鄭曉勇 趙東升* 馬遠征 余清文 黃愛文 劉道宏 侯樹勛

論著·實驗研究

一種新型動力內固定系統聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨治療單節(jié)段胸腰段爆裂骨折的生物力學研究

鄭曉勇1趙東升1* 馬遠征1余清文1黃愛文1劉道宏1侯樹勛2

目的測試新型動力內固定系統聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨的穩(wěn)定性效果。方法選取人新鮮尸體胸腰段標本制作L2椎體爆裂骨折的模型，測試新型動力內固定系統聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨的穩(wěn)定性效果。結果動力內固定聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨與骨折狀態(tài)相比，屈伸及側屈方向的ROM均顯著減??；旋轉方向的ROM雖也顯著減小，但明顯大于完整狀態(tài)。結論新型動力內固定系統聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨能夠維持胸腰段爆裂骨折在屈伸及側屈方向的穩(wěn)定性，但在旋轉方向上不足以提供足夠的穩(wěn)定性。

動力內固定；非融合技術；胸腰段；爆裂骨折；生物力學

椎管減壓、經椎弓根短節(jié)段堅強固定、脊柱植骨融合是治療胸腰段爆裂骨折的傳統手術方式，但其必然會帶來固定節(jié)段的運動功能喪失、內固定失敗等并發(fā)癥[1,2]。經傷椎椎弓根椎體內植骨而不做脊柱節(jié)段融合，理論上可以使傷椎前中柱得到充分的支撐[3,4]，還避免了椎間融合所帶來的運動節(jié)段喪失等并發(fā)癥[5]。但有研究報道其并不能預防術后矯正角度的丟失[6,7]，而與堅強內固定系統聯合使用又違背了其非融合的初衷。筆者既往的研究結果表明[8]，胸腰段爆裂骨折合并椎間盤損傷在治療時需注意對損傷椎間盤的處理，臨床治療迫切需要一種既能促進骨折愈合，又能保留運動節(jié)段，最大限度恢復脊柱運動功能的新方法。本研究采用了筆者自行研制的一種新型經椎弓根螺釘動力內固定系統[9]，前期研究表明，其不僅能對失穩(wěn)腰椎提供足夠的屈伸穩(wěn)定性，而且能維持接近正常范圍的活動度。本研究中，筆者通過建立胸腰段爆裂骨折的尸體標本模型，觀察新型動力內固定系統聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨對胸腰段爆裂骨折的生物力學穩(wěn)定性效果。

1 材料與方法

1.1 新型動力內固定系統[9]（圖1，彩圖見插頁）

該系統由新型動態(tài)連接棒及椎弓根螺釘組成（專利號：ZL 2009 2 0175651.9），均為鈦合金材料，其動態(tài)連接處由鈦纜和碟片彈簧組成，活動范圍為：屈伸0～10o，旋轉0～5o。前期的試驗表明，該系統可控性強、可靠性好、能夠給固定節(jié)段提供接近生理范圍的活動度。動態(tài)連接棒型號規(guī)格：6mm×90mm；6mm×120mm。

圖1 新型動力內固定系統

1.2 堅強內固定系統

包括椎弓根螺釘和堅強連接棒，連接棒直徑為6mm，由醫(yī)用鈦合金制成。由北京市富樂科技開發(fā)有限公司提供。

1.3 試驗設備

MTS858型材料測試系統（MTS公司，美國）。脊柱三維運動分析系統：由6臺數字動作捕捉鏡頭（型號EAGLE4，MotionAnalysis公司制作，像素值為400萬，最高采集頻率為2000幀/秒，理論精度為0.02mm旋轉角度測量為0.02°）圍繞于場地周邊組成數字動作捕捉系統。數據直接輸入電腦，由軟件自動分析計算脊柱三維運動的角度變化。

1.4 試驗標本

1.4.1 試驗標本

選取6具健康男性的新鮮尸體胸腰段標本（T12-L3，來自南方醫(yī)科大學解剖學教研室），排除脊柱外傷、變異、腫瘤和骨質增生等（年齡28～43歲，平均31.7歲）。標本用多層保鮮膜包裹后儲存于-20℃冰柜中。

