椎弓根螺釘不同角度偶聯的生物力學研究

羅集賢，尹 飛，宋世凱，朱慶三

（吉林大學白求恩第一醫院 脊柱外科，吉林 長春 130021）

椎弓根螺釘（Pedicle Screw，PS）置入技術是脊柱外科發展歷史上的非常重要里程碑，然而在臨床工作中，術者往往為了追求螺釘的平行與對稱反復修正進釘方向，更改螺釘的進釘軌道，延長手術時間，增加手術的風險。本實驗組已經通過螺釘在釘棒、橫聯構成的系統中的所受應力的變化進行研究，得出交叉置釘法［1］的螺釘在釘棒、橫聯偶聯后構成的三維立體系統中的所受應力要小于平行置釘法。為了進一步研究模擬腰椎活動后各組螺釘的生物力學變化，設計了一種疲勞試驗機，測量經過8小時前屈、后伸疲勞后各螺釘的拔出力，從而檢驗其松動程度。因此也可以更加真實比較平行置釘法與交叉置釘法的螺釘偶聯后的生物力學狀態。探討研究多節段偶聯后不同角度置釘的生物力學特點。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 脊柱標本 選取新鮮8個月齡豬完整的豬腰椎L1－L5標本8具，去除標本的軟組織并完整的保留其韌帶、小關節及關節囊，不損傷其骨質結構，所有標本均經X線檢查排除先天性畸形、骨折、骨質疏松和腫瘤等病變。用雙層塑料袋包裹后置于－20℃冰柜中保存。實驗前將標本在室溫下解凍后，分為A組平行置釘法、B組交叉置釘法進行試驗。

1.1.2 實驗設備 CSS電子萬能實驗機（CSS—44100生物力學實驗機，長春試驗材料研究所）；疲勞試驗機（自主研制開發）；YJ－25型數字應變儀由上海華東儀器廠生產；C型臂X光機（德國西門子公司生產）；義齒基托樹脂Ⅱ型（自凝牙托粉）和義齒基托樹脂液劑Ⅱ型（自凝牙托水，化學名聚甲基丙烯酸甲脂，上海新世紀齒科材料有限公司生產）。椎弓根螺釘（直徑6.5 mm，長度為45 mm）32枚、連接棒16根、橫聯器8個及配套安裝工具（常州市康宇醫療器械公司）；脊柱外科常規手術工具。

1.2 疲勞實驗

將偶聯后的椎弓根螺釘標本置于脊柱疲勞實驗機上，模擬人體的前屈、后伸，于220 V額定電壓下以28次／分鐘行前屈、后伸運動8小時，共行13440個循環的疲勞實驗，可以最大程度上模擬螺釘松動的受力狀態。

1.3 螺釘拔出力實驗

將A、B兩組每個標本的椎弓根螺釘釘尾部及螺栓夾在CSS電子萬能試驗機的夾具上，使用萬能試驗機按螺釘軸線方向行拔出試驗，恒定速率以2.0 mm／min。同時使用自動記錄儀記錄下螺釘拔出距離和加載力的變化曲線，測出最大軸向拔出力。

1.4 統計學處理

2 結果

記錄試驗數據，平行置釘法與交叉置釘法兩種椎弓根螺釘置入方法最大拔出力（見表1），檢驗結果顯示兩組之間的差異均無統計學意義，表明A組平行置釘法與B組交叉置釘法各經過8小時疲勞試驗后，兩組之間椎弓根螺釘的最大拔出力無明顯改變。

表1 不同SSA角度時最大拔出力的比較（±s）左上最大拔出力（KN）左下最大拔出力（KN）右上最大拔出力（KN）右下最大拔出力（KN）A 組 2.799±0.876 2.497±1.320 2.366±0.739 2.484±0.975 B組 2.805±0.187 2.844±0.413 2.814±0.198 3.098±0.729

