比格犬頸前路涂層螺釘的生物力學穩定性研究

吳曉東，敖海勇，鄭學斌，王 聰，譚紅略，陳華江，王新偉，陳元元，季 珩，謝有桃，袁 文

比格犬頸前路涂層螺釘的生物力學穩定性研究

吳曉東，敖海勇，鄭學斌，王 聰，譚紅略，陳華江，王新偉，陳元元，季 珩，謝有桃，袁 文

目的 了解鈦涂層、羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）涂層和鈦+HA復合涂層螺釘置入體內后早期的生物力學穩定性。方法 選取成年比格犬32只平均分為4組：普通螺釘對照組（對照組）、HA涂層螺釘組（HA組）、鈦涂層螺釘組（鈦組）、鈦+HA復合涂層螺釘組（復合組）。每組4只用該組相應螺釘固定于C2～7作為無應力螺釘測試組（無應力組），共測試32枚螺釘，其中16枚螺釘作旋出扭矩測試，16枚螺釘作拔出力測試。記錄旋出扭矩峰值、拔出力峰值和拔出能量。每組另4只作C4/C5椎間融合后采用該組螺釘+鈦板固定于C4，5椎體上作為應力螺釘測試組（應力組）。每組16枚螺釘作抗拔出力測試。記錄螺釘的拔出力峰值和拔出能量。結果 在應力及非應力條件下，各組螺釘旋出扭矩峰值、拔出力峰值、斷裂能量比較，HA組＞復合組＞鈦組＞對照組。結論 螺釘表面涂層能提高螺釘—骨組織界面的結合力。HA涂層螺釘的生物力學穩定性最好，鈦涂層+HA復合涂層其次，提示HA的生物活性在置入早期可能對螺釘的生物力學穩定性起重要作用。

狗；骨釘；生物力學；動物，實驗

螺釘的生物力學穩定性對脊柱內固定手術的成 功至關重要。對螺釘表面進行涂層可以增加螺釘—骨組織界面的結合力，防止術后出現螺釘松動、脫出等并發癥。真空等離子體噴涂技術可在不規則的螺釘表面制備鈦涂層、羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）涂層及鈦+HA復合涂層（在鈦涂層表面再噴涂一層HA涂層）。

HA具有良好的骨誘導性和骨傳導性［1］，具有提高骨整合、改善內置物—骨界面力學強度的作用［2］。鈦涂層具有良好的機械性能，其表面的粗糙多孔結構可增加與骨組織間的接觸面積。但鈦是一種生物惰性材料，無生物活性［3］。鈦+HA復合涂層是一種新型復合梯度涂層，在鈦涂層的表面再噴涂一層HA涂層，使鈦涂層表面的微孔中布滿了一層HA，它既具備鈦涂層優良的機械性能和粗糙的表面結構，又具有HA良好的生物活性［4-5］，是符合螺釘表面高應力生物力學需求的一種涂層。

本研究選取鈦涂層、HA涂層及鈦+HA復合涂層螺釘，以無涂層螺釘為對照，置入比格犬頸椎椎體，對早期螺釘的生物力學穩定性進行測試。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 螺釘

實驗螺釘為長1cm，直徑3.5mm鈦合金螺釘（微創公司，上海）。涂層螺釘采用真空等離子體噴涂技術制備，分別制備鈦涂層、HA涂層、鈦+ HA復合涂層，螺釘由上海硅酸鹽研究所制備（見圖1）。

圖1 真空等離子體噴涂制備螺釘Fig.1 Vacuumplasmasprayedscrew

1.1.2 動物

選取成年比格犬（第二軍醫大學實驗動物中心）32只，雌性16只，雄性16只。年齡2～4歲，體重（8±2.8）kg。將比格犬分為4組：普通螺釘對照組（對照組）、HA涂層螺釘組（HA組）、鈦涂層螺釘組（鈦組）、鈦+HA復合涂層螺釘組（復合組），每組8只。

