新型鈦合金頸椎前路鋼板的生物力學(xué)評(píng)價(jià).pdf

1、目前，頸椎前路鋼板已經(jīng)廣泛應(yīng)用于頸椎創(chuàng)傷、畸形、退行性變以及頸椎腫瘤的治療，其能增強(qiáng)術(shù)后頸椎的即刻穩(wěn)定性，降低假關(guān)節(jié)發(fā)生率，并且能夠減少頸椎后凸畸形的產(chǎn)生。但在臨床上頸椎前路減壓融合應(yīng)用鋼板固定，術(shù)后在植骨吸收或下沉?xí)r鋼板會(huì)對(duì)植骨區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽，影響融合效果。針對(duì)這一現(xiàn)象，我們?cè)谘芯苛烁鞣N頸椎前路鋼板系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用新型超彈性低模量醫(yī)用鈦合金研制了頸椎前路多功能鋼板系統(tǒng)(Multifunctional cervical plate，

2、MCP)，并且對(duì)此鋼板系統(tǒng)對(duì)頸椎的三維穩(wěn)定作用進(jìn)行了評(píng)價(jià)。隨著頸椎前路鋼板在臨床應(yīng)用的日漸增多，由于疲勞或是周期性的運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的鋼板螺釘?shù)乃蓜?dòng)、脫出甚至斷裂等情況也時(shí)有報(bào)道，因此，本文對(duì)鋼板系統(tǒng)也進(jìn)行了疲勞測(cè)試和三維有限元分析，以期為臨床應(yīng)用提供參考。 方法： 收集24具6個(gè)月左右宰殺的豬頸椎標(biāo)本隨機(jī)分為四組，每組6具標(biāo)本。在連續(xù)的四種狀態(tài)下，即完整狀態(tài)、植骨狀態(tài)、鋼板固定狀態(tài)以及疲勞測(cè)試后狀態(tài)，對(duì)頸椎C3—7施加2.0

3、Nm的純力矩，測(cè)量標(biāo)本前屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)范圍(rang of motion；ROM)和中性區(qū)(neutralzone；NZ)。 依據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)(F1717—96)對(duì)限制性MCP和C—mark鋼板(C—mark plate，CMP)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，將MCP、CMP上、下兩端分別固定于兩塊高19mm的超高分子量聚乙烯模塊(Ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE

4、)上，制成類似椎體切除的模型。將鋼板固定于制作的椎體切除術(shù)UHMWPE模型上，通過穿入U(xiǎn)HMWPE模塊的一對(duì)直徑9.6mm金屬棒將這套試驗(yàn)裝置連接在與試驗(yàn)機(jī)夾頭配套的夾具上，然后把整套試驗(yàn)裝置連接到INSTRON—8871材料試驗(yàn)機(jī)上。隨之進(jìn)行壓縮試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，加載負(fù)荷均采用壓彎加載，在壓縮和拉伸時(shí)兩固定塊以金屬棒為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，保證載荷垂直作用于固定塊上。 采用Unigraphics建立MCP的幾何模型，并導(dǎo)入MSC三維有限元軟件

5、中進(jìn)行力學(xué)分析。三維有限元網(wǎng)格采用四面體單元，模擬MCP在螺釘受力作用下的變形和受力情況。MCP模型采用彈塑性模型，材料選用生物醫(yī)用鈦合金，螺釘也采用彈塑性模型，并與MCP之間為變形體接觸連接，壓板采用剛性體。MCP模型采用四面體單元，并在幾何形狀復(fù)雜的部位和模型的內(nèi)部進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，該模型劃分了16，409個(gè)節(jié)點(diǎn)，72，198個(gè)四面體單元，螺釘模型采用簡(jiǎn)單的圓柱體，并同樣進(jìn)行網(wǎng)格剖分，將壓板與螺釘接觸模擬MCP的受力情況。 結(jié)

6、果： 所有節(jié)段在6個(gè)方向的ROM上，MCP固定狀態(tài)、MCP疲勞狀態(tài)、CMP固定狀態(tài)、CMP疲勞狀態(tài)之間相比較，差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，但與完整狀態(tài)、植骨狀態(tài)相比較，差異均有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。在前屈、左右側(cè)屈方向的ROM上，植骨狀態(tài)與完整狀態(tài)相比較，差異有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。在屈伸NZ上，MCP固定狀態(tài)、MCP疲勞狀態(tài)、CMP固定狀態(tài)、CMP疲勞狀態(tài)之間相比較，差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05

