新型鈦合金頸椎前路鋼板的生物力學評價.pdf

1、目前，頸椎前路鋼板已經(jīng)廣泛應用于頸椎創(chuàng)傷、畸形、退行性變以及頸椎腫瘤的治療，其能增強術后頸椎的即刻穩(wěn)定性，降低假關節(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用鋼板固定，術后在植骨吸收或下沉時鋼板會對植骨區(qū)域產(chǎn)生應力屏蔽，影響融合效果。針對這一現(xiàn)象，我們在研究了各種頸椎前路鋼板系統(tǒng)的基礎上，應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)，并且對此鋼板系統(tǒng)對頸椎的三維穩(wěn)定作用進行了評價。隨著頸椎前路鋼板在臨床應用的日漸增多，由于疲勞或是周期性的運動所導致的鋼板螺釘?shù)乃蓜印⒚摮錾踔翑嗔训惹闆r也時有報道，因此，本文對鋼板系統(tǒng)也進行了疲勞測試和三維有限元分析，以期為臨床應用提供參考。 方法： 收集24具6個月左右宰殺的豬頸椎標本隨機分為四組，每組6具標本。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)以及疲勞測試后狀態(tài)，對頸椎C3—7施加2.0

3、Nm的純力矩，測量標本前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉的活動范圍(rang of motion；ROM)和中性區(qū)(neutralzone；NZ)。 依據(jù)ASTM標準(F1717—96)對限制性MCP和C—mark鋼板(C—mark plate，CMP)進行疲勞試驗，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UHMWPE模型上，通過穿入UHMWPE模塊的一對直徑9.6mm金屬棒將這套試驗裝置連接在與試驗機夾頭配套的夾具上，然后把整套試驗裝置連接到INSTRON—8871材料試驗機上。隨之進行壓縮試驗和疲勞試驗，加載負荷均采用壓彎加載，在壓縮和拉伸時兩固定塊以金屬棒為軸轉動，保證載荷垂直作用于固定塊上。 采用Unigraphics建立MCP的幾何模型，并導入MSC三維有限元軟件

5、中進行力學分析。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，并在幾何形狀復雜的部位和模型的內部進行了網(wǎng)格細化，該模型劃分了16，409個節(jié)點，72，198個四面體單元，螺釘模型采用簡單的圓柱體，并同樣進行網(wǎng)格剖分，將壓板與螺釘接觸模擬MCP的受力情況。 結

6、果： 所有節(jié)段在6個方向的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)計學意義(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)計學意義(P<0.01)。在前屈、左右側屈方向的ROM上，植骨狀態(tài)與完整狀態(tài)相比較，差異有顯著統(tǒng)計學意義(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)計學意義(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)計學意義(P<0.01)。在側屈NZ上，除完整狀態(tài)與其它狀態(tài)之間有統(tǒng)計學意義外(P<0.01)，其它狀態(tài)之間沒有差異(P>0.05)。在旋轉NZ上，所有狀態(tài)之間均沒有統(tǒng)計學意義(P>0.05)。MCP抗壓載荷為180N，在應用63N的壓縮載荷下，疲勞試驗進行到106次時鋼板仍然沒有發(fā)生斷裂。三維有限元分析顯示鋼板釘孔周圍為應力、應變集中處。 討論： 為了實現(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)域的應力屏蔽，本研究應用超彈性低模量醫(yī)用鈦合金研制了MCP。MCP具有以下特點：(1)鋼板螺釘均應用68GPa的新型鈦合金制成，與目前臨床普遍應用的醫(yī)用鈦合金(Ti—6A1—4V，110GPa)相比具有超彈性低模量的優(yōu)點，更為接近皮質骨的彈性模量，有效降低應力屏蔽效應；(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，通常會發(fā)生

9、植骨的吸收和/或下沉。當植骨發(fā)生吸收和/或下沉時，SCMCP和HMCP的椎體可調角度螺釘可在一定范圍內適應植骨的吸收或下沉，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)設計：①有利于固定螺釘?shù)臋M向任意植入；②在進行椎體次全切除時，固定螺釘可用于固定植骨塊；③在進行椎間盤切除時，固定螺釘可用于固定椎體；④聯(lián)合進行椎體次全切除和椎間盤切除時，固定螺釘可以同時固定植骨塊和椎體；(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)定性試驗結果顯示，頸椎前路椎體次全切除植骨后頸椎的活動范圍明顯降低，在MCP固定后頸椎的活動范圍進一步降低。在施加2.0Nm的純力矩時，MCP固定后能夠達到與CMP同樣的三維穩(wěn)定效果；在進行疲勞測試后MCP仍然能夠維持頸椎的三維穩(wěn)定性，并且能夠達到與CMP同樣的穩(wěn)定效果。在未施加載荷時，所有固定節(jié)段在屈伸、側屈、旋轉方向上，MCP固定以及疲勞測試后同CMP相比較沒有差異。 疲勞試驗結果顯示，MCP的抗壓載荷

11、為180N，在63N的壓縮載荷下，鋼板疲勞試驗能夠達到106次，相當于正常人頸椎生理運動4～6個月，能夠滿足體內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)是鋼板的應力集中部位。掃描電鏡觀察結果顯示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緣為MCP發(fā)生應力、應變的集中區(qū)域，這些集中區(qū)域

12、即為實際疲勞試驗過程中最有可能發(fā)生斷裂的區(qū)域，本試驗中MCP的應力、應變集中區(qū)域有限元模擬結果與實際進行疲勞試驗的鋼板的斷裂區(qū)域相一致。 結論： 本試驗研究顯示MCP夠給頸椎提供足夠的三維穩(wěn)定性，在進行扭轉疲勞試驗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，鋼板疲勞試驗能夠達到106次，能夠滿足術后植骨融合的需要；三維有限元分析顯示鋼板的應力、應變集中區(qū)域有限元模擬結果與實際進行疲勞試驗的鋼板的斷裂區(qū)域是一