新型腰椎動態(tài)內固定系統(tǒng)的生物力學研究.pdf

1、目的：
　　 目前腰椎退行性疾病已成為骨科領域的常見病,傳統(tǒng)手術方式為腰椎植骨融合內固定。但植骨融合內固定并不能達到理想的治療效果。隨著對脊柱生物力學研究的深入,非融合腰椎內固定由此而逐漸發(fā)展起來。目前非融合腰椎動態(tài)固定包括經椎弓根固定和棘突間固定,大多在材料組成和生物力學性能上存在局限性。本課題利用中國科學院金屬研究所發(fā)明的一種超彈性低模量的新型鈦合金材料來設計制作新型腰椎動態(tài)內固定系統(tǒng)。通過研究該裝置對脊柱的穩(wěn)定性和間盤載荷

2、的影響、內部應力分布以及疲勞測試,明確該系統(tǒng)是否具有優(yōu)良的動態(tài)固定、載荷分享效果和疲勞性能,為其臨床應用提供科學依據(jù)。
　　 材料與方法
　　 利用中國科學院金屬研究所發(fā)明的新型鈦合金材料(Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn)加工腰椎動態(tài)內固定系統(tǒng)(DIFS)和半硬性固定系統(tǒng),SINO堅強固定系統(tǒng)作為對照。DIFS和半硬性系統(tǒng)的椎弓根螺釘均為6.0×45mm尺寸,螺釘材料彈性模量均為75GPa。DIFS系統(tǒng)的連接棒材料彈

3、性模量為43GPa,直徑為4mm,半硬性系統(tǒng)棒體材料彈性模量為43GPa,直徑為4.8mm。SINO系統(tǒng)的螺釘尺寸為6.0×45mm,棒直徑為6.0mm,裝置用普通醫(yī)用鈦合金(Ti-6Al-4V,110GPa)制備。
　　 穩(wěn)定性和間盤壓測試的實驗標本采用8具平均年齡8.7個月小牛腰椎節(jié)段(L3-6),標本保持骨、間盤、韌帶和關節(jié)突關節(jié)的完整性。測試前將標本的頭端和尾端的半個椎體包埋制作成平行的平臺,并且在各個椎體的前方、側方以

4、及棘突插入Marker球,用以標記節(jié)段的運動。穩(wěn)定性測試的實驗裝置包括MTS材料試驗機、滑輪組系統(tǒng)以及MotionAnalysis步態(tài)分析系統(tǒng)。加載前用MotionAnalysis步態(tài)分析系統(tǒng)對標本的Marker球進行識別,以標記脊柱節(jié)段的三維運動。利用MTS材料試驗機、滑輪組系統(tǒng)對標本在前屈/后伸、側彎和旋轉方向上加載8Nm的純力矩,預加載兩個循環(huán)以減小標本粘滯性對結果的影響。MotionAnalysis系統(tǒng)從第三個加載循環(huán)開始記錄脊

5、柱節(jié)段的三維運動,并存儲數(shù)據(jù),以備計算節(jié)段的ROM和NZ,以及載荷位移曲線。間盤壓測量的力矩加載方法與穩(wěn)定性測試相同。測試前需先在鄰近軟骨終板的椎體中制作骨道以便插入傳感器測量間盤壓。測量利用KYOWA傳感器系統(tǒng),通過問盤終板間接測量間盤內壓力。在對標本加載的同時記錄問盤壓變化情況以及載荷-間盤壓曲線。穩(wěn)定性和間盤壓數(shù)據(jù)的統(tǒng)計采用隨機區(qū)組方差分析,組內兩兩比較采用Bonferroni test方法進行校正。
　　 利用Ansys

6、10.0軟件建立DIFS系統(tǒng)和普通醫(yī)用鈦合金內固定系統(tǒng)的間盤切除有限元網格模型,對其進行力的加載,有限元計算分析。進行DIFS系統(tǒng)壓縮測試以驗證有限元模型的可靠性。利用Ansys的后處理路徑功能對比分析兩種系統(tǒng)載荷下的屈曲角位移以及屈曲活動時內部應力大小。疲勞測試參照ASTM標準進行,制作測試模具,模具由測試塊和夾具組成,二者以轉軸相連,能夠使上下兩個測試塊自由屈伸運動。將DIFS系統(tǒng)安裝至測試塊上,通過夾具連接至疲勞試驗機,進行循環(huán)疲

