脊柱内固定器械的生物力学.pdf

综述 脊柱内固定器械的生物力学王向阳!综述池永龙审校随着材料学和生物力学发展，传统的脊柱内固定方法不断改进，新型内固定器械不断涌现。而新的内固定器械在临床应用前应该在实验室进行生物力学综合评价，从而选出最合适的内固定器械1。因此，对脊柱内固定器械的生物力学研究已成为目前脊柱外科生物力学研究的重要课题。为了更好地评价某种内固定器械，必须对每种实验方法有全面的认识。本文结合有关文献，对脊柱内固定器械的生物力学研究的方法及有关问题进行阐述。!脊柱内固定器械组成在整套器械进行测试前，应当首先考虑内植物各组成部分的结构及其机械特性。目前，脊柱内固定器械的设计，依据特殊要求而形态各异，但其基本结构只有三种：长构件结构（如棒、钢板等），固定椎体构件（如椎弓根螺钉、椎板钩、椎板下钢丝或前方椎体螺钉）以及将其连接至长构件的连接部分。脊柱内固定器械的生物力学实验评价要与具体器械相结合，要考虑到各种结构设计所带来的生物力学差异，以便更好的理解每一类型器械的生物力学特性，更好地为临床服务2。标本选择和模型建立新鲜、年轻、健康尸体是最理想的标本。福尔马林浸泡的尸体标本，已大大改变了标本属性。W ilke等3研究了16周小牛的L1!2脊柱节段标本在福尔马林浸泡前后进行三维运动范围（Range of 3-D M otion）测试，结果表明运动范围较前增加80%，中性区增加96%，建议不能使用福尔马林标本。由于新鲜成年男尸来源少，操作时易受其体液感染，且受测试时间的限制。现已有使用小牛、羊、狗、猪等动物脊柱标本代替。W ilke等4，5应用羊脊柱标本与人脊柱标本进行解剖学和脊柱节段三维运动范围测试，指出两者有很大相似性，建议可代替人脊柱标本模型。W ilke等6，7还将牛的脊柱三维运动范围与人脊柱相比，指出两者力学性能相似，特别在轴向旋转与侧弯方向上；而腰段的前屈后伸范围比人脊柱标本运动范围小，但仍在其范围内。狗椎体偏小，但易于手术和饲养。猪与人体椎体大小相似，特别是腰椎形态与人的椎体相似，标本来源广泛，可满足各种实验的要求。还有非生物脊柱模型：人工制品脊柱模型8和数字力学模型9。人工制品模型的特点是各模型具有一致性，骨螺钉界面稳定，不受测试时间的限制。数字力学模型不受实验诸多因素的影响，费用低，还可提供实验手段不易得到的详细数据，并可改变其中任一参数以观察其对整个结构的影响。但数字力学模型的有效性仍需要实验验证。标本准备时要注意保持长度一致并恒定10。标本选择以后，测试前要选择合适的失稳模型。对于生物脊柱标本，W ilke1认为最好由手术刀在椎间盘和韧带和由摆动锯或骨凿在骨结构内做出来，并尽量符合临床实际。#内固定器械生物力学实验方法脊柱内固定器械的生物力学特征主要基于器械在生理环境中的机械性能和器械对失稳脊柱的固定效果。前者主要研究器械承受各种生理性载荷的性能及器械的抗疲劳性能，为破坏性试验。内固定器械破坏有三种方式：部件断裂，骨-移植物界面松动，器械结构内部界面如螺钉-连接棒交界处松动。后者主要研究器械对失稳脊柱稳定性的影响，为非破坏性试验。故其实验方法主要有以下三类：#$!强度实验通过材料试验机施加负荷，直到试验对象不能耐受为止，并绘制出载荷位移曲线，从中可得到屈服载荷、断裂吸收能量和刚度。主要有以下二类：#$!$!骨器械界面屈服强度实验根据器械类型及所固定的部位选择不同的测试方法。可选择螺钉轴向拔出试验、棘突钢丝屈服强度实验、椎板钩屈服强度实验等。计算最大屈服载荷（载荷位移曲线最高时的载荷数值）、屈服能量吸收（屈服载荷以左曲线下的面积）及刚度（弹性范围内曲线的斜率），其值越大表示骨器械界面的结合越大。加载速度一般为2.5!5 mmm in，以5 mmm in运用最多11，12。主要与结合方式及结合部位的骨质有关。如Coe等12分别报道了椎弓根螺钉机械屈服载荷为430N和棘突钢丝的屈服载荷为380N，椎板钩屈服载荷为646N。#$!$内固定器械屈服强度实验实验时，可将固定器械的整体或某一构件单独作为试件，或者与脊柱标本结合进行测试。模似脊柱临床疾病状态，在固定部分加上各种载荷，如轴向、屈伸、侧弯或轴向旋转载荷，直至固定失败。计算屈服载荷、断裂吸收能量和刚度，观察破坏过程中器械破坏的部位和特点。