新型腰椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)研究.pdf

1、目的：
　　 目前腰椎退行性疾病已成為骨科領(lǐng)域的常見(jiàn)病,傳統(tǒng)手術(shù)方式為腰椎植骨融合內(nèi)固定。但植骨融合內(nèi)固定并不能達(dá)到理想的治療效果。隨著對(duì)脊柱生物力學(xué)研究的深入,非融合腰椎內(nèi)固定由此而逐漸發(fā)展起來(lái)。目前非融合腰椎動(dòng)態(tài)固定包括經(jīng)椎弓根固定和棘突間固定,大多在材料組成和生物力學(xué)性能上存在局限性。本課題利用中國(guó)科學(xué)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(lái)設(shè)計(jì)制作新型腰椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)。通過(guò)研究該裝置對(duì)脊柱的穩(wěn)定性和間盤(pán)載荷

2、的影響、內(nèi)部應(yīng)力分布以及疲勞測(cè)試,明確該系統(tǒng)是否具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)固定、載荷分享效果和疲勞性能,為其臨床應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
　　 材料與方法
　　 利用中國(guó)科學(xué)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(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)(DIFS)和半硬性固定系統(tǒng),SINO堅(jiān)強(qiáng)固定系統(tǒng)作為對(duì)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(pán)壓測(cè)試的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本采用8具平均年齡8.7個(gè)月小牛腰椎節(jié)段(L3-6),標(biāo)本保持骨、間盤(pán)、韌帶和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的完整性。測(cè)試前將標(biāo)本的頭端和尾端的半個(gè)椎體包埋制作成平行的平臺(tái),并且在各個(gè)椎體的前方、側(cè)方以

4、及棘突插入Marker球,用以標(biāo)記節(jié)段的運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)定性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置包括MTS材料試驗(yàn)機(jī)、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(duì)標(biāo)本的Marker球進(jìn)行識(shí)別,以標(biāo)記脊柱節(jié)段的三維運(yùn)動(dòng)。利用MTS材料試驗(yàn)機(jī)、滑輪組系統(tǒng)對(duì)標(biāo)本在前屈/后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上加載8Nm的純力矩,預(yù)加載兩個(gè)循環(huán)以減小標(biāo)本粘滯性對(duì)結(jié)果的影響。MotionAnalysis系統(tǒng)從第三個(gè)加載循環(huán)開(kāi)始記錄脊

5、柱節(jié)段的三維運(yùn)動(dòng),并存儲(chǔ)數(shù)據(jù),以備計(jì)算節(jié)段的ROM和NZ,以及載荷位移曲線(xiàn)。間盤(pán)壓測(cè)量的力矩加載方法與穩(wěn)定性測(cè)試相同。測(cè)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(cè)量間盤(pán)壓。測(cè)量利用KYOWA傳感器系統(tǒng),通過(guò)問(wèn)盤(pán)終板間接測(cè)量間盤(pán)內(nèi)壓力。在對(duì)標(biāo)本加載的同時(shí)記錄問(wèn)盤(pán)壓變化情況以及載荷-間盤(pán)壓曲線(xiàn)。穩(wěn)定性和間盤(pán)壓數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)采用隨機(jī)區(qū)組方差分析,組內(nèi)兩兩比較采用Bonferroni test方法進(jìn)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(nèi)固定系統(tǒng)的間盤(pán)切除有限元網(wǎng)格模型,對(duì)其進(jìn)行力的加載,有限元計(jì)算分析。進(jìn)行DIFS系統(tǒng)壓縮測(cè)試以驗(yàn)證有限元模型的可靠性。利用Ansys的后處理路徑功能對(duì)比分析兩種系統(tǒng)載荷下的屈曲角位移以及屈曲活動(dòng)時(shí)內(nèi)部應(yīng)力大小。疲勞測(cè)試參照ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,制作測(cè)試模具,模具由測(cè)試塊和夾具組成,二者以轉(zhuǎn)軸相連,能夠使上下兩個(gè)測(cè)試塊自由屈伸運(yùn)動(dòng)。將DIFS系統(tǒng)安裝至測(cè)試塊上,通過(guò)夾具連接至疲勞試驗(yàn)機(jī),進(jìn)行循環(huán)疲

7、勞測(cè)試。測(cè)試采用位移控制控制模式,使DIFS系統(tǒng)在屈伸15°范圍內(nèi)往返運(yùn)動(dòng),以達(dá)到1000萬(wàn)次循環(huán)為成功。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　 穩(wěn)定性測(cè)量的結(jié)果顯示失穩(wěn)模型明顯地增加了節(jié)段在三個(gè)運(yùn)動(dòng)平面的活動(dòng)范圍(ROM)和中性區(qū)(NZ)。失穩(wěn)節(jié)段的ROM在屈/伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)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(nèi)固定系統(tǒng)均對(duì)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(nèi)(P<0.05)。DIFS在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上分別將ROM恢復(fù)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(fù)ROM至完整狀態(tài)的35％、28％、46％和37％。SINO系統(tǒng)在屈伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上恢復(fù)ROM至10％、25％和33％。與完整狀態(tài)相比較,DIFS較理想的恢復(fù)ROM至前者的60％以上,達(dá)到動(dòng)態(tài)固定的目的。與DIFS相比較,半硬性固定和SINO堅(jiān)強(qiáng)固定系統(tǒng)明顯地限制了節(jié)

9、段的運(yùn)動(dòng)。鄰近節(jié)段的ROM和NZ不受內(nèi)固定系統(tǒng)的影響,各個(gè)狀態(tài)之間沒(méi)有明顯的差異。
　　 間盤(pán)內(nèi)壓力結(jié)果顯示失穩(wěn)模型對(duì)固定節(jié)段和鄰近節(jié)段的間盤(pán)內(nèi)壓力沒(méi)有明顯影響。三種內(nèi)固定物均對(duì)間盤(pán)負(fù)荷有承載作用。其中DIFS系統(tǒng)在側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)和前屈方向上分別承載間盤(pán)負(fù)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(nèi)固定系統(tǒng)均承載了全部的間盤(pán)負(fù)荷。鄰近節(jié)

10、段的間盤(pán)內(nèi)壓力不受固定系統(tǒng)的影響,各個(gè)狀態(tài)之間沒(méi)有明顯差異。
　　 有限元分析結(jié)果顯示有限元計(jì)算與力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試所得的載荷-位移曲線(xiàn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力,這與臨床上常見(jiàn)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(dòng)性更好,在

11、相同負(fù)荷作用下其屈曲角位移為前者的2.3倍,而內(nèi)部的最大應(yīng)力在屈曲同樣角度時(shí)僅為前者的57％。
　　 結(jié)論：
　　 1、DIFS系統(tǒng)能夠較理想地實(shí)現(xiàn)對(duì)腰椎失穩(wěn)節(jié)段的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定,在多個(gè)方向上能與脊柱節(jié)段共同承載負(fù)荷；
　　 2、DIFS系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定同時(shí)具有較小的內(nèi)部應(yīng)力,預(yù)示其具有較好疲勞性能,有待于疲勞測(cè)試證實(shí)；
　　 3、DIFS系統(tǒng)的全金屬設(shè)計(jì)具有機(jī)械性能優(yōu)勢(shì),且操作使用簡(jiǎn)便,在臨床上具有了很好的應(yīng)用