7、勞測試。測試采用位移控制控制模式,使DIFS系統(tǒng)在屈伸15°范圍內往返運動,以達到1000萬次循環(huán)為成功。
　　 實驗結果
　　 穩(wěn)定性測量的結果顯示失穩(wěn)模型明顯地增加了節(jié)段在三個運動平面的活動范圍(ROM)和中性區(qū)(NZ)。失穩(wěn)節(jié)段的ROM在屈/伸、側彎和旋轉方向上分別增加了25％、38％和38％,而NZ在這些方向上分別增加了55％、38％和65％。三種內固定系統(tǒng)均對失穩(wěn)節(jié)段有穩(wěn)定作用,將失穩(wěn)節(jié)段的ROM和NZ限制在完

8、整狀態(tài)水平范圍內(P<0.05)。DIFS在前屈、后伸、側彎和旋轉方向上分別將ROM恢復至完整狀態(tài)水平的78％、60％、62％和69％。半硬性固定系統(tǒng)在這些方向上分別恢復ROM至完整狀態(tài)的35％、28％、46％和37％。SINO系統(tǒng)在屈伸、側彎和旋轉方向上恢復ROM至10％、25％和33％。與完整狀態(tài)相比較,DIFS較理想的恢復ROM至前者的60％以上,達到動態(tài)固定的目的。與DIFS相比較,半硬性固定和SINO堅強固定系統(tǒng)明顯地限制了節(jié)

9、段的運動。鄰近節(jié)段的ROM和NZ不受內固定系統(tǒng)的影響,各個狀態(tài)之間沒有明顯的差異。
　　 間盤內壓力結果顯示失穩(wěn)模型對固定節(jié)段和鄰近節(jié)段的間盤內壓力沒有明顯影響。三種內固定物均對間盤負荷有承載作用。其中DIFS系統(tǒng)在側彎、旋轉和前屈方向上分別承載間盤負荷的43％、30％和39％,半硬性系統(tǒng)在這些方向上分別承載58％、72％和66％,SINO系統(tǒng)分別承載76％、88％和83％,后伸方向上三種內固定系統(tǒng)均承載了全部的間盤負荷。鄰近節(jié)

10、段的間盤內壓力不受固定系統(tǒng)的影響,各個狀態(tài)之間沒有明顯差異。
　　 有限元分析結果顯示有限元計算與力學試驗機測試所得的載荷-位移曲線一致,載荷100N使DIFS系統(tǒng)發(fā)生9°屈曲角位移,DIFS系統(tǒng)的釘棒連接處出現(xiàn)高應力區(qū),其中連接棒在距兩端19mm的上下兩處,即釘棒連接處出現(xiàn)最大應力；上、下螺釘均在距釘尖52mm處,即螺釘體尾交界處出現(xiàn)最大應力,這與臨床上常見的斷釘處一致。與普通醫(yī)用鈦合金相比較,DIFS系統(tǒng)的屈曲活動性更好,在

11、相同負荷作用下其屈曲角位移為前者的2.3倍,而內部的最大應力在屈曲同樣角度時僅為前者的57％。
　　 結論：
　　 1、DIFS系統(tǒng)能夠較理想地實現(xiàn)對腰椎失穩(wěn)節(jié)段的動態(tài)穩(wěn)定,在多個方向上能與脊柱節(jié)段共同承載負荷；
　　 2、DIFS系統(tǒng)在動態(tài)穩(wěn)定同時具有較小的內部應力,預示其具有較好疲勞性能,有待于疲勞測試證實；
　　 3、DIFS系統(tǒng)的全金屬設計具有機械性能優(yōu)勢,且操作使用簡便,在臨床上具有了很好的應用