用于研究器械构件、器械整体、器械脊柱结构的薄弱环节和器械的最大承载应力13。强度实验具有破坏性，每个标本只能研究一个固定器械，因人体标本个体差异较大，这样每次试验得到的数据具有明显差异。因此，这类实验仅能评价固定器材料和结构的力学强度以及了解有关内固定器械的断裂损伤机制，不能精确反032THEJOURNAL OF BONE ANDJO I NTI NJURY Vol.17.NO.3.M ay.2002!温州医学院附属二院骨科浙江温州市325027映固定后病损部位的生物力学资料。3.2疲劳实验临床实践表明，脊柱手术后短期内内固定器械固定不会失效，但随着时间的推移则会出现疲劳性破坏。人为条件下，施加一定量的预负荷于标本，在一定的频率下周期性作用于内固定器械来研究疲劳反应及其变化规律。3.2.1骨器械界面疲劳实验如在相同周期循环垂直加压后，进行螺钉拔出实验，轴向拔出力大或位移小者表示耐疲劳好。实验证明螺钉的稳定性与循环负荷大小、频率周期密切相关11。但目前试验研究采用的循环负荷、频率及周期各家都不统一。W ilke11推荐载荷范围为40!450N，加载频率为1H z，循环次数为20000次。3.2.2内固定器械疲劳实验A shman14提出脊柱内植物所承受的生理载荷下循环次数的估计值。考虑到每个病人脊柱内固定器械应力载荷循环为5 s（0.2 H z），每天16 h，持续4个月（融合时间），器械将会承受超过100万次以上的循环载荷。但生物性脊柱标本可在内固定器械失败以前发生退变。一般认为脊柱标本宜在24 h内测试完毕1。故采用尸体标本无法完成持续时间较长的疲劳实验，常采用超高分子聚乙烯制成的试件来完成15。随着时间的推移，脊柱病损部位与内固定器械的载荷分享发生变化。如脊柱固定节段骨质融合，内固定器械所受的载荷下降，使器械疲劳寿命延长。因此内固定器械的疲劳还与疾病进程中载荷分享的改变有关，而离体实验不能考虑这方面因素。这类实验也无法获得骨折或融合部位的生物力学资料。3.3内固定器械稳定性实验属于非破坏性实验，目前尚无脊柱内固定系统稳定性测试的标准方案1。一般建议将标本连接在脊柱三维运动试验机的加载盘和试验台上，对脊柱标本施加前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转纯力矩，使脊柱相应作上述运动，用三维6自由度坐标系统记录载荷位移关系，并将损伤及内固定后脊柱的运动行为与正常完整脊柱进行比较16，17。脊柱的稳定性常用脊柱运动范围（range of motion，ROM）即节段间的角度变化和节段间的位移表示，脊柱的不稳定要与相应的运动方向及范围结合起来，如果内源性稳定系统破坏，某一方向上的运动范围过大则表现为该方向上的失稳17。根据脊柱的运动特点，标本负载为施加在头尾侧端的力矩，由于体内脊柱的负载很复杂和个体之间负载的差异，使用的力矩数值有差异，但多数学者1，18已基本达成共识：腰椎使用单一力矩负载时，建议使用7.5 Nm，C1!2用1 Nm，其余颈椎用2.5 Nm，使用骨质疏松脊柱标本时这些值应减少一半。也有胸腰椎标本使用力矩为10 Nm17。脊柱运动测量一般采用立体光学测量17，19：由两个互成角度的平面光学测量系统构成，通过计算机三维视图和图像处理技术，来确定物体空间位置，角度测量精度可达0.5。这种实验属于稳定性实验，可详细地反映固定节段的生物力学环境。但由于影响脊柱植入体外稳定性测试的因素较多，如测试的标本、测试条件、设备等主要因素尚未有统一标准，从而影响实验结果20。4如何正确进行脊柱内固定器械生物力学评价大部分研究用动物或人体的脊柱标本进行体外试验，没有涉及到肌肉组织的生物力学作用和活体组织的协调作用21，而肌肉系统对内固定器械承载影响很大22。因此精确的模拟体内整个脊柱、器械和载荷情况仍是一个挑战。要注意体外的不同器械之间比较的生物力学评价是要在相互比较的基础上得出，只能说明某一器械某一力学特性较另一器械强，并不能说明使用该器械就会达到好的临床效果。另外，病损节段的愈合过程对脊柱内固定器械的影响很大，经过术后良好的康复和锻炼许多病人可重新获得一个稳定的脊柱。因此解释这些实验结果时必须非常慎重，单纯就脊柱本身的损伤来解释某种内固定器械对活体脊柱稳定性的影响是片面的，这种推理是欠合理。