弹性力学论文：钉道强化对颈椎前路椎间融合术式稳定性影响的生物力学

ChineseJournalofReparativeandReconstructiveSurgery,October2010,Vol.24,No.10·1174·钉道强化对颈椎前路椎间融合术式稳定性影响的生物力学研究陈春1赵卫东1孙培栋1吴长福1瞿东滨2欧阳钧1【摘要】目的评价聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）骨水泥对颈椎骨螺钉的强化作用，分析钉道强化前后、疲劳前后不同状态下颈椎前路椎间融合术（anteriorcervicalinterbodyfusion，ACIF）术后颈椎的稳定性。方法在12个猪颈椎（C3～7）标本上，利用MotionAnalysis运动捕捉分析系统和MTS-858液压伺服材料试验机按以下分组顺序测试屈伸、左右侧弯、左右旋转6个方向的运动角位移参数，包括运动范围（rangeofmotion，ROM）、中性区（neutralzone，NZ）和弹性区（elasticzone，EZ）。正常对照组（A组）为完整状态；钢板固定组（B组）行C4、5椎间盘切除植骨前路钢板固定术；钢板固定疲劳组（C组）对B组标本行屈伸、左右侧弯疲劳实验，各加载5000次；钉道强化钢板固定组（D组）对C组注入PMMA实施钉道强化；钉道强化钢板固定疲劳组（E组）对D组标本行屈伸、左右侧弯疲劳实验。结果A组各运动方向ROM、NZ、EZ与其他各组比较差异均有统计学意义（P0.05）。B组各运动方向ROM、NZ、EZ明显低于C组（P0.05）；但与D组比较差异均无统计学意义（P0.05）；其屈伸ROM、NZ及前屈EZ均明显低于E组（P0.05），其他运动方向各指标与E组比较差异均无统计学意义（P0.05）。C组各运动方向ROM、NZ、EZ均明显高于D、E组（P0.05）。D组与E组比较，除屈伸、左右侧弯ROM和NZ，左右旋转ROM，及屈伸、右侧弯、左右旋转EZ明显低于E组（P0.05）外，其他运动方向各指标与E组比较差异均无统计学意义（P0.05）。结论PMMA骨水泥强化钉道能明显增强ACIF内固定术式的稳定性，这为临床实施颈椎前路钢板螺钉内固定术提供生物力学依据。【关键词】骨水泥强化颈椎前路椎间融合术疲劳载荷生物力学中图分类号：R681.5R318.08文献标志码：ABIOMECHANICALSTUDYONEFFECTOFPOLYMETHYLMETHACRYLATEAUGMENTATIONONCERVICALSTABILITYAFTERANTERIORCERVICALINTERBODYFUSION/CHENChun1,ZHAOWeidong1,SUNPeidong1,WUChangfu1,QUDongbin2,OUYANGJun1.1DepartmentofHumanAnatomy,SouthernMedicalUniversity,GuangdongProvincialKeyLaboratoryofMedicalBiomechanics,GuangzhouGuangdong,510515,P.R.China;2DepartmentofSpinalSurgery,NanfangHospital,SouthernMedicalUniversity.Correspondingauthor:OUYANGjun,E-mail:[e-mail]【Abstract】ObjectiveToevaluatetheeffectofpolymethylmethacrylate(PMMA)augmentationoncervicalstabilityafteranteriorcervicalinterbodyfusion(ACIF)beforeandafterfatigue.MethodsTwelveporcinecervicalspines(C3-7)weresubjectedtotestingangulardisplacementparameters,includingtherangeofmotion(ROM),neutralzone(NZ),andelasticzone(EZ),innondestructiveflexionandextension,right/leftlateralbending,andleft/rightrotationonMotionAnalysismotioncapturesystemandMTS-858servo-hydraulictestingmachine.Intactcervicalspinesservedascontrolgroup(groupA);one-leveldiscectomyandfusionwasperformedwithanteriorplatefixationbasedongroupAasgroupB;flexionandextension,left/rightlateralbending(5000cycles)fatiguetestingbasedongroupBasgroupC;theaugmentationscrewchannelwasusedbasedongroupCasgroupD;andflexionandextension,left/rightlateralbendingfatiguetestingwereperformedbasedongroupDasgroupE.ResultsTheROM,NZ,andEZingroupAweresignificantlydifferentfromthoseinothergroups(P0.05)atflexion/extension,left/rightbending,andleft/rightrotation.TheROM,NZ,andEZingroupBweresignificantlysmallerthanthoseingroupC(P0.05)inflexion/extension,left/rightbending,andleft/rightrotation,buttherewasnosignificantdifferencewhencomparedwithgroupD(P0.05).TheROMandNZinflexion/extensionandtheEZinflexioningroupBweresignificantsmallerthanthoseingroupE(P0.05),buttherewasnosignificantdifferenceintheotherindexes(P0.05).TheROM,NZ,andEZingroupCinflexionandextension,left/rightlateralbending,andleft/rightrotationweresignificantlyhigherthanthoseingroupsDandE(P0.05).TheROMandNZinflexionandextensionandleft/rightlateralbending,andtheROMinleft/rightrotation,andtheEZinflexionandextension,rightbending,andleft/rightrotationingroupDweresignificantlysmallerthanthoseingroupE(P0.05),buttherewasnosignificantdifferenceintheotherindexes(P基金项目：卫生部重大社会公益项目（200802017）作者单位：1南方医科大学人体解剖学教研室广东省医学生物力学重点实验室（广州，510515）；2南方医科大学附属南方医院脊柱外科通讯作者：欧阳钧，教授，博士导师，研究方向：医学生物力学，E-mail:[e-mail]中国修复重建外科杂志2010年10月第24卷第10期·1175·颈椎前路椎间融合术（anteriorcervicalinterbodyfusion，ACIF）是治疗颈椎退行性病变的常用术式，然而对于骨质疏松患者或需要多节段融合的患者，前路钢板螺钉要获得足够的把持力仍比较困难。此外，临床上常出现首次植钉失败，二次拧入导致螺钉植入后把持力下降、松动、脱出等，因此如何提高螺钉的把持力是临床上亟待解决的问题之一[1-2]。近年来，利用椎弓根钉道强化技术治疗和修复胸腰椎损伤已有大量研究，并且在临床上得到广泛应用[3-5]，而该技术在颈椎应用的实验研究相对较少[6-8]，特别是钉道强化后疲劳测试对生物力学稳定性的影响罕见报道。本研究使用聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）骨水泥强化前路钢板单皮质骨椎体螺钉钉道，分析在强化前后、疲劳前后等不同状态下颈椎的生物力学稳定特性，以期为临床实施螺钉松脱翻修术、预防性强化钢板螺钉提供生物力学依据，从而为颈椎钢板前路固定术的技术改良奠定理论基础。1材料与方法1.1实验标本选用新鲜猪颈椎（C3～7）标本12个，8～10月龄（平均9月龄），体重80～100kg。所有标本均摄正侧位X线片，以排除病变或畸形标本。标本用双层塑料袋密封后，于—20℃保存；实验前8h取出标本，室温下自然解冻，剔除周边肌肉、筋膜，注意保持韧带、椎间盘和骨结构完整。修整后的标本用PMMA骨水泥（上海新世纪齿科材料有限公司）包埋，包埋时保持整个颈椎处于中立位，C5呈水平位，喷洒生理盐水保持标本湿润。所有测试在6h内完成，测试后标本用双层塑料袋包裹后4℃冷藏。1.2实验材料与仪器双节段颈椎前路蝶形钢板螺钉系统：钛合金长32～34mm，松质骨螺钉长12.8mm、直径4mm（佛山施泰宝外科植入物有限公司）。MTS-858液压伺服材料试验机（MTS公司，美国）；MTS控制下对抗加载三维运动试验仪（6个自由度方向—10～10N•m对抗连续加载），由本实验室自制；3510-AT疲劳试验机（BOSE公司，美国）；运动捕捉系统、EVaRT软件（Mo-tionAnalysis公司，美国）。1.3实验分组及稳定性测试和疲劳测试标本按照以下顺序分别测试5种状态下的运动角位移参数，包括运动范围（rangeofmotion，ROM）、中性区（neutralzone，NZ）和弹性区（elasticzone，EZ）。①正常对照组（A组）：完整状态。②钢板固定组（B组）：按照临床标准ACIF手术方法行C4、5椎间盘切除术[9]。所有标本均采用双节段颈椎前路蝶形钢板螺钉系统固定，于C4、5椎体节段拧入4枚单皮质椎体螺钉和2枚锁定钉。③钢板固定疲劳组（C组）：对B组标本行屈伸、左右侧弯疲劳实验。疲劳实验在3510-AT疲劳试验机上进行（图1）[10-11]。以1Hz、2N•m（20～110N的轴向载荷产生）的力矩按正弦波加载5000次。过程中用湿纱布包裹并喷洒生理盐水。疲劳实验结束后将标本在生理盐水内浸泡8h以恢复韧带和椎间盘的正常力学性质[12]。④钉道强化钢板固定组（D组）：对C组标本实施钉道强化，通过20mL注射器经穿刺针沿双侧钉道注入黏稠状的PMMA骨水泥，5min后拧入椎体螺钉，室温下（28℃）放置1h后进行标本测试。PMMA注射量为单侧钉道0.3～0.5mL[8]。⑤钉道强化钢板固定疲劳组（E组）：同C组方法，对D组标本行屈伸、左右侧弯疲劳实验。在MTS-858液压伺服材料试验机上对各组标本行屈伸、左右侧弯和左右旋转6个运动方向的稳定性测试（图2），对所有标本实施纯力偶矩加载[13]，载荷为0.5～2.0N•m，保持30s为1个循环，加载-卸载循环3次后采集数据。采用运动捕捉系统（图2）捕捉脊柱三维运动位移[14-17]，Eagle-4数字动作捕捉镜头动态追踪并自动精确捕捉安放在标本上标志球的位移（精度0.000001mm，时间间隔0.001s），EVaRT软件根据光学三