下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统生物力学性能及对骨质疏松椎骨稳定性的影响

1、www.CRTER.org宁旭，等. 下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统生物力学性能及对骨质疏松椎骨稳定性的影响下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统生物力学性能及对骨质疏松椎骨稳定性的影响宁 旭，庄 勇，刘 淼，张 皓，黄明智(贵州医科大学附属医院骨科，贵州省贵阳市 550001)引用本文：宁旭，庄勇，刘淼，张皓，黄明智. 下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统生物力学性能及对骨质疏松椎骨稳定性的影响J.中国组织工程研究，2016，20(31):4665-4670.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.31.015 ORCID: 0000-0002-7363-3744(宁旭

2、)文章快速阅读：下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统生物力学特性宁旭，男，1973年生，汉族，贵州省贵阳市人，副主任医师，硕士生导师，主要从事脊柱外科疾病的临床及基础研究。通讯作者：黄明智，贵州医科大学附属医院骨科，贵州省贵阳市 550001中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)31-04665-06稿件接受：2016-06-01(1)普通前路椎体螺钉锁定固定系统组植入普通前路椎体螺钉锁定固定系统；(2)下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组植入下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统下颈椎前路椎弓根螺钉普通前路椎体螺钉测试实例拔出强度测试外观修复评分及骨折椎体中柱高度椎体

3、及器械前缘应变情况文题释义：普通颈椎前路钉板系统：能对植骨产生明显的支撑作用，为植骨提供融合基础，产生相对稳定的固定系统，限制植骨块的脱落，重建机体颈椎结构的稳定性，减少植骨块的脱落。但该固定系统生物力学性能较差，固定后容易引起钢板螺钉的滑脱、断裂等，在一定程度上限制了椎弓根螺钉固定技术的使用。下颈椎前路椎弓根螺钉系统：融合了前路和后路不同手术的优点，既能从前路处理椎体病变，如：切除肿瘤，还能有效的提高椎弓根固定系统的稳定性，降低了患者后路二次手术。同时，该系统还能有效的避免钢板或螺钉脱落等并发症发生率，进一步弥补骨质疏松症患者椎体钉把持力不足等缺点，提高临床疗效。摘要背景：老年性骨质疏松椎骨

4、骨折传统手术治疗虽然能改善患者症状，但是治疗后容易产生植骨融合失败、假关节形成等并发症，影响临床疗效。目的：探讨颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统生物力学性能及对骨质疏松椎骨稳定性的影响。方法：取16具新鲜尸体颈椎标本，分解为C3-4，C4-5，C5-6，C6-7，共64个运动节段。将64个节段按植入方式不同随机分为普通前路椎体螺钉锁定固定系统组和下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组，每组32个节段，在生物力学试验机上对各组生物力学性能进行测定。结果与结论：生物力学检测：与普通前路椎体螺钉锁定固定系统组相比，下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组最大拔出力、钉道长度、治疗后骨折椎体中柱高度、表面最大应变

5、、应变最大值及最大值的范围均增加(P < 0.05)；结果提示：与普通前路椎体螺钉钢板系统相比，下颈椎前路椎弓根螺钉所需要的拔出力较大，对于骨质疏松椎骨更加稳定。关键词：人工假体；脊柱植入物；下颈椎前路椎弓根螺钉；人工椎体系统；生物力学；骨质疏松；稳定性；生物力学试验机；骨密度值；中柱高度；外观修复评分 主题词：组织工程；骨质疏松；椎骨；并发症基金资助：贵州省科技厅项目(黔科合LH字20147111)3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083Biomechanical properties of lower anterior vertebral p

6、edicle screw system and its effects on osteoporotic vertebral stabilityNing Xu, Zhuang Yong, Liu Miao, Zhang Hao, Huang Ming-zhi (Department of Orthopedics, Affiliated Hospital, Guizhou Medical University, Guiyang 550001, Guizhou Province, China)AbstractBACKGROUND: Although the traditional surgical

7、treatment can improve the symptoms of patients with senile osteoporotic vertebral fracture, the treatment easily produces bone graft fusion failure and pseudoarticulation formation and affects clinical effects. OBJECTIVE: To investigate biomechanical properties of anterior cervical pedicle screw and