以上每組4只比格犬采用該組相應的螺釘固定于C2～7頸椎椎體（每個椎體固定1～2枚螺釘）作為無應力螺釘測試組（無應力組）。每組共測試32枚螺釘，其中16枚螺釘作旋出扭矩測試，16枚螺釘作拔出力測試。記錄旋出扭矩峰值、拔出力峰值和拔出能量。另4只比格犬，作C4/C5椎間融合后采用該組螺釘+鈦板固定于C4，5椎體上作為應力螺釘測試組（應力組）。每組16枚螺釘作抗拔出力測試。記錄螺釘的拔出力峰值和拔出能量。

1.2 實驗方法

1.2.1 動物實驗

比格犬術前全部禁食12h，禁水4h。用3％的戊巴比妥鈉，以30mg/kg靜脈注射進行全身麻醉。每組中的4只比格犬，分別于C2～7椎體上選擇合適的入釘點，擰入對應的螺釘（見圖2）。另4只暴露至頸椎椎體前方后，用尖刀切開C4/C5椎間盤前方的纖維環，用髓核鉗摘除髓核組織，刮匙刮除軟骨終板，之后取犬的自體髂骨碎骨塊植入椎間隙中，取合適長度的鈦板置于C4，5椎體前方，用各組對應的螺釘固定于椎體上并鎖緊（見圖3）。于術后3個月處死動物，將C2～7整塊頸椎標本取出，攝頸椎正側位X線片示各螺釘位置良好，未見明顯螺釘松動表現（見圖4，5），標本修剪后進行生物力學測試。

圖2 無應力組頸前路螺釘置入術中照片Fig.2 Intraoperativephotographofinsertingscrewsincervicalvertebrae inunstressinggroup

圖3 應力組切除椎間盤后行椎間融合，用頸前路“鈦板+涂層螺釘”內固定術中照片Fig.3 Intraoperativephotographsofinterbodyfusionwithanteriorplate andcoatingscrewsfixationafterdiscectomyinstressinggroup

圖4 應力組術后3個月頸椎X線片Fig.4 Postoperative3monthsroentgenographsshowscrews

圖5 無應力組術后3個月正側位X線片Fig.5 Postoperative3monthsroentgenographsinunstressinggroup

1.2.2 生物力學測試

將4組比格犬頸椎椎體取下后，用線鋸沿螺釘周圍切割成方形骨塊，置于InstronMT2扭轉實驗機上，在1°/s的旋出速度下測定螺釘的旋出扭矩峰值。

4組比格犬頸椎椎體取下后，將椎體固定于Instron5569萬能材料實驗機的基座上，將螺釘頭與夾具相連接，將夾具固定于Instron5569萬能材料實驗機的測力桿上，進行各組螺釘的拔出力測試，以0.5mm/s的速度拔出［6］，測定軸向拔出力峰值及拔出過程中的斷裂能量。采用鈦板固定于C4/C5椎體上的應力組螺釘僅進行拔出力測試。

1.3 統計學處理

采用SPSS12.0軟件處理數據將4組螺釘無應力條件下的旋出扭矩峰值、拔出力峰值、斷裂能量和應力條件下的拔出力峰值、斷裂能量分別計算，以ˉx±s表示。對4組數據進行方差分析，比較各組數據間是否存在統計學差異，若存在差異再進行q檢驗，比較每2組均數之間是否存在統計學差異，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

無應力條件下，4組螺釘的旋出扭矩峰值為：普通螺釘（108.7±7.0）N·mm，鈦涂層螺釘（449.1± 16.1）N·mm，鈦+HA復合涂層螺釘（725.1± 13.3）N·mm，HA涂層螺釘（1312.6±150.6）N·mm。每2組均數之間的差異均有統計學意義（P＜0.05）。

無應力條件下，4組螺釘的拔出力峰載荷分別為：普通螺釘（441.4±10.4）N，鈦涂層螺釘（462.6± 11.9）N，鈦+HA涂層螺釘（922.6±13.0）N，HA涂層螺釘（1046.8±31.9）N。每2組均數之間的差異均有統計學意義（P＜0.05）。

無應力條件下，4組螺釘拔出過程中的斷裂能量分別為：普通螺釘（1.9±0.2）J，鈦涂層螺釘（2.2± 0.2）J，鈦+HA涂層螺釘（7.5±0.3）J，HA涂層螺釘（8.4±0.2）J。每2組均數之間的差異均有統計學意義（P＜0.05）。