上述三种实验结果也无相关性。如某种疲劳寿命较长的内固定器械不一定有更高的稳定性，反之器械稳定性高不一定疲劳寿命长。因此应更加重视采用前瞻性的研究方法和客观、精确的测量手段，对术后病人脊柱稳定情况进行长期观察。生物力学评价结合动物实验和临床评价才能实现脊柱内固定器械的全面评价。参考文献1W ilke H J，W enger K，C laes L.T esting criteria for spinal i mplants：recommendationsfor the standardization of in Vitro stability testing ofspinal i mplants.J Eur Spine，1998，7：1482L i m TH，An HS，Hong JH，!#$.b iomechanical eValuation of an-terior and posterior fixations in an unstable calf spine model.Spine，1997，22：2613W ilke H J，Krischak S，C laes LE.For malin 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thelumbar.Spine（In processC itation.Spine），2000，25：54311Shao JF，Sarkar MR，K inzl L，!#$.Resorbable calcium phos-phate cement augmentation of pedicle screW fixation in the humanlumbar spine.Hong Kong Journal of O rthopaedic Surgery，2000，4：2132骨与关节损伤杂志2002年5月第17卷第3期12Coe JD，W arden KE，erzig MA，!#$.InflLence of bone m ineraldensity on the fixation of thoracolLmbar i mplants：a comparativestLdy.Spine，1990，15：90213D ick JC，Brodke DS，Zdeblick TA，!#$.Anterior instrLmenta-tion of the thoracolLmbar spine：a biomechanical comparison.Spine，1997，22：74414A shman RB，Bechtold JE，EdWards WT，!#$.In vitro spine i m-plant mechanical testing protocol.J Spine D is，1989，2：27415Goel VK，W interbottomJ M，W einstein JN.A method for the fa-tigLe testing of pedicle screW fixation devices.J B iomech，1994，27：138316Panjabi MM.B iomechanical evalLation of spinal fixation devices：I.AconceptLal frameWork.Spine，1988，13：112917朱青安，吕维加，王柏川 等.改进型EdWards器械固定不稳定胸腰椎骨折的生物力学评价.中华骨科杂志，2001，21：39418W ilke J，JLngkLnz B，W enger 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syndrome，简称FBSS）泛指在行椎板切除术或椎间盘摘除术后，患者仍有腰痛，腿痛或其他不适症状的征候群。基于不同的病理原因与评价标准，近几十年来国内外研究FBSS的骨科和神经外科医生总结出许多引起FBSS的发病原因。包括术前病人不合理的选择，再发生间盘突出，继发性椎管狭窄、腰椎不稳、小关节功能紊乱、脊椎间盘炎及脊椎炎，技术失误以及硬脊膜瘢痕的形成等。