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
作者：程维 赫兰学 郑昊 马洪顺 李晓华 李德江 李长有 张俊峰 徐松宝 宋扬 王宏家
【关键词】 异种骨椎间融合器
摘要：［目的］评价异种骨椎间融合器行后路腰椎椎体间融合的即刻稳定效果及自身强度。［方法］取16具新鲜成年男性L1~5腰椎标本，分别对完整L1~5（正常组）；模拟后路间盘L3、4摘除置融合器（对照1组）；模拟后路间盘L3、4、L4、5摘除置融合器（对照2组）；模拟后路间盘L3、4摘除置融合器附加椎弓根钉固定（对照3组）；模拟后路间盘L3、4、L4、5摘除置融合器附加椎弓根钉固定（对照4组）进行前屈、后伸、扭转、轴向压缩和腰椎移位时融合器的最大拨出力及粘弹性实验研究。［结果］显示椎间融合器植入后腰椎压缩、前屈、后伸、位移和扭转角度较正常组有一定差异，但不显著（P＞005）；而椎间植入融合器附加椎弓根固定，压缩、前屈、后伸、位移、扭转角度较正常组差异显著（P＜005）。腰椎移位时拨出力实验结果表明，对照1、2融合器植入椎体移位时最大拨出力为183 KN。对照1、2、3、4组7 200s三应力松驰量和蠕变量较正常组差异不显著（P＞005）,对照3、4组初始蠕变量明显低于正常组和（1、2组）。［结论］异种骨椎间融合器具有足够的支撑、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；异种骨椎间融合器；椎弓根钉固定；生物力学；稳定性；粘弹性
Biomechanical evaluation on intervertebral fusion by intervertebral heterogenous bone fusion cage with pedicular fixation
Abstract：［Objective］To evaluate the immediate stability effect and strength of the intervertebral heterogenous bone fusion cage for lumbar intervertebral fusion［Method］Sixteen male L1~5 specimens were divided into five groups:group A,L3~4 disc excision +fusion cage;group B,L3~4,L4~5disc excision +fusion cage;group C,L3~4disc excision +fusion cage with pedicular fixation;group D,L3~4L4~5disc excision +fusion cage with pedicular fixation and control group,normal L3~4,L4~5The maximum pull strength on fusion cage,viscoelastic properties,creep function and lumbar loadingdisplacement curve were tested during lumbar flexion and extension,axial compression and left and right torsion［Result］1The change of axial compression,flexion and extension,loading displacement and torsion angle showed no statistic significance (P＞005) between control group and group A,group B,but obvious significance between control group and group C and D;2The maximum pull strength on cage of group A and B was 185 KN during lumbar displacement;3There was no statistic significance in the stress relaxation and creep between groups A,B,C,D and control group (P＞005),but initial creep function was lower obviously than that of control group［Conclusion］The intervertebral heterogenous bone fusion cage provides sufficient power for support,antidisplacement,maintaining and enhancing intervertebral height and is suitable for clinical application on biomechanical basis
Key words：Lumbar vertebrum; Intervertebral heterogenous bone fusion cage; Pedicular fixation; Biomechanics
自体髂骨移植作为后路腰椎椎间融合的最常见方式，已广泛应用于后路腰椎椎间融合术中。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Cage在腰椎椎体间融合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,如融合器的异物反应、应力遮挡、下沉，融合难以判断观察，不融合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、并发症少的生物型融合器弥补了以往方法的一些不足。作者在借鉴国内外各类融合器优点的基础上设计了一种扁方型异种骨腰椎间融合器，并在成人新鲜腰椎标本上模拟生物力学测试，据此评价异种骨椎间融合器重建腰椎的生物力学稳定性，为临床应用提供理论依据。
1 实验的准备
11 材料的制备
腰椎椎间融合器的制作，将新鲜健康成年牛小腿取下，去除肌肉、骨膜和骨髓后用强氧化离子水清洗多次，机械加工成前（主视）长23 mm、宽9 mm、高 11mm，后（后视）宽9 mm、高 10mm、轴向内孔直径6 mm，纵轴长槽宽6 mm、长14 mm，横向两孔直径4 mm，上、下表面圆弧R 30 mm，圆柱部分带螺纹，纹距25 mm，纹深10 mm。机械加工完成后离子水再次清洗后1∶1氯仿甲醇脱脂2 h，湿式密封12 kGY，γ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鲜尸体，均为男性；年龄20~30岁，于死亡之后1 h之内进行解剖切取其腰椎，附带部分肌肉，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，实验前取出标本，在室温下解冻，去除肌肉，保留前纵韧带、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24 h后，模拟后路间盘切除置入1个融合器（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，露出部分骨质，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融合器进行应力松弛、蠕变实验。做完待恢复24 h后在L4、5间隙置入融合器（对照2组）进行应力松弛、蠕变实验。做完待恢复24 h后，在后路间盘L3、4间隙置1枚融合器，以6枚椎弓根钉固定（对照3组）进行应力松弛、蠕变实验，做完后待恢复24 h后，在L3、4和L4、5间隙置融合器，置6枚椎弓根钉固定（对照4组）进行应力松弛、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、蠕变相同，先做正常组，之后对照1、2、3、4组。