在應力條件下，4組螺釘的拔出力峰值載荷分別為：普通螺釘（419.5±8.7）N，鈦涂層螺釘（442.9± 12.7）N，鈦+HA復合涂層螺釘（849.6±16.8）N，HA涂層螺釘（960.8±12.1）N。每2組均數之間的差異均有統計學意義（P＜0.05）。

在應力條件下，4組螺釘拔出過程中的斷裂能量分別為：普通螺釘（1.8±0.2）J，鈦涂層螺釘（2.0± 0.2）J，鈦+HA涂層螺釘（6.8±0.5）J，HA涂層螺釘（7.9±0.5）J。每2組均數之間的差異均有統計學意義（P＜0.05）。

3 討論

脊柱內固定技術已廣泛應用于各種脊柱疾病的手術治療。螺釘是脊柱內固定器械中最常用的內置物，例如頸椎前路螺釘、頸椎側塊螺釘及胸腰椎椎弓根螺釘等，它為脊柱術后的骨融合提供了早期穩定的生物力學環境。但胸腰椎后路內固定摘除術中常發現大部分的椎弓根螺釘已經松動或旋出扭力明顯下降，頸前路螺釘或頸椎側塊螺釘內固定術后螺釘松動、脫出的報道亦不少見［7-8］。本研究發現利用真空等離子體噴涂技術，制備涂層螺釘，可顯著提高螺釘—骨組織界面的抗旋出扭矩和抗拔出力，動物實驗證實涂層螺釘的生物力學穩定性在術后早期有明顯提高。本研究發現HA涂層螺釘的生物力學穩定性最好，鈦涂層+HA復合涂層螺釘其次，而普通螺釘的生物力學穩定性最差。這為脊柱內固定涂層螺釘的設計和投入臨床使用提供了實驗數據支持。

頸椎前路椎體螺釘、頸椎后路側塊螺釘以及胸腰椎椎弓根螺釘，術后螺釘出現松動、移位的報道并不少見，其中以頸椎前路螺釘和側塊螺釘的松動較常見［9］。本實驗選取比格犬的頸椎椎體作為涂層螺釘力學性能測試的實驗部位，因為相對于椎弓根和側塊來說，頸椎椎體外形較規則、大小適中，方便生物力學測試時的固定和硬組織切片前的標本包埋，并且頸椎的椎體上同時存在松質骨和皮質骨，可以綜合性的反映涂層—骨組織界面的力學結合情況，并且得到的實驗數據還可作為椎弓根涂層螺釘以及側塊涂層螺釘使用效果的參考。而且頸椎椎體數量較多，更加適合多組螺釘的測試，各實驗組螺釘之間固定的條件基本相同，可排除因固定條件不同而帶來的干擾因素。

本實驗經過測試，發現3組涂層螺釘的生物力學測試結果，不論在應力條件下還是無應力條件下，都明顯高于普通無涂層螺釘組，拔出力峰值、斷裂能量及旋出扭矩峰值的測試結果是一致的。其中HA涂層螺釘在4組螺釘中具有最佳的生物力學測試結果，鈦+HA復合涂層螺釘的生物力學測試結果僅次于HA涂層螺釘，而鈦涂層螺釘的生物力學測試結果則稍高于普通螺釘。HA良好的生物活性，使HA涂層具有良好的骨傳導和骨誘導性，置入體內后HA涂層與周圍骨質能形成牢固的骨鍵合，從而使HA涂層—骨組織界面具有良好的早期生物力學穩定性。但隨著HA涂層在體內逐漸的降解，HA涂層螺釘置入體內的遠期效果并不明確，當涂層完全被骨組織替代后，螺釘的生物力學穩定性可能出現下降甚至松動［10-12］。但對于螺釘的表面涂層來說，主要要求在置入體內早期的3～6個月具有較好的螺釘—骨界面生物力學穩定性，為骨融合提供一個相對穩定的生物力學環境，而對于遠期的界面穩定性要求較低。一項研究將2種克氏針置入人體平均18個月后取出，HA涂層的克氏針旋出扭矩高達7611.6N·mm/°，而無涂層的普通克氏針旋出扭力僅有85.4N·mm/°，HA涂層克氏針的松動率為4％，普通克氏針的松動率高達80％［13］，此結果提示HA涂層螺釘在1年之內仍可具有良好的生物力學穩定性。本實驗發現鈦涂層螺釘的生物力學穩定性在3組涂層螺釘中是最弱的。鈦涂層內置物在骨組織內表面會形成一層纖維膜，骨組織長入鈦涂層表面的微孔需要較長的時間，因此無法在早期形成較強的機械咬合力，降低了鈦涂層與骨組織間的結合力。鈦+HA復合涂層可使鈦涂層表面的微孔結構內充滿具有骨傳導和骨誘導作用的HA，從而加快了骨組織長入微孔的進程。本實驗發現這顯著提高了涂層—骨組織界面的早期生物力學穩定性。

