曾興棟，王志坤，謝文偉，李再學(xué)，余穎鋒

(東莞市石龍醫(yī)院骨科，廣東東莞523000)

鎂合金與鈦合金螺釘在樞椎實體標(biāo)本中的生物力學(xué)檢測對比研究

曾興棟，王志坤，謝文偉，李再學(xué)，余穎鋒

(東莞市石龍醫(yī)院骨科，廣東東莞523000)

目的通過對比鎂合金與鋁合金螺釘在樞椎實體標(biāo)本中的生物力學(xué)檢測結(jié)果，探討不同材料螺釘內(nèi)固定對齒狀突Ⅱ型骨折穩(wěn)定性的影響。方法取10具尸體樞椎標(biāo)本，創(chuàng)建齒狀突Ⅱ型骨折的生物力學(xué)測試模型。按照隨機(jī)數(shù)字表法分成兩組(鎂合金螺釘組、鈦合金螺釘組)各5例，上好螺釘內(nèi)固定。行載荷-位移測定和拔出試驗。結(jié)果加載100 N、200 N、300 N時兩組的骨折位移程度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，加載400 N、500 N負(fù)荷時鎂合金螺釘組骨折位移明顯小于鈦合金螺釘組，且鎂合金螺釘失效時最大負(fù)荷明顯大于鋁合金螺釘組，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)；加載100 N、200 N拔出力時兩組螺釘?shù)陌纬鲩L度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，加載300 N、400 N、500 N拔出力時鎂合金螺釘組螺釘拔出長度明顯短于鈦合金螺釘組，且鎂合金螺釘組的最大拔出力明顯大于鈦合金螺釘組，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。結(jié)論鎂合金齒狀突中空螺釘在樞椎齒狀突骨折實體標(biāo)本中的生物力學(xué)檢測結(jié)果優(yōu)于鈦合金螺釘。

齒狀突骨折；鎂合金；鈦合金；內(nèi)固定材料；生物力學(xué)

樞椎齒狀突Ⅱ型骨折是臨床常見的上位頸椎骨折類型，目前頸前路中空螺釘內(nèi)固定是最佳的治療方法。鈦合金是目前最常用的中空螺釘材料，但是鈦合金中空螺釘存在不能降解，需要長期留置于體內(nèi)，并且鈦的彈性模量較高，應(yīng)力遮擋效應(yīng)較強(qiáng)，導(dǎo)致骨骼的強(qiáng)度降低，新骨生長和組織愈合速度減緩等問題[1]。鎂合金材料具有良好生物相容性、可降解性、優(yōu)良的物理性等優(yōu)點，可以解決鈦合金材料存在的問題，但是鎂合金醫(yī)用生物材料最終要應(yīng)用于臨床，必須滿足三個基本條件，即足夠的生物力學(xué)性能、材料的安全性和降解速率的可控性[2]。其中足夠的生物力學(xué)性能是最重要的條件，目前尚沒有研究將鎂鋁合金加工成螺釘?shù)瘸善罚ㄟ^生物力學(xué)方面研究評價鎂鋁合金螺釘在固定骨折端方面的穩(wěn)定性。本課題已經(jīng)于去年采用CT進(jìn)行鎂合金中空螺釘治療樞椎齒狀突Ⅱ型骨折三維有限元分析實驗，本研究將進(jìn)一步在樞椎實體標(biāo)本中進(jìn)行生物力學(xué)檢測，并與鈦合金螺釘進(jìn)行對比，旨在探討鎂合金中空螺釘?shù)纳锪W(xué)性能。

