着较多的植骨并发症和取骨并发症。钛合金age在腰椎椎体间交融手术中已得到较广泛应用,但其所产生的并发症已也明显影响了其在临床上的应用,如交融器的异物反响、应力遮挡、下沉，交融难以判断观察，不交融导致的腰椎不稳以及价格昂贵、金属异物在体内长期存留等。为此作者研制出一种来源充足、取材方便、价廉、并发症少的生物型交融器弥补了以往方法的一些缺乏。作者在借鉴国内外各类交融器优点的根底上设计了一种扁方型异种骨腰椎间交融器，并在成人新颖腰椎标本上模拟生物力学测试，据此评价异种骨椎间交融器重建腰椎的生物力学稳定性，为临床应用提供理论根据。1实验的准备11材料的

8、制备腰椎椎间交融器的制作，将新颖安康成年牛小腿取下，去除肌肉、骨膜和骨髓后用强氧化离子水清洗屡次，机械加工成前主视长23、宽9、高11，后后视宽9、高10、轴向内孔直径6，纵轴长槽宽6、长14，横向两孔直径4，上、下外表圆弧R30，圆柱局部带螺纹，纹距25，纹深10。机械加工完成后离子水再次清洗后11氯仿甲醇脱脂2h，湿式密封12kGY，射线辐照灭菌待用。12标本的制备及手术方法实验标本取自正常国人急性头部外伤致死的新颖尸体，均为男性；年龄2030岁，于死亡之后1h之内进展解剖切取其腰椎，附带局部肌肉，对每个标本经X线检查均无腰椎病变与损伤。将标本置于塑料袋中,密封后置于冰箱(-30)内保存，

9、实验前取出标本，在室温下解冻，去除肌肉，保存前纵韧带、棘间韧带、黄韧带、小关节突及关节囊。力学性质实验与粘弹性实验各取16个标本，用自凝牙托粉将标本两端固定，使标本两端平整。在16个标本中先取8个标本做弹性实验，先做正常组应力松弛、蠕变实验，正常组标本做完后，待标本恢复24h后，模拟后路间盘切除置入1个交融器对照1组，即在L3、4间隙做全椎板切除，拉开硬膜囊，切除间盘及上、下软骨板，露出局部骨质，撑开间隙，用试模试植入，分别以两侧植入两个试模同号的异种骨交融器进展应力松弛、蠕变实验。做完待恢复24h后在L4、5间隙置入交融器对照2组进展应力松弛、蠕变实验。做完待恢复24h后，在后路间盘L3、4

10、间隙置1枚交融器，以6枚椎弓根钉固定对照3组进展应力松弛、蠕变实验，做完后待恢复24h后，在L3、4和L4、5间隙置交融器，置6枚椎弓根钉固定对照4组进展应力松弛、蠕变实验。稳定性实验取8个标本，手术方式与实验步骤与应力松弛、蠕变一样，先做正常组，之后对照1、2、3、4组。实验用器械根本为后路椎间交融的器械加铰刀、刮勺、嵌入器、自制4个型号的试模一套。13实验器材腰椎改变实验在K-50型改变试验机上进展。L15标本屈、伸、轴向压缩、应力松驰及蠕变实验使用机器为日本岛津AG-10TA自动控制电子万能试验机。载荷通过载荷传感器传递，位移通过光电编码器传递，应变通过机器的应变单元测量。实验完毕后，计

11、算机自动输出实验结果。生物材料在应力作用下都有滞后现象，在变形过程中有熵的改变，有机械能损失，所以正式实验前必须对标本进展预调处理。本实验对所有标本在最大应力为其破坏应力的30%应力程度下对试样反复加、卸载30次，循环曲线趋于平稳后进展实验1、2。2实验方法及结果21腰椎L15腰椎前屈、后伸实验本实验以2/in的实验速度对标本施加载荷，分别测出50500N所对应的位移。各组试样载荷-位移曲线经计算机进展拟合后见图1、2。数据统计学差异分析见表1、2。表1各组前屈载荷位移数据统计学差异略表2各组后伸载荷位移数据统计学差异略2腰椎轴向压缩实验实验条件同上，依次测出每组试样各8个的载荷-位移数据，曲

12、线见图3。数据统计学差异分析见表3。表3各组压缩载荷位移数据统计学差异略3腰椎改变实验计算机驱动机器以2度/in的实验速度对试样施加扭矩，分别测出20200N所对应的改变角值。依次测出各组试样的扭矩-改变角数据与曲线。实验曲线经计算机拟合后见图4。统计学差异分析见表4。表4各组改变载荷位移数据统计学差异略4腰椎移位时交融器拨出力实验以2/in的速度对标本施加拨出力，至交融器拨出时记录最大拨出力，结果见表5。表5腰椎移位时拨出力实验结果略5L15段脊柱压缩应力松驰实验略正常组、对照14组应力松驰曲线经计算机拟合后见图5。统计学差异见表6。由对数计算绘出的正常组、对照1、2、3、4组腰椎归一化应力

13、松驰函数曲线见图6。统计学差异见表7。表6各组7200s应力松弛量统计学差异略表7各组7200s蠕变量统计学差异略转贴于论文联盟.ll.6L45腰椎蠕变实验略正常组、对照1、2、3、4组蠕变曲线见图7。由正常组、对照1、2、3、4组实验结果可得到J(t)的一组实验值，Jt的实验函数曲线见图8。3讨论退变性下腰椎疾患常伴有不同程度的不稳。Tener等实验证明，腰椎在侧屈、后伸时负荷最大，切小关节会破坏腰椎的柔韧性、耦合运动，导致应力集中，关节间隙狭窄，使腰椎稳定性下降。为了重建腰椎的稳定，节段性交融是必要的。自体髂骨移植是最常见的交融方式，在获得一定的临床疗效的同时，也存在较多的缺陷，即易出现植

