腰椎U形生物彈性內(nèi)固定器的生物力學(xué)研究.pdf

1、由于炎癥（結(jié)核、感染）、腫瘤、創(chuàng)傷及退行性變（滑脫、不穩(wěn)、多節(jié)段椎間盤突出、椎管狹窄及醫(yī)源性因素）等原因引起的下腰痛是骨科常見病、多發(fā)病，且隨著人口老年化，社會(huì)生活、工作日益緊張、頻繁，其發(fā)病率日益增高，不僅嚴(yán)重影響患者的生活和工作，而且對社會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，一般的非手術(shù)治療療效欠佳，因此在減壓的基礎(chǔ)上實(shí)施堅(jiān)強(qiáng)固定及牢固融合是目前治療因腰椎不穩(wěn)定所致腰痛的金標(biāo)準(zhǔn)。然而很多患者雖然得到有效的融合，臨床效果卻不佳。因?yàn)?，?jiān)強(qiáng)的固定

2、器使之承受了大部分的載荷，而使固定節(jié)段分享的載荷大大減少，從而產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)，使鄰近節(jié)段椎間盤和小關(guān)節(jié)的載荷改變、活動(dòng)度增大、椎間盤壓力增高，導(dǎo)致產(chǎn)生了一系列問題，如：骨融合質(zhì)量下降，固定節(jié)段的骨質(zhì)疏松、骨萎縮，鄰近節(jié)段的椎間盤、小關(guān)節(jié)退行性變，以及應(yīng)力過于集中所導(dǎo)致的斷釘、斷棒等。這些促使脊柱外科醫(yī)生思考引起慢性下腰痛的真正原因及應(yīng)用非融合技術(shù)治療腰椎退變性疾病的可能性。 理想的方法是在不犧牲脊柱固定穩(wěn)定性的前提下，增加載荷

3、分享，減少應(yīng)力遮擋和應(yīng)力集中。由此，脊柱動(dòng)力性內(nèi)固定（半堅(jiān)強(qiáng)固定、柔性固定、彈性固定，PDS：posterior dynamic stabilization）的概念被提出并逐漸在國際上得到承認(rèn)。Mulholland等認(rèn)為，異常活動(dòng)所致的椎間盤內(nèi)應(yīng)力分布模式異常，是引起下腰痛的直接原因，并提出動(dòng)力性固定的概念。所謂動(dòng)力固定（dynamic stabilization）也稱軟固定或彈性固定，即通過內(nèi)固定裝置既固定脊柱節(jié)段，又允許其在限制的范

4、圍內(nèi)活動(dòng)，從而達(dá)到增加載荷分享，減少應(yīng)力遮擋和應(yīng)力集中的作用。該概念的提出是基于腰痛原因的“鞋子內(nèi)的沙?！钡募僬f，正常椎間盤有各向同性結(jié)構(gòu)的自然特性。正常髓核是由蛋白聚糖和性質(zhì)均勻一致的膠質(zhì)構(gòu)成，而退變椎間盤則變成性質(zhì)不均一的碎裂、縮減的凝膠體，組織含水部分混有氣體。有時(shí)，孤立的纖維環(huán)或終板碎片可進(jìn)入椎間盤內(nèi)部。這些椎間盤內(nèi)異常、松散的碎片就像鞋內(nèi)的石子，導(dǎo)致高的應(yīng)力集中，通過終板的載荷分布變的不均勻，生理狀態(tài)的載荷傳導(dǎo)方式和分享模式發(fā)

5、生改變導(dǎo)致疼痛。 另外，脊柱節(jié)段異常位移的方向、程度也可通過椎間盤載荷分布異常導(dǎo)致疼痛。因此，認(rèn)為單純阻止異常位移不是取得腰背痛緩解的因素，而創(chuàng)建一個(gè)正常的載荷承載模式對臨床成功甚為重要，由此，產(chǎn)生了固定而不融合的新理念。Panjabi MM等認(rèn)為：脊柱運(yùn)動(dòng)范圍分為中性區(qū)和彈性區(qū)，中性區(qū)是指從關(guān)節(jié)中立位到彈性位移起點(diǎn)，為無阻抗運(yùn)動(dòng)區(qū)，而彈性區(qū)是指從彈性位移起點(diǎn)到最大位移點(diǎn)，為阻抗運(yùn)動(dòng)區(qū)，彈性區(qū)阻抗來自韌帶牽拉，而在中性區(qū)各韌帶則

6、保持松弛。動(dòng)力性內(nèi)固定的目的就是固定脊柱運(yùn)動(dòng)節(jié)段，使其盡量維持在中性區(qū)活動(dòng)，通過控制腰椎節(jié)段的異常運(yùn)動(dòng)，提供接近生理狀態(tài)的載荷傳導(dǎo)方式、載荷分享模式及位移，從而達(dá)到緩解疼痛、預(yù)防臨近節(jié)段退變性疾病的效果。 目的：通過生物力學(xué)試驗(yàn)評價(jià)新型腰椎U形生物彈性內(nèi)固定器的生物力學(xué)特性，并與傳統(tǒng)的剛性內(nèi)固定器進(jìn)行比較，為該系統(tǒng)進(jìn)一步臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。 方法：腰椎U形彈性內(nèi)固定系統(tǒng)的連接棒中段設(shè)計(jì)為“U”形，采用的材料為上海鋼鐵研

