新型低彈性模量脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的研制與生物力學(xué)研究.pdf

1、脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)是當(dāng)今脊柱外科手術(shù)中最常用、最重要、最核心的內(nèi)固定系統(tǒng)，在脊柱外科領(lǐng)域具有劃時代的意義。目前，國內(nèi)外脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的材質(zhì)主要采用鈦合金（Ti6Al4V）。盡管鈦合金具有良好的組織相容性，但由于其彈性模量遠高于人體脊柱骨質(zhì)，因此在使用過程中存在著應(yīng)力遮擋、影響植骨融合等多種缺點。尋找一種具有與脊柱骨質(zhì)彈性模量接近、力學(xué)強度高、生物相容性好的新一代脊柱內(nèi)固定材料，并將其設(shè)計應(yīng)用于脊柱外科手術(shù)中，已經(jīng)成為國內(nèi)

2、外骨科學(xué)者關(guān)注的熱點和亟待解決的難點。
　　本研究在前期材料學(xué)研究基礎(chǔ)上，將新型低模量高強度的鈦合金（Ti2448）設(shè)計應(yīng)用于脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)。首先通過建立腰骶椎有限元模型，利用有限元比較不同材質(zhì)、類型脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)的固定效果；根據(jù)有限元分析結(jié)果，將現(xiàn)有脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的外形設(shè)計進行優(yōu)化改進，制備具有低切跡、低模量、高強度的椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)；最后通過生物力學(xué)實驗對該系統(tǒng)進行全面測試分析，并與當(dāng)前國內(nèi)最常用的內(nèi)固

3、定系統(tǒng)進行比較，驗證新型鈦合金內(nèi)固定系統(tǒng)的安全性與可靠性，為將來臨床應(yīng)用提供實驗依據(jù)。
　　實驗一Ti2448椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的有限元分析
　　目的：比較不同材質(zhì)、不同外形設(shè)計的脊柱椎弓根螺釘系統(tǒng)對下腰椎脊柱融合固定的效果。方法：采用計算機輔助，建立人體下腰椎有限元模型（L3-S1），在計算機模型中模擬進行腰椎L4/5椎間盤摘除、半椎板切除、椎間融合器植入及L4、L5椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)。植入的椎弓根螺釘規(guī)格相同（6.5

4、×45mm），外形設(shè)計分別模擬CD-M8，MOSSMIAMI，SINO-M10及新材料SINO-M10系統(tǒng)。對腰椎有限元模型進行軸向加載400N，彎曲力矩7.5Nm，比較屈伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)等狀態(tài)下固定節(jié)段（L4/5）脊柱活動度、相鄰節(jié)段椎間盤內(nèi)（L3/4、L5S1）的最大應(yīng)力、椎弓根螺釘所受最大應(yīng)力、椎間融合器所受最大應(yīng)力等指標(biāo)。結(jié)果：新材料SINO-M10系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性與目前臨床常用的椎弓根螺釘系統(tǒng)相近，但是能夠減少相鄰節(jié)段應(yīng)力遮擋，

5、增加了椎間植骨部位的應(yīng)力刺激。結(jié)論：采用同等規(guī)格、相同外形設(shè)計的新型鈦合金材料制備的椎弓根螺釘在生物力學(xué)方面與現(xiàn)有鈦合金椎弓根螺釘性能相當(dāng)，并且具有減少應(yīng)力遮擋的優(yōu)點。
　　實驗二Ti2448椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究
　　目的：通過有限元分析，逐步優(yōu)化椎弓根螺釘外形設(shè)計和規(guī)格尺寸，尋找既能保證足夠的力學(xué)強度，同時具有最低切跡的新材料組的螺釘設(shè)計。方法：采用同樣的L3-S1有限元模型，模擬行同樣減壓、融合內(nèi)固定的手術(shù)

6、。螺釘外形采用SINO-M10設(shè)計，長度不變（45mm），直徑由6.5mm（100％）分別降低至5.2mm（80％）、4.875mm（75％）和4.55mm（70％）。連接棒材的直徑分別為6mm（100％）、4.8mm（80％）、4.5mm（75％）和4.2mm（70％）。對腰椎模型施加軸向400N預(yù)載荷，屈伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)加載7.5Nm力矩，觀察比較不同直徑內(nèi)固定系統(tǒng)融合節(jié)段的活動度、相鄰椎間盤內(nèi)的最大應(yīng)力、椎間融合器的最大應(yīng)力和椎弓根

7、螺釘最大應(yīng)力等。結(jié)果：與直徑為100％的椎弓根螺釘系統(tǒng)相比，直徑為80％的椎弓根螺釘系統(tǒng)能夠滿足脊柱節(jié)段穩(wěn)定性；直徑為75％的椎弓根螺釘系統(tǒng)可保持部分彎曲狀態(tài)下的腰椎穩(wěn)定性，直徑降低至70％則有較大的角度丟失。結(jié)論：采用新型鈦合金材料后，將現(xiàn)有內(nèi)植物尺寸降低至80％后仍可獲得足夠的脊柱穩(wěn)定性，同時可顯著減小內(nèi)植物的切跡。
　　實驗三Ti2448椎弓根螺釘?shù)捏w外生物力學(xué)研究
　　目的：比較同等規(guī)格的Ti6Al4V和Ti2448

8、材質(zhì)螺釘?shù)牧W(xué)強度。方法：機械力學(xué)強度測試：三點彎曲試驗。分別采用同規(guī)格的Ti6Al4VSINO-M10和Ti2448SINO-M10螺釘，每種螺釘4枚。在MTS858型萬能材料試驗機行三點彎曲試驗。數(shù)據(jù)分析采用SPSS11.5統(tǒng)計軟件。結(jié)果：三點彎曲試驗中，Ti2448椎弓根螺釘抗折彎強度高于Ti6Al4V螺釘，但差別無統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)論：Ti2448材料的SINOM10椎弓根螺釘系統(tǒng)能夠滿足脊柱內(nèi)固定融合術(shù)的節(jié)段性穩(wěn)定性要求，且能夠減