3 討論

很多關于椎弓根螺釘的體外實驗都是在單一椎體上進行的測試，然而在實際臨床工作中，大多數置入椎弓根螺釘的手術都是兩個椎體、三個椎體甚至是多個椎體的。通過縱向的連接桿、橫聯等裝置將各個螺釘聯合到一起，從而達到三維立體的固定。本實驗通過疲勞螺釘、連桿、橫聯三者構成多節段的三維立體系統固定，充分模擬螺釘、連桿、橫聯所構成的三維立體系統在人體內的疲勞運動，而目前國內及國際上關于椎弓根螺釘內固定疲勞試驗的方法及儀器各不相同［2］，椎弓根螺釘內固定疲勞試驗是模擬內固定器械在人體內受脊柱三維六度周期性負荷作用下的生物力學的生物力學疲勞變化規律，儀器測試要求較復雜。目前沒有規范的標準。本研究組自主研制開發的疲勞試驗機，可以最大限度的模擬人體在正常活動中的前驅、后伸等運動。由于連桿和橫聯的應用，螺釘與連桿及橫聯，三者之間形成三維立體的堅強固定系統。因此螺釘無論從任何方向受力時，通過釘棒與橫聯形成的多節段固定系統，可以使螺釘所受應力向系統的其他部分傳遞，不僅增加了螺釘固定的穩定性還減小了螺釘所受的應力。所以多節段固定系統的椎弓根螺釘所受的應力要小于單一椎體，而多節段螺釘固定的強度不只是單一椎體固定強度的簡單相加。通過本實驗發現交叉置釘法的椎弓根螺釘增加了與椎弓根四壁皮質骨的嚙合程度，更增多了骨與螺釘界面的皮質骨［3－7］。在椎體內形成一個“三角穩定效應（triangle stable effect）”［8］。因此當一個椎體內的兩枚椎弓根螺釘不平行、對稱通過釘棒系統連接時，置入椎弓根螺釘時在同一椎體內的兩枚螺釘適當的增大或減小其與終板成角，所形成的“斜釘效應（toe－naill effect）”［9］不但增加了螺釘的抗拔出強度，減小螺釘所受應力，而且增加了生物力學的穩定性。

本試驗組通過偶聯椎弓根螺釘的疲勞實驗及偶聯椎弓根螺釘的拔除力實驗。兩個方面系統的進行研究后，發現平行置釘法與交叉置釘法在疲勞試驗后的生物力學無明顯差異。進一步認證了在置釘過程中可以不必追求螺釘的平行與對稱。遂在臨床手術中無需反復修正進釘方向，更改、翻修螺釘進釘軌道。進而減少手術時間，降低手術風險。

［1］宋世凱，尹 飛，羅集賢，等.椎弓根螺釘平行置釘法和交叉置釘法的應力比較［J］.中國實驗診斷學，2012，16（04）：706.

［2］韋酋亨，朱青安.椎弓根螺釘內固定疲勞生物力學研究進展［J］.中國臨床解剖學雜志，1999，17（2）：186.

［3］史可強，雷云霞，王海奎，等.不同矢狀角度置入椎弓根螺釘的拔釘生物力學研究［J］.中國骨與關節損傷雜志，2009，24（4）：311.

［4］李 斌，潘粉麗，常崇旺.椎弓根螺釘抗拔出強度的生物力學測試［J］.現代生物醫學進展，2009，l.（3）：520.

［5］陳 群，金正帥，曹曉健，等.不同外傾角的脊柱椎弓根螺釘內固定效果的生物力學評價［J］.河北醫學，2005，（05）：433.

［6］段洪斌.不同水平角度置入椎弓根螺釘的拔釘生物力學研究［D］.吉林大學，2005.

［7］李 兵，李世德.椎弓根螺釘植入方法的研究進展［J］.中國矯形外科雜志，2002，9（1）：61.

［8］徐寶山，唐天駟，楊惠林.經后路短節段椎弓根內固定治療胸腰椎爆裂骨折的遠期療效［J］.中華骨科雜志，2003，22：641.

［9］Krag MH，Beynnon BD，Pope MH，et al.An internal fixation for posterior application to short segments of the thoracic，lumbar or lumbosacral spine：design and testing［J］.Clin Orthop，1986，203：75.