7、究所醫(yī)用鎳鈦記憶合金，鎳含量為50．8 at％-51．8 at%，余為鈦，彈性模量（馬氏體態(tài)）達(dá)到71400MPa，并委托中科院金屬研究所加工制作；椎弓根螺釘為鈦合金材料，整個(gè)螺釘設(shè)計(jì)為向下的錐型，相對螺釘?shù)母鶑綇倪h(yuǎn)端至近端逐漸增粗，螺紋寬度一致，螺紋深度從釘尖向上逐漸變淺。 選取新鮮小牛尸體腰椎標(biāo)本（L2-L5）6具，排除腰椎外傷、腫瘤和骨質(zhì)增生等疾病。將標(biāo)本用多層保鮮膜包裹后置于-20℃環(huán)境中冷凍保存，在該溫度下保存的小牛尸

8、體新鮮標(biāo)本，骨與韌帶的生物力學(xué)特性無明顯改變。試驗(yàn)前將標(biāo)本放于室溫和一定濕度下解凍12-18h，仔細(xì)去除椎體周圍的肌肉、脂肪和結(jié)締組織等軟組織，保留完整的前縱韌帶和棘上韌帶，然后用UHMWPE材料聚甲基丙烯酸甲脂將L2和L5椎體分別包埋。 根據(jù)試驗(yàn)順序分成正常組、損傷不穩(wěn)組、傳統(tǒng)腰椎剛性內(nèi)固定器固定組、腰椎U形生物彈性固定器固定組的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停謩e將以上4種狀態(tài)標(biāo)本先后連接在脊柱三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的加截盤和試驗(yàn)臺(tái)上，對脊柱標(biāo)本施加8

9、Nm的前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左側(cè)旋轉(zhuǎn)及右側(cè)旋轉(zhuǎn)方向的純力矩，使脊柱相應(yīng)作上述運(yùn)動(dòng)。由激光攝像機(jī)攝零載荷和最大載荷（8Nm）時(shí)脊柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)計(jì)算脊柱節(jié)段間角度變化，分析與載荷方向相同的脊柱運(yùn)動(dòng)范圍（range of motion，ROM），計(jì)算L3與L4之間的ROM。 根據(jù)試驗(yàn)順序，6個(gè)標(biāo)本按正常、損傷及用剛性固定、彈性固定4個(gè)狀態(tài)依次在MTS858試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行前屈一后伸壓縮試驗(yàn)。計(jì)算剛度。

10、 （試驗(yàn)分組）A組：正常組；B組：脊柱損傷模型組；C組：傳統(tǒng)腰椎剛性內(nèi)固定系統(tǒng)固定組；D組：腰椎U形生物彈性內(nèi)固定系統(tǒng)固定組。 結(jié)果： 1、脊柱三維運(yùn)動(dòng)測試; 屈伸運(yùn)動(dòng)：C組、D組與A組間存在顯著性差異，C組和D組間存在顯著性差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。D組比C組屈伸ROM平均增加2．22°，差異有顯著性意義（P<0．05）。 左右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)：C組、D組與A組間存在顯著性差異，C組和D組間右側(cè)彎狀態(tài)下存在顯著性差

11、異（P<0．05），左側(cè)彎狀態(tài)下差異無顯著性意義（P>0．05）。 左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：C組、D組比A組的運(yùn)動(dòng)范圍減小，差異有顯著意義（P<0．01），C組比D組穩(wěn)定性更強(qiáng)。左右軸向旋轉(zhuǎn)差異有顯著性意義（P<0．01）。 結(jié)果表明彈性固定組三維活動(dòng)范圍大于剛性固定組。 2、壓縮剛度測定; 前屈狀態(tài)下各組之間存在顯著性差異（P<0．05），D組與C組間存在顯著性差異（P<0．01），有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。后伸狀態(tài)下D組、

12、C組與A組、B組間存在顯著性差異（P<0．05），D組、C組間存在顯著性差異（P<0．01），有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 結(jié)果表明：彈性固定組及剛性固定組的剛度均大于正常組及損傷組，其固定的脊柱穩(wěn)定性好，但彈性固定組的剛度小于剛性固定組的剛度，可允許固定后的脊柱在一定范圍內(nèi)活動(dòng)，且保留對鄰近節(jié)段椎間盤的應(yīng)力刺激，可減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)及鄰近節(jié)段椎間盤和小關(guān)節(jié)的載荷的改變。 結(jié)論：生物力學(xué)試驗(yàn)表明：彈性固定與剛性固定能夠在屈伸、左右側(cè)彎、