1 材料與方法

1.1 實驗材料選取新鮮冷凍尸體10具，均為意外死亡，排除頸椎外傷、變性、腫瘤及骨質(zhì)增生等頸椎問題。截取樞椎，將椎旁的軟組織去除干凈，僅保留骨性結(jié)構(gòu)，保存于-20℃的冰箱中，于實驗前12～18 h將標(biāo)本取出室溫下自然解凍。實驗所用鎂合金中空拉力螺釘共5枚，螺釘為圓柱形，中空，螺帽為內(nèi)六角，長度為38 mm，螺紋的長度為10 mm，直徑為3.5 mm。所用材料為AZ31B鎂鋁合金(提供單位：中國科學(xué)院金屬研究所，螺釘加工制作單位：山東威高骨科材料有限公司）。鈦合金中空螺釘共4枚，長度為40 mm，螺紋長10 mm，直徑3.5 mm，均由山東威高骨科材料有限公司提供，見圖1。

圖1 左側(cè)為鎂合金中空螺釘，有側(cè)為鋁合中空金螺釘

1.2 載荷-位移的測定樞椎固定于生物力學(xué)實驗機(jī)。參考文獻(xiàn)[3]的實驗結(jié)果預(yù)設(shè)實驗機(jī)加載速度15 N/s，最大壓力1 300 N，最大位移5 mm。作用力于45°斜延伸加載在關(guān)節(jié)表面的齒狀突。這種加載方法可以成功的創(chuàng)建Ⅱ型齒狀突骨折的生物力學(xué)測試模型[4]，計算機(jī)記錄加載-位移數(shù)據(jù)，記錄齒突骨折最大負(fù)荷。將骨折樞椎按照隨機(jī)數(shù)字表法分成兩組(鎂合金螺釘組、鈦合金螺釘組），上好螺釘內(nèi)固定。如上方法固定樞椎，與骨折造模相同方向加載作用力，加載速度15 N/s，最大拉力700 N，最大位移5 mm。分別記錄螺釘固定后加載100 N、200 N、300 N、400 N、500 N負(fù)荷時齒突骨折端位移數(shù)據(jù)，螺釘失效時記最大負(fù)荷。

1.3 拔出試驗將鎂合金、鈦合金兩組中空螺釘II型齒突骨折模型固定到生物力學(xué)機(jī)，預(yù)實驗結(jié)果設(shè)置試驗機(jī)速度1 mm/min，最大拉力1 000 N，最大位移5 mm，為確保將螺釘垂直拔出，僅產(chǎn)生軸向拔出力，不產(chǎn)生其他方向的分力，使用專門的夾具夾住螺釘頭部。測試前通過軟件調(diào)整夾具和螺釘之間的力，將拔出力的初始數(shù)據(jù)歸零，以免產(chǎn)生正向及負(fù)向的初始力。加載100 N、200 N、300 N、400 N、500 N拔出力，記錄拔出螺釘拔出長度，螺釘完全拔出即中止測試，記錄最大拔出力。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法采用SPSS16.0版統(tǒng)計學(xué)軟件對所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本研究位移及負(fù)荷等數(shù)據(jù)均采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±S)表示，組間比較采用t檢驗，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組載荷-位移測定結(jié)果比較加載100 N、200 N、300 N時兩組的骨折位移程度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，加載400 N、500 N負(fù)荷時鎂合金螺釘組骨折位移明顯小于鋁合金螺釘組，且鎂合金螺釘失效時最大負(fù)荷明顯大于鋁合金螺釘組，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，見表1。

2.2 兩組拔出試驗結(jié)果比較加載100 N、200 N拔出力時兩組螺釘?shù)陌纬鲩L度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，加載300 N、400 N、500 N拔出力時鎂合金螺釘組螺釘拔出長度明顯短于鋁合金螺釘組，且鎂合金螺釘組的最大拔出力明顯大于鋁合金螺釘組，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，見表2。

表1 兩組載荷-位移測定結(jié)果比較(±S)

表1 兩組載荷-位移測定結(jié)果比較(±S)