其中硬脊膜外瘢痕是重要原因。由于硬脊膜及神经根粘连，牵扯压迫神经，使术后症状复发，严重影响病人的远期效果。Fritsch2统计FBSS病人中约有60%为硬脊膜瘢痕组织粘连所致。所以解决硬膜外瘢痕组织导致FBSS就显得尤为重要了。!病理学特点硬膜外瘢痕组织（硬膜外纤维化epidLral fibrosis），是机体对创伤的修复反应。作为组织修复细胞的主要成分成纤维细胞在炎症介质，生长因子的趋化作用下，通常在术后第2!3 d出现在椎板缺损区与毛细血管一起长入血凝块。在血小板、巨噬细胞释放的生长因子（转化生长因子-、TGF、血小板衍化生长因子PDGF等）刺激下，成纤维细胞增殖，术后5!6 d开始合成胶原，产生胶原纤维。其后1周内，胶原纤维形成最为活跃。随着胶原的增多及成熟，残存的成纤维细胞转化为静止的纤维细胞，肉芽组织就逐渐转化为瘢痕组织。一般来说，这个病理过程的出现需持续2!4周2。这一过程形成硬膜外不成熟瘢痕组织。随着肉芽组织转变为纤维组织，过多的毛细血管网消退，细胞外基质成分极度减少，肉芽组织转变致密的瘢痕组织，瘢痕进一步收缩、塑形、重建，逐渐向正常组织转变。这个病理过程的出现需持续至少2!3个月。这一过程形成硬膜外成熟瘢痕组织。对硬脊膜周围瘢痕组织形成的主要修复细胞即成纤维细胞的来源问题有许多观点。1948年Key等3提出前源性学说认为硬脊膜瘢痕组织来源于椎管前方受损的纤维环和后纵韧带；1974年LaRocca等4则提出后源性学说认为其来源于椎板上附着的肌肉组织，其中的纤维组织向下长入椎管内的血肿，形成一层致密的硬膜外瘢痕组织。而硬膜前方的血肿在后方的纤维组织长入前就已被吸收，不会形成瘢痕，并创造“Lam inectomy M embrane”一词来定义椎管后方的瘢痕组织。1990年Songer等5提出硬膜周围纤维形成的三维立体学说认为硬膜周围的瘢痕组织既来自后方损坏的竖脊肌、也来自前方受损的纤维环和后纵韧带。1997年E inhaLs等6提出血源性学说即成纤维细胞除来源于局部受损细胞外，血管性来源也是十分重要的，也就是说成纤维细胞，可能部分来自其本身的有丝分裂，而更多的是由血管游离出来的内皮下细胞和血管外膜细胞演变而来，既主要来自邻近的间充质细胞。瘢痕组织形成受诸多因素的影响。手术创伤所致的炎症反应是瘢痕组织形成的重要原因。临床实践也表明在硬脊膜外形成严重的瘢痕组织和牢固的粘连1。血肿也一直被认为232TEJOURNAL OF BONE ANDJO I NTI NJURY Vol.17.NO.3.M ay.2002!大连医科大学第一临床学院辽宁大连116027脊柱内固定器械的生物力学脊柱内固定器械的生物力学作者：王向阳，池永龙作者单位：温州医学院附属二院骨科,浙江温州市,325027刊名：骨与关节损伤杂志英文刊名：THE JOURNAL OF BONE AND JOINT INJURY年，卷(期)：2002,17(3)被引用次数：2次 参考文献(22条)参考文献(22条)1.Wilke HJ;Wenger K;Claes L Testing criteria for spinal implants:recommendations for thestandardization of in vitro stability testing of spinal implants外文期刊 1998(2)2.Lim TH;An HS;Hong JH Biomechanical evaluation of anterior and posterior fixations in an unstable calfspine model外文期刊 1997(3)3.Wilke HJ;Krischak S;Claes Le Formalin fixation strongly influences biomechanical propdrties of thesppine外文期刊 1996(12)4.Wilke HJ;Kettler A;Wenger KH Anatomy of the sheep spine 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