8、 the effects on osteoporotic vertebral stability.METHODS: A total of 16 fresh cadaver cervical specimens contained 64 motion segments (C3-4, C4-5, C5-6 and C6-7). The 64 segments by the way of implantation were randomly divided into ordinary anterior locking screw fixation group and lower anterior v

9、ertebral pedicle screw system group (32 segments per group). The mechanical properties were determined on the biomechanical testing machine for each group. RESULTS AND CONCLUSION: (1) Biomechanics: Compared with the ordinary anterior locking screw fixation group, the maximum pull-out strength, screw

10、 path length, postoperative vertebral column height, the maximum surface strain, strain maximum and the range of maximum values were increased in the lower anterior vertebral pedicle screw system group (P < 0.05). (2) Results suggest that compared with the ordinary anterior locking screw fixation

11、 group, lower cervical anterior pedicle screw required larger extraction force and was more stable for osteoporotic vertebrae.Subject headings: Tissue Engineering; Osteoporosis; Vertebra; Complications Funding: a grant from the Science and Technology Department of Guizhou Province, No. LH (2014) 711

12、1Cite this article: Ning X, Zhuang Y, Liu M, Zhang H, Huang MZ. Biomechanical properties of lower anterior vertebral pedicle screw system and its effects on osteoporotic vertebral stability. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(31):4665-4670.Ning Xu, Associate chief physician, Masters supervisor

13、, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital, Guizhou Medical University, Guiyang 550001, Guizhou Province, ChinaCorresponding author: Huang Ming-zhi, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital, Guizhou Medical University, Guiyang 550001, Guizhou Province, China4667ISSN 2095-4344 CN 21-1581/

14、R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction下颈椎创伤、感染及肿瘤等在椎体前部发生率较高，患者发病后临床症状显著，主要以疼痛、活动不便为主。患者一旦确诊均需要行手术治疗，解除脊髓压迫、保护及改善机体脊髓功能1-2。传统颈椎前路钉板系统虽然能使植骨之间产生明显的支撑作用，为植骨提供融合基础，产生相对稳定的固定系统，限制植骨块的脱落，重建机体颈椎结构的稳定性，减少植骨块的脱落3-4。但是，该固定系统生物力学性能较差，固定后容易引起钢板螺钉的滑脱、断裂等，使用时容易因颈椎的创伤、退行性病变、肿瘤等病理疾病多发生在椎体前部，因此颈椎前路钢板(anterior plate fixat

15、ion，AP)融合固定技术成为颈椎手术的主要治疗方式，在一定程度上限制了椎弓根螺钉固定技术的使用5-6。下颈椎前路椎弓根螺钉(anterior transpedicular screw，ATPS)是一种新型的固定方法，该方法是国外学者在2008年时提出的一种崭新的固定方法，该固定方法和其他固定方法相比优势较多，它融合了前路和后路不同手术的优点。颈椎前路椎弓根螺钉既能从前路处理椎体病变，如切除肿瘤，还能有效的提高椎弓根固定系统的稳定性，降低了患者后路二次手术的概率。同时，该系统还能有效的避免钢板或螺钉脱落等并发症发生率，进一步弥补骨质疏松症患者椎体钉把持力不足等缺点，提高临床疗效。后续研究进一步

16、证实，颈椎前路椎弓根螺钉具有有良好的解剖学特性及生物力学稳定性。相关学者实验中比较了前路椎体螺钉和后路椎弓根螺钉不同进钉方式，结果显示：下颈椎前路椎弓根螺钉进钉角度相对较大，内固定过程中难以满足下颈椎前路椎弓根螺钉固定需要7-8。从目前的技术而言，对于需要进行多阶段椎管前路减压的颈椎手术，颈前入路依然是最佳的选择，通过摘除椎间盘和施行部分椎体切除能有效的接触脊髓或神经根压迫9-10。根据脊椎生物力学研究显示，采用固定螺钉的即时轴向拔出力能反应螺钉在机体内的即时稳定性11-12，而对于螺钉的长期稳定性及颈椎的总体运动范围而言，则更多的需要依赖于疲劳试验13-14。因此，临床上研究颈椎前路椎弓根螺