7、)，但與完整狀態(tài)、植骨狀態(tài)相比較，差異均有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。在側(cè)屈NZ上，除完整狀態(tài)與其它狀態(tài)之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外(P<0.01)，其它狀態(tài)之間沒有差異(P>0.05)。在旋轉(zhuǎn)NZ上，所有狀態(tài)之間均沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。MCP抗壓載荷為180N，在應(yīng)用63N的壓縮載荷下，疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到106次時(shí)鋼板仍然沒有發(fā)生斷裂。三維有限元分析顯示鋼板釘孔周圍為應(yīng)力、應(yīng)變集中處。 討論： 為了實(shí)現(xiàn)鋼板在穩(wěn)定頸椎作

8、用不變的情況下，有效降低植骨區(qū)域的應(yīng)力屏蔽，本研究應(yīng)用超彈性低模量醫(yī)用鈦合金研制了MCP。MCP具有以下特點(diǎn)：(1)鋼板螺釘均應(yīng)用68GPa的新型鈦合金制成，與目前臨床普遍應(yīng)用的醫(yī)用鈦合金(Ti—6A1—4V，110GPa)相比具有超彈性低模量的優(yōu)點(diǎn)，更為接近皮質(zhì)骨的彈性模量，有效降低應(yīng)力屏蔽效應(yīng)；(2) MCP包括CMCP、SCMCP、HMCP三種系統(tǒng)，能夠根據(jù)患者具體情況選擇應(yīng)用合適的鋼板系統(tǒng)。在頸椎前路植骨融合的過程中，通常會(huì)發(fā)生

9、植骨的吸收和/或下沉。當(dāng)植骨發(fā)生吸收和/或下沉?xí)r，SCMCP和HMCP的椎體可調(diào)角度螺釘可在一定范圍內(nèi)適應(yīng)植骨的吸收或下沉，根據(jù)Wolf定律，有利于植骨區(qū)的融合；(3)均勻布置的橫條形植釘區(qū)設(shè)計(jì)：①有利于固定螺釘?shù)臋M向任意植入；②在進(jìn)行椎體次全切除時(shí)，固定螺釘可用于固定植骨塊；③在進(jìn)行椎間盤切除時(shí)，固定螺釘可用于固定椎體；④聯(lián)合進(jìn)行椎體次全切除和椎間盤切除時(shí)，固定螺釘可以同時(shí)固定植骨塊和椎體；(4)帶有鎖定裝置，安全方便，可有效防止退釘

10、現(xiàn)象。 三維穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果顯示，頸椎前路椎體次全切除植骨后頸椎的活動(dòng)范圍明顯降低，在MCP固定后頸椎的活動(dòng)范圍進(jìn)一步降低。在施加2.0Nm的純力矩時(shí)，MCP固定后能夠達(dá)到與CMP同樣的三維穩(wěn)定效果；在進(jìn)行疲勞測(cè)試后MCP仍然能夠維持頸椎的三維穩(wěn)定性，并且能夠達(dá)到與CMP同樣的穩(wěn)定效果。在未施加載荷時(shí)，所有固定節(jié)段在屈伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)方向上，MCP固定以及疲勞測(cè)試后同CMP相比較沒有差異。 疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示，MCP的抗壓載荷

11、為180N，在63N的壓縮載荷下，鋼板疲勞試驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到106次，相當(dāng)于正常人頸椎生理運(yùn)動(dòng)4～6個(gè)月，能夠滿足體內(nèi)頸椎植骨融合的需要。椎體固定螺釘孔周圍以及條形植釘區(qū)是鋼板的應(yīng)力集中部位。掃描電鏡觀察結(jié)果顯示MCP斷裂的疲勞萌生區(qū)在鋼板的上表面，鋼板發(fā)生斷裂時(shí)裂紋由鋼板的上表面逐漸往下表面延伸，直至斷裂。 三維有限元分析結(jié)果顯示，MCP的植釘區(qū)、椎體固定螺釘孔的外下緣以及視窗孔的外側(cè)緣為MCP發(fā)生應(yīng)力、應(yīng)變的集中區(qū)域，這些集中區(qū)域

12、即為實(shí)際疲勞試驗(yàn)過程中最有可能發(fā)生斷裂的區(qū)域，本試驗(yàn)中MCP的應(yīng)力、應(yīng)變集中區(qū)域有限元模擬結(jié)果與實(shí)際進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的鋼板的斷裂區(qū)域相一致。 結(jié)論： 本試驗(yàn)研究顯示MCP夠給頸椎提供足夠的三維穩(wěn)定性，在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)后仍然能給頸椎提供足夠的三維穩(wěn)定性；在63N的壓縮載荷下，鋼板疲勞試驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到106次，能夠滿足術(shù)后植骨融合的需要；三維有限元分析顯示鋼板的應(yīng)力、應(yīng)變集中區(qū)域有限元模擬結(jié)果與實(shí)際進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的鋼板的斷裂區(qū)域是一