14、骨块脱出、松动、吸收、塌陷,并影响植骨交融率，其次，取自体骨手术的非严重并发症发生率高达10%20%，包括失血量增加、血肿、供骨区疼痛、化脓性感染、股外侧皮神经、臀上神经损伤导致的感觉障碍。讨论取代髂骨移植方式及如何使交融节段获得稳定以促进植骨交融是我们研究的课题。随着金属交融器临床应用逐渐增多，该交融器的缺点及并发症的报告也逐渐增多3、4，有的学者再次把目光转向了异体骨，但异体骨存在着无法找到供体的日益严重的缺陷。寻找一种取材方便广泛、价格低廉的生物型交融器是临床工作的要求。生物型交融器应具有以下特点：1简化了传统手术的程序，缩短了手术的时间。2替代物要有足够的强度获得椎体间支撑；生物相容性

15、好,不引起不良生物反响；无污染、不对受者造成感染。3替代物要具有骨诱导性，可作为新骨形成的基架,可促进成骨、刺激间质干细胞分化为活泼的成骨细胞。4来源充足，取材方便，价廉。异种骨也像其他器官一样具有明确的免疫原性。其免疫原主要存在于骨的有机质中。刘伟用免疫组化的方法结合新颖不脱钙切片技术首次证实：异种植骨的抗原性主要位于骨细胞和哈佛管道内皮上，骨胶原常常被观察到没有抗原性或是有很弱的抗原性。罗卓荆等5用双染色法测定结果，在牛松质骨内的多种细胞成分是移植的主要抗原成分，所以皮质骨含有较弱的抗原性，且去除抗原性的方法也比松质骨容易得多。异种骨腰椎椎间交融器取材于牛小腿的皮质骨，经过严格的脱脂脱蛋白

16、处理。应用时交融器中心复合植入大量的自体骨，大大的增强了骨诱导性，腰椎椎间交融器仅作为扁方形皮质骨支架复合植入，故虽是不同种属间组织移植，但引起的免疫排挤反响非常微弱，对组织交融无不良反响。交融器植入本身并不能进步椎节的稳定性，Diar等6指出：除非附加椎弓根螺钉系统内固定，否那么后路腰椎椎体间交融器不宜单独使用，尤其是存在中重度不稳倾向的下腰疾患。Zha等7报道应用单枚交融器附加椎弓根螺钉治疗腰椎滑脱症时，获得满意的效果。本实验结果显示椎间交融器植入后腰椎压缩、前屈、后伸、位移和改变角度较正常组有一定差异，但不显著P005，而椎间植入交融器附加椎弓根固定，压缩、前屈、后伸位移、改变角度较正常

17、组差异显著P005，说明无论是植入单枚椎间交融器还是置入双枚椎间交融器附加椎弓根钉固定都可到达稳定腰椎的目的。王8报道了以应变电测原理和技术模拟单枚椎间交融器附加椎弓根固定行后腰椎体间交融术，进展应变电测量，其结果为椎间交融器植入后附加椎弓根固定腰椎强度与刚度值均超过正常腰椎。本实验结果虽然测量方法与其不同，但与王的结果表现出良好的一致性。证明腰椎间植入交融器附加椎弓根钉固定有利于脊柱的稳定性，是一个较好的术式。无论是应力松驰或是蠕变都以最初的600s内应力或应变变化较大。应力松驰曲线呈对数关系变化，蠕变曲线呈指数关系变化。对照1、2、3、4组7200s应力松驰量和蠕变量较正常组差异不显著P0

18、05。对照3、4组初始蠕变量明显低于正常组和1、2组，这是由于附加椎弓根钉固定进步了腰椎的刚度和强度所为。异种骨腰椎椎间交融器的设计有如下特点：1交融器的弯曲轮廓与终板的凹度相适应；2交融器上下端呈锯齿状，能嵌入终板，增大抗拨出力。3交融器插入端圆形设计有助于平安植入交融器。4交融器前凸角度为8，交融器后路高度有8、9、10、11、12；5两枚交融器植入后骨与骨接触面积近50，大面积接触中空面可置入大量自体骨；6交融器的前后端承载面能适应地搁在保存着的终板皮质骨上；7交融器与椎间隙之间接触严密，相邻椎体与交融器内植骨之间的松质骨结合结实。作者设计的扁方形腰椎间异种骨交融器，植入椎体后留有一定的

19、间隙，可防止圆形交融器在交融过程中造成的应力集中及植骨接触面积小等缺点，进步了骨愈合才能。由于设计的交融器上下齿纹角度合理，还可通过椎间加压，明显进步了抗拨出强度。作者作了圆柱形和扁方形椎体间异种骨交融器置入椎体间后的拨出力的预实验，结果显示两者之间的最大拨出力差异不显著。在新型椎间交融器的研制过程中，减轻和消除植入物对人体内在力学环境的影响，是研究工作所追寻的目的，其目的不但是重建脊柱的支撑和运动功能，更重要的是使植入物在人体长期不发生松动和脱出，一个重要的问题是防止在植入体的界面上出现应力集中9。作者设计的异种骨椎间交融器，在椎体安置后其抗压、抗弯刚度、改变角度均与正常组无显著差异，尤其是附加椎弓根钉固定效果更好。说明其设计符合生物力学原理。参考文献：1马洪顺，张忠君，黎晓华.胎儿臂丛神经上干粘弹性实验研究J.中国生物医学工程学报，2022，233：274278.2马洪顺，陆有，王晓晨.骨质疏松对骨生物力学性质影响实验研究J.中国生物医学工程学报，2022，224：364369.