17、钉人工椎体系统生物力学性能及对骨质疏松椎骨稳定性的影响具有重要的意义。实验选取贵州医科大学附属医院脊柱外科2015年1月至2016年1月新鲜颈椎标本16具，探讨颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统生物力学性能及对骨质疏松椎骨稳定性的影响。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 设计 生物力学实验。1.2 时间及地点 于2015年1月至2016年1月在贵州医科大学附属医院完成。1.3 材料 选取贵州医科大学附属医院脊柱外科2015年1月至2016年1月16具新鲜颈椎尸体标本，男9例，女7例，年龄35-43岁，平均(38.1±2.3)岁，入选者均符合骨质疏松症临床诊

18、断标准，且均经过X射线检查确诊。排除标准：排除不符合临床诊断标准者；排除合并其他疾病者。将尸体标本分解为C3-4，C4-5，C5-6，C6-7，共64个运动节段，采用双层塑料袋密封后-20 保存，测试前室温下自然解冻。实验均经患者家属同意，试验通过贵州医科大学附属医院伦理会批准。 采用随机数字方法将64个节段分为普通前路椎体螺钉锁定固定系统组和下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组，每组32个节段。植入物：下颈椎前路椎弓根螺钉配套钢板系统：由上海三友医疗公司生产，由空心椎弓根钉，3-D头、锁定帽、预弯固定棒组成，材料均符合ISO 5832-2的纯钛材料制造。包装分为灭菌包装和非灭菌包装。普通颈椎前

19、路椎体螺钉钢板系统：该系统为枢法模公司Orion颈椎前路钢板。1.4 实验方法1.4.1 颈椎标本的制备 对64个下颈椎标本采用多层螺旋CT扫描机(Siemens Soma tom Volume Zoom，德国，120 kV，250 mAs)扫描，层厚2 mm，测定骨密度，所有标本平均骨密度为0.688 g/cm2。剔除标本中的软组织，仅保留主韧带及关节突，并将颈椎标本逐个分解为C3-4、为C4-5、为C5-6、为C6-7，共64个运动节段。将标本中剔除所有肌肉、筋膜组织，保留前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊等，采用聚甲基丙烯酸甲酯粉剂、溶液混合，保持拉丝状态，采用包埋模具，在标本2端包埋过

20、中充分保护两端邻近椎间盘和关节囊，实验中对选取的胫骨喷洒生理盐水并保证标本的湿润，所有的测试必须在6 h内完成，测试后标本采用双层塑料袋进行包裹、冷藏。1.4.2 螺钉的植入 普通前路椎体螺钉锁定固定系统组植入普通前路椎体螺钉锁定固定系统，下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组植入下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统，将获得的新鲜颈椎标本行椎间盘切除，植入3面皮质骨，模拟植入下颈椎前路椎弓根螺钉配套钢板系统和普通普通颈椎前路椎体螺钉钢板系统。植入下颈椎前路椎弓根螺钉(4 mm)配套钢板系统时参考相关学者制定的最佳进钉点及进钉方向中相关操作进行置钉，见图1。植入钢板螺钉后行X射线片和CT片进行扫描，确定

21、螺钉钢板的正确位置，避免对椎弓根产生损伤15-16。图1 下颈椎前路椎弓根螺钉 钢板系统固定示意图Figure 1 Lower anterior vertebral pedicle screw system fixation 图注：左图为红色为下颈椎前路椎弓根螺钉；右图为下颈椎前路椎弓根螺钉植入后的位置及形状。1.4.3 生物力学测定 将获得的骨质疏松骨椎骨包埋固定在自制的固定器械上，调整标本角度，保证钢板的长轴与试验机的拉伸方向一致，固定完毕后，安装力-位移传感器，在应变片上沿着螺钉长轴方法以2 mm/min速率，测定两组固定系统抗拔出力，拔除出现破坏后停止，确定拔除破坏的标准，即：载荷-变

22、形曲线最高点。试验机载荷信号计算机自动记录，测定3次，确定最大轴向拔出力。选择标准均由同一位置钉丰富的外科医生完成，避免或避免技术存在误差17-18。1.5 主要观察指标 观察两组固定系统测试实例图。观察两组系统固定后外观、标本情况；观察两组固定系统拔出强度测试结果。将两组标本放置在ElectroForce3510材料试验机(美国Bose公司)上，完成固定系统拔出强度测试，通过传感器获得相关参数值；观察两组固定系统治疗前后的外观修复评分(总分100分，得分越高，修复效果越好)及骨折椎体中柱高度19-20；在目测下对标本进行评分，利用卡尺完成对椎体中柱高度测量；观察两组固定系统椎体及器械前缘应变