組別例數(shù)螺釘失效時最大負(fù)荷鎂合金螺釘組鋁合金螺釘組t值P值5 5 --100 N位移程度(mm) 0.40±0.02 0.45±0.05 -1.394＞0.05 200 N位移程度(mm) 0.94±0.11 1.02±0.14 -1.203＞0.05 300 N位移程度(mm) 2.65±0.15 2.73±0.19 -1.854＞0.05 400 N位移程度(mm) 3.28±0.20 4.36±0.25 2.475＜0.05 500 N位移程度(mm) 4.40±0.21 5.56±0.34 2.643＜0.05 620.36±113.84 435.72±101.23 2.439＜0.05

表2 兩組拔出試驗結(jié)果比較(±S)

組別鎂合金螺釘組鋁合金螺釘組t值P值例數(shù)5 5 --100 N位移程度(mm) 0.52±0.04 0.55±0.06 -1.204＞0.05 200 N位移程度(mm) 0.79±0.09 0.82±0.11 -1.324＞0.05 300 N位移程度(mm) 0.90±0.12 1.18±0.13 2.643＜0.05 400 N位移程度(mm) 1.20±0.21 1.46±0.20 2.843＜0.05 500 N位移程度(mm) 1.44±0.18 1.79±0.24 2.382＜0.05螺釘最大拔出力(N) 604.83±84.83 535.72±71.23 2.485＜0.05

3 討論

現(xiàn)代骨科治療中很多情況下需要植入硬組織修復(fù)材料來輔助組織的生長和愈合。目前硬組織的材料種類繁多，主要有金屬材料、陶瓷材料及有機(jī)高分子材料等[5]。但是這些材料均存在一定的局限性。例如陶瓷材料產(chǎn)品的韌性不佳，而有機(jī)聚合物材料的力學(xué)性能較差，難以承受較大的負(fù)荷[6]。金屬及其合金材料的機(jī)械強(qiáng)度高、彈性好并且加工性能強(qiáng)，因此在骨與關(guān)節(jié)的硬組織植入材料中占據(jù)主導(dǎo)地位[7]。目前臨床應(yīng)用最廣泛的金屬和合金材料包括不銹鋼材料、鈦合金材料和鈷合金材料，但這些材料均不能降解，均是永久性植入材料，需長期留置于人體組織中，成為引發(fā)炎癥等問題的隱患，并且在骨折愈合后還要進(jìn)行二次手術(shù)拆除固定裝置，增加了患者的痛苦同時也加重了其經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[8]。而且這些材料的彈性模量與人骨存在較大的差異，會造成嚴(yán)重的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，導(dǎo)致骨骼強(qiáng)度降低，抑制新骨的生長，使組織愈合遲緩[9]。所以發(fā)展具有低彈性模量的可降解骨組織修復(fù)材料才是上述問題較好的解決方案。由于鎂基合金可在生理電解質(zhì)環(huán)境中通過腐蝕而發(fā)生降解，其在可降解骨組織修復(fù)材料領(lǐng)域展示了巨大的潛在應(yīng)用前景[10]。

鎂合金與其他金屬內(nèi)植入物相比具有如下優(yōu)點：①生物相容性：鎂是人體必需的常量元素，其參與了機(jī)體的各種生理過程，因此鎂合金具有良好的生物相容性[11]；②物理性能[12]：鎂合金材料與人體骨的物理性能較為接近，鎂的密度為1 175 g/cm3，與人體密質(zhì)骨的密度1 176 g/cm3極為接近，鎂的彈性模量較其他金屬材料更加接近人體骨骼的彈性模量，鎂合金材料可有效地減輕應(yīng)力遮擋效應(yīng)；③可降解性[13]：鎂暴露在空氣中會形成Mg(OH)2，此氧化膜可以減緩鎂的腐蝕速度，但其疏松多孔，不能起到完全隔絕作用，鎂在含有氯離子的腐蝕性介質(zhì)中顯示出較高的電化學(xué)活性，逐步被降解吸收。鎂的可降解性可以免除二次手術(shù)帶來的痛苦，減輕患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，同時可以避免植入物長期留置于體內(nèi)造成的炎性反應(yīng)等其他病變；④鎂合金與其他可降解材料相比具有更強(qiáng)的加工性能及韌性[14]；⑤鎂的資源相對豐富，價格相對低廉。