脊柱融合內固定術后的3個月是融合的關鍵期，內固定螺釘的抗拔出力和抗旋出扭矩關系到融合節段在冠狀面、矢狀面及橫斷面的生物力學穩定。應力及無應力條件下，螺釘的生物力學測試發現3種涂層螺釘抗拔出力和抗旋出扭矩都顯著高于普通螺釘，其中HA涂層螺釘具有最高的生物力學穩定性，這提示涂層螺釘在融合術后可能提高融合節段早期的生物力學穩定性，為融合創造一個更加穩定的生物力學環境。

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Biomechanicalstabilityofcoatingscrewsincervicalvertebraeofbeagledogs

WUXiao-dong*，AOHai-yong，ZHENG

Xue-bin，WANGCong，TANHong-lue，CHENHua-jiang，WANGXin-wei，CHENYuan-yuan，JIHeng，XIEYou-tao，YUAN Wen.*DepartmentofOrthopaedics，ChangzhengHospital，SecondaryMilitaryMedicalUniversity，Shanghai200003，China

Objective Toinvestigatethebiomechanicalstabilityoftitaniumcoatingscrew，hydroxyapatite（HA）coating screw，andtitanium+HAcoatingscrewat3monthafterimplantationinvivostudy.Methods The32beagledogswere dividedinto4groups：normalscrewsgroup（Controlgroup），HAcoatingscrewgroup（HAgroup），Titaniumcoatingscrew group（Titaniumgroup），Titanium+HAcoatingscrewgroup（Titanium+HAgroup）.Thedesignatedscrewswereimplanted inthecervicalvertebra（C2-7）ofbeagledogsinevery4dogsineachgroupasnon-stressgroup.Extractiontorquetestswere carriedoutin16outof32screws.Thepull-outresistancetestswerecarriedoutintheother16screws.Thepeaktorqueand thepeakpull-outresistancewererecorded.Theother4dogsweredesignatedasstress-group，anteriorcervicalfusionwere performedattheC4/C5level，screwswereincertedwithanteriorplatedattheC4，5.Thepull-outresistancetestswerecarried outinthethese16screws.Thepeakpull-outresistanceandenergywererecorded.Results Inbothstressgroupandnonstressgroup，thepeaktorque，thepeakpull-outresistanceandenergywerecompared，HAgroup＞Titanium+HAgroup＞Titaniumgroup＞Controlgroup.Conclusion TheHAcoatingscrewhasthebestbiomechanicalresultsat3monthsafter implantationinvivostudy.

Dogs；Bonenails；Biomechanics；Animals，laboratory JSpinalSurg，2015，13（4）：234-237

R318.01

A

1672-2957（2015）04-0234-04

】

10.3969/j.issn.1672-2957.2015.04.010

2014-10-04）

（本文編輯 于 倩）

國家自然科學基金青年項目（31200718）；上海市衛生局基金面上項目

吳曉東（1980—），博士，副主任醫師

200003 上海，第二軍醫大學附屬長征醫院脊柱外科（吳曉東，王聰，陳華江，王新偉，陳元元，袁文）；中國科學院硅酸鹽研究所（敖海勇，鄭學斌，季珩，謝有桃）；上海第九人民醫院骨科（譚紅略）

袁文 yuanwenspine@163.com

共同通信作者：鄭學斌 xbzheng@mail.sic.ac.cn