23、情况。利用CAD辅助技术，在操作前完成各椎体三维模型重建，在CAD指导下利用探针寻找前路椎弓根钉道，完成装配，测量系统椎体及器械前缘应变情况。1.6 统计学分析 采用SPSS 18.0软件进行数据分析，计量资料采用±s表示，组间计量资料差异采用t 检验检测，P < 0.05为差异有显著性意义。2 结果 Results 2.1 实验流程 见图2。2.2 两组固定系统测试结果 两组骨质疏松椎骨均成功植入固定系统，顺利完成手术，标本并未出现开裂等现象，见图3。观察周期材料干预纳入16具新鲜颈椎标本观察两组固定系统测试实例图；观察两组固定系统拔出强度测试结果；观察两组固定系统治疗前后的

24、外观修复评分及骨折椎体中柱高度；观察两组固定系统椎体及器械前缘应变情况。观察6 h，16具新鲜颈椎标本全部进行结果分析数量结局目的探讨颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统生物力学性能及对骨质疏松椎骨稳定性的影响。普通前路椎体螺钉组锁定固定系统组将16具新鲜颈椎标本，采用随机分为2组下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组图2 下颈椎前路椎弓根螺钉 钢板系统固定示意图Figure 2 Lower anterior vertebral pedicle screw system fixation BA 图3 两组固定系统测试实例图Figure 3 Test example of two fixation sys

25、tems图注：图A为下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组固定系统；B为普通前路椎体螺钉锁定固定系统组固定系统。2.3 两组固定系统拔出强度测试结果比较 下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组经ElectroForce3510材料试验机测定后最大拔出力，显著大于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组(P < 0.05)；下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组钉道长度，显著大于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组(P < 0.05)，见表1。表1 两组固定系统拔出强度测试结果比较 (±s，n=8)Table 1 Comparison of pull strength test results bet

26、ween both groups组别最大拔出力(N)钉道长度(mm)下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组604.68±48.7632.00±2.00普通前路椎体螺钉锁定固定系统组488.24±32.42a14.00±2.00a表注：与下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组比较，aP < 0.05。2.4 两组固定系统治疗前后的外观修复评分及骨折椎体中柱高度比较 两组固定系统治疗前椎体标本外观修复评分以及骨折椎体中柱高度差异无有显著性意义(P > 0.05)；下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组治疗后椎体标本外观修复评分，显著低于普通前路椎体螺钉锁定固

27、定系统组(P < 0.05)；下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组治疗后骨折椎体中柱高度，显著高于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组(P < 0.05)，见表2。表2 两组固定系统治疗前后的外观修复评分及骨折椎体中柱高度比较 (±s)Table 2 Comparison of appearance repair score and vertebral column height before and after treatment in both groups 组别外观修复评分(分)椎体中柱高度(mm)下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组治疗前78.02±1.2315.

28、11±3.38治疗后94.42±1.15ab19.64±3.58ab普通前路椎体螺钉锁定固定系统组治疗前75.04±1.3115.09±3.40治疗后82.36±1.19b16.44±3.43b表注：与普通前路椎体螺钉锁定固定系统组相比，aP < 0.05；与治疗前相比，bP < 0.05。2.5 两组固定系统椎体及器械前缘应变情况 下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组表面最大应变大于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组(P < 0.05)，尤其是在钉孔周围结构比较薄弱的部位其应变显著增大；下颈椎前路椎弓根螺钉人工

29、椎体系统组表面应变整体比较均一，应变最大值及最大值的范围均显著大于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组(P < 0.05)，见图4。BA 图4 两组固定系统椎体及器械前缘应变比较Figure 4 Comparison of anterior border strain between the two groups图注：图A为下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组前缘应力相对均一、稳定；B为通前路椎体螺钉锁定固定系统组前缘应力波动较大。3 讨论 Discussion对于颈椎疾病、创伤疾病治疗主要是帮助机体恢复神经根，减轻对脊髓的减压，重建脊柱21-22。为了进一步提高手术成功率，术前对螺钉根据长度、