鎂合金醫(yī)用生物材料最終要應(yīng)用于臨床必須滿足三個基本條件，即足夠的生物力學(xué)性能、材料的安全性和降解速率的可控性，其中足夠的生物力學(xué)性能是最重要的條件。目前仍沒有研究將鎂鋁合金加工成螺釘?shù)瘸善罚ㄟ^生物力學(xué)方面研究評價鎂鋁合金螺釘在固定骨折端方面的穩(wěn)定性。本實驗對鎂合金螺釘固定樞椎齒狀突Ⅱ型骨折的生物力學(xué)性能進(jìn)行研究，所用鎂合金中空拉力螺釘材料為Z31B鎂鋁合金，由中國科學(xué)院金屬研究所提供，由山東威高骨科材料有限公司加工制作。本研究結(jié)果顯示鎂合金螺釘固定樞椎齒狀突骨折后在遭受相同程度的載荷的前提下骨折移位程度和螺釘拔出長度均明顯小于采用鈦合金螺釘固定，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，此外，鎂合金螺釘固定骨折螺釘失效的最大負(fù)荷和螺釘大部拔出最大負(fù)荷均大于采用鈦合金螺釘固定，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。本研究結(jié)果充分體現(xiàn)了鎂合金材料的生物力學(xué)的優(yōu)越性，結(jié)合本課題已經(jīng)完成了三維有限元分析實驗，說明鎂合金中空螺釘用于固定樞椎齒突Ⅱ型骨折已經(jīng)具有足夠的生物力學(xué)性能，滿足了三個基本條件中的一個。關(guān)于鎂合金中空螺釘材料的安全性和降解速率的問題我們還將設(shè)鎂合金體外細(xì)胞毒性研究等課題進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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Comparison of the biomechanical testing of magnesium alloy and titanium alloy screw in the axis specimens.

ZENG Xing-dong,WANG Zhi-kun,XIE Wen-wei,LI Zai-xue,YU Ying-feng.Department of Orthopedics,Shilong Hospital of Dongguan,Dongguan 523000,Guangdong,CHINA

ObjectiveTo discusses the stability of odontoidⅡtype fracture internal fixed by different materials of screw by comparing the biomechanical testing of magnesium alloy and aluminum alloy screw in the axis specimens.MethodsTen axis specimens of corpses were collected to create the biomechanical test model of odontoidⅡtype fracture,which were divided into magnesium alloy screw group and titanium alloy screw group according to random number table method,each with 5 cases,with screw internal fixation.Load-displacement measurement and pull-out tests were performed.ResultsThe fracture displacement degree of the two groups had no statistically significant difference,when loaded 100 N,200 N,300 N force(P＞0.05),The fracture displacement degree of magnesium alloy screw group was significantly less than titanium alloy screw group,when loaded 400 N and 500 N force;and the maximum load of screw failure of the magnesium alloy screw group was bigger than the titanium alloy screw group, with statistically significant difference(P＜0.05).There was no statistically significant difference in the screw pull out length of the two groups,when loaded 100 N,200 N withdrawal force(P＞0.05).The screw pull-out length of the magnesium alloy screw group was significantly shorter than titanium alloy screw group,when loaded 300 N,400 N,500 N withdrawal force,and the maximum withdrawal force of the magnesium alloy screw group was significantly bigger than the titanium alloy screw group(P＜0.05).ConclusionThe biomechanical testing results of magnesium alloy odontoid hollow screws in odontoid fracture specimens is better than that of titanium alloy screw.

Odontoid fracture;Magnesium alloy;Titanium alloy;Internal fixation materials;Biomechanics

R683

A

1003—6350（2014）20—3002—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2014.20.1180

2014-03-28）

廣東省衛(wèi)生和計劃生育委員會“醫(yī)學(xué)科研基金項目”（編號：B2013434）

曾興棟。E-mail：zstone200e@126.com