实验用器械基本为后路椎间融合的器械加铰刀、刮勺、嵌入器、自制 4个型号的试模一套。
13 实验器材
腰椎扭转实验在K-50型扭转试验机上进行。L1~5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。实验结束后，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行预调处理。本实验对所有标本在最大应力为其破坏应力的30%应力水平下对试样反复加、卸载30次，循环曲线趋于平稳后进行实验〔1、2〕。
2 实验方法及结果
21 腰椎L1~5腰椎前屈、后伸实验
本实验以2 mm/min的实验速度对标本施加载荷，分别测出50~500 N所对应的位移。各组试样载荷-位移曲线经计算机进行拟合后见图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 腰椎扭转实验
计算机驱动机器以2度/min的实验速度对试样施加扭矩，分别测出20~200 N・cm所对应的扭转角值。依次测出各组试样的扭矩-扭转角数据与曲线。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 各组扭转载荷－位移数据统计学差异（略）
4 腰椎移位时融合器拨出力实验以2 mm/min的速度对标本施加拨出力，至融合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）
5 L1~5段脊柱压缩应力松驰实验（略）
正常组、对照1~4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组腰椎归一化应力松驰函数曲线见图6。统计学差异见表7。表6 各组7 200 s应力松弛量统计学差异（略）表7 各组7 200s蠕变量统计学差异（略）
6 L4~5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，J（t）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。Tencer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，节段性融合是必要的。自体髂骨移植是最常见的融合方式，在取得一定的临床疗效的同时，也存在较多的缺陷，即易出现植骨块脱出、松动、吸收、塌陷,并影响植骨融合率，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。探讨取代髂骨移植方式及如何使融合节段获得稳定以促进植骨融合是我们研究的课题。
随着金属融合器临床应用逐渐增多，该融合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、价格低廉的生物型融合器是临床工作的要求。
生物型融合器应具有以下特点：（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；生物相容性好,不引起不良生物反应；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跃的成骨细胞。（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鲜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ＰＡＦ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。异种骨腰椎椎间融合器取材于牛小腿的皮质骨，经过严格的脱脂脱蛋白处理。应用时融合器中心复合植入大量的自体骨，大大的增强了骨诱导性，腰椎椎间融合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，但引起的免疫排斥反应非常微弱，对组织融合无不良反应。
融合器植入本身并不能提高椎节的稳定性，Dimar等〔6〕指出：除非附加椎弓根螺钉系统内固定，否则后路腰椎椎体间融合器不宜单独使用，尤其是存在中重度不稳倾向的下腰疾患。Zhao等〔7〕报道应用单枚融合器附加椎弓根螺钉腰椎滑脱症时，取得满意的效果。
本实验结果显示椎间融合器植入后腰椎压缩、前屈、后伸、位移和扭转角度较正常组有一定差异，但不显著（P＞005），而椎间植入融合器附加椎弓根固定，压缩、前屈、后伸位移、扭转角度较正常组差异显著（P＜005），表明无论是植入单枚椎间融合器还是置入双枚椎间融合器附加椎弓根钉固定都可达到稳定腰椎的目的。王〔8〕报道了以应变电测原理和技术模拟单枚椎间融合器附加椎弓根固定行后腰椎体间融合术，进行应变电测量，其结果为椎间融合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。证明腰椎间植入融合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600 s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7 200 s应力松驰量和蠕变量较正常组差异不显著（P＞005）。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提高了腰椎的刚度和强度所为。
异种骨腰椎椎间融合器的设计有如下特点：（1）融合器的弯曲轮廓与终板的凹度相适应；（2）融合器上下端呈锯齿状，能嵌入终板，增大抗拨出力。（3）融合器插入端圆形设计有助于安全植入融合器。（4）融合器前凸角度为8°，融合器后路高度有8、9、10、11、12 mm；（5）两枚融合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）融合器的前后端承载面能适应地搁在保留着的终板皮质骨上；（7）融合器与椎间隙之间接触紧密，相邻椎体与融合器内植骨之间的松质骨结合牢固。
作者设计的扁方形腰椎间异种骨融合器，植入椎体后留有一定的间隙，可避免圆形融合器在融合过程中造成的应力集中及植骨接触面积小等缺点，提高了骨愈合能力。由于设计的融合器上下齿纹角度合理，还可通过椎间加压，明显提高了抗拨出强度。作者作了圆柱形和扁方形椎体间异种骨融合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。
在新型椎间融合器的研制过程中，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标，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融合器，在椎体安置后其抗压、抗弯刚度、扭转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。
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