30、螺纹深度、形状等进行综合改进，可提高螺钉内固定的稳定性。相关学者对人类颈椎弓根三维形态进行研究，结果显示：人类颈椎椎弓根能进一步提高颈椎前路椎弓根螺钉的内固定。目前，临床上使用较多的椎弓根螺钉主要以椎弓根螺钉强化技术为主。但是，该方法尚存在一些不足，植入螺钉时骨水泥容易从钉道中产生反流，对邻近组织产生明显的损伤。颈前路椎间盘切除减压融合术能针对来自椎管前方的质押物而直接进行减压，该方法能有效改善患者症状，缓解病情发展23-24。颈椎疾病、创伤患者采用颈前路椎间盘切除减压融合术治疗时主要采用单皮质椎体螺钉固定，它能为人体提供良好的固定强度。而对于老年骨质疏松症患儿而言，该固定方法稳定性较差，术后

31、内固定松动发生率较高25。数据显示：颈前路椎间盘切除减压融合内固定后内固定松动发生率为20%-50%26。近年来，下颈椎前路椎弓根螺钉系统在临床上得到应用，且效果理想27。实验中，两组骨质疏松椎骨均成功植入固定系统，顺利完成手术，标本并未出现开裂等现象。下颈椎前路椎弓根螺钉系统和常规固定方法相比优势较多，该固定方法相对安全，能穿透机体最为重要部分。目前，前路椎弓根螺钉置钉尚缺乏可靠的内固定系统，并且患者手术过程中如果发生“钉-骨”界面塌陷，由于缺乏锁定装置容易引起内固定的失败28。对于颈椎前路椎弓根螺钉内固定而言，其影响因素相对较多，如：螺钉本身及椎体。对于螺钉来说包括：螺钉的形状、长度、位置

32、等；而对于椎体来说主要包括椎体的骨质密度及强度。在测定下颈椎前路椎弓根螺钉的生物力学性能时可以通过轴向拔出力进行评价。实验中，下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组经Electro Force3510材料试验机测定后最大拔出力，显著大于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组；下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组钉道长度，显著大于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组。出现这种现象的原因是多方面的，该两种固定系统中采用了2种不同的螺钉固定方法，前路椎体螺钉固定方法仅能穿透浅层椎体，螺钉握持椎体的松质骨29。而下颈椎前路椎弓根螺钉钉道能穿过机体整个椎体，甚至能够透过侧块，形成经椎弓根的双皮质固定。实验中，两组固定系统治

33、疗前椎体标本外观修复评分以及骨折椎体中柱高度差异无有显著性意义；下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组治疗后椎体标本外观修复评分，显著低于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组；下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组治疗后骨折椎体中柱高度，显著高于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组。下颈椎前路椎弓根螺钉优点相对较多，该固定方法不但具有较长的钉道、较好的静力学强度，还能够在螺钉-钢板系统中作为锚钉作用，并且该螺钉能单独使用，具有较好的固定强度，并且能提高整个系统的稳定性，使得固定更加稳定27。实验中，下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组表面最大应变大于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组，尤其是在钉孔周围结构比较薄弱的部位

34、其应变显著增大；下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统组表面应变整体比较均一，应变最大值及最大值的范围均显著大于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组。相关学者研究显示，下颈椎前路椎弓根螺钉在植入骨质疏松症椎骨骨折具有良好的生物力学稳定性，减少后路固定钉棒医疗费用，对患者的损伤较小27。综上所述，与普通前路椎体螺钉钢板系统相比，下颈椎前路椎弓根螺钉所需要的拔出力较大，且运用于颈椎疾病长是可行的、安全性，对于骨质疏松椎骨更加稳定，具有较高的临床应用价值。作者贡献：实验设计为宁旭。实验实施为庄勇。实验评估为庄勇和宁旭。资料收集为刘淼。张皓和黄明智核对文章。利益冲突：所有作者共同认可文章内容不涉及相关利益冲突。伦

35、理问题：实验方案中有关伦理问题已经贵州医科大学附属医院伦理委员会讨论批准。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。作者声明：第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 参考文献 References1 李振伟,向阳明.生物力学评价颈椎前路椎弓根螺钉植入骨质疏松椎骨内的稳定性J.中国组织工程研究,2015, 19(35): 5718-57

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