1.4.2 模型制作方法

通過參閱文獻，筆者采用預損傷后壓縮的方法成功制作L2椎體的爆裂骨折模型。將L2椎體預鉆孔后，相鄰椎體及椎間盤采用高強度石膏包埋，采用自由落錘法（15Kg，1.1m高）撞擊標本椎體，結果造成L2椎體骨折、骨塊進入椎管、小關節(jié)松弛，所有標本上下終板均骨折，屬于DenisA型骨折。所有標本均一次造模成功（圖2，彩圖見插頁）。

圖2 L2椎體爆裂骨折模型

1.5 試驗分組及測試步驟

1.5.1 試驗分組

每一標本均在4種連續(xù)的狀態(tài)下進行測試：完整狀態(tài)、骨折狀態(tài)、堅強固定系統、新型動力內固定系統。第3到第4狀態(tài)時不拔出螺釘，只更換連接棒。內固定系統均使用橫連器。

1.5.2 測試步驟

①試驗前2小時將凍存標本取出，在25℃室溫下自然完全解凍后，覆蓋濕鹽水紗布，保持標本濕潤。于L1、L3椎體上鉆入細克氏針，并安裝標記點。將標本固定于三維脊柱運動試驗機上，加載力矩為8N.m。從1N.m～8N.m逐級加載，加載速率為0.2mm/sec，各向加載3次，前2次消除蠕變影響，于第3次時測試標本前屈、后伸、左側屈、右側屈、左旋、右旋的角度位移，并以此為基準數據。②將上述標本制成胸腰段爆裂骨折模型（L2）。③測試爆裂骨折狀態(tài)下脊柱6項三維運動指標。④經傷椎雙側椎弓根鉆孔，頂復終板骨折塊。分別用不同直徑的系列導錐擴大椎弓根骨孔，導錐進入深度應達到椎體的前柱，插入植骨漏斗，將骨粒填塞植入椎體內，用錐入棒壓實（圖3，彩圖見插頁）。⑤測試經椎弓根椎體內植骨后脊柱6項三維運動指標。⑥L1、L3雙側椎弓根植入椎弓根螺釘，采用新型動態(tài)連接棒，測定脊柱6項三維運動指標（圖4，彩圖見插頁）。⑦換用堅強固定棒固定，測試脊柱6項三維運動指標。

圖3 經L2椎弓根椎植骨

圖4 骨折模型植骨后采用新型動力體內內固定

1.6 統計學分析

所有數據采用SPSS16.0軟件進行統計和分析。各組中不同狀態(tài)ROM和NZ比較采用方差分析。顯著性水平為0.05。

2 結果

實驗結果顯示（表1、2），單純經傷椎椎弓根椎體內植骨后，標本各方向的ROM與骨折狀態(tài)相比差異無顯著性意義而且仍遠遠大于完整狀態(tài)經堅強內固定后，標本的屈伸及側屈方向ROM明顯減小，較骨折狀態(tài)及完整狀態(tài)均有顯著性差異但旋轉方向的ROM與完整狀態(tài)基本接近，差異無顯著性意義動力內固定聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨與骨折狀態(tài)相比屈伸及側屈方向的ROM均顯著減小，差異有顯著性意義旋轉方向的ROM雖也顯著減小但明顯大于完整狀態(tài)，差異有顯著性意義

表1 L1-3節(jié)段在各種狀態(tài)下的運動范圍

表1 L1-3節(jié)段在各種狀態(tài)下的運動范圍

表2 L1-3節(jié)段在各種狀態(tài)下的中性區(qū)范圍

表2 L1-3節(jié)段在各種狀態(tài)下的中性區(qū)范圍

3 討論

3.1 應力環(huán)境與椎間盤修復

正常狀態(tài)椎間盤有一定的內壓，在活動時還要加一周期性負荷，使椎間盤負載為靜態(tài)時的2倍，該周期性負載使椎間盤內壓呈周期性變化，促進椎間盤的新陳代謝與物質交換。應力是引起細胞外基質退變的一個重要因素，由于應力的改變，椎間盤細胞外基質水合能力下降。脊柱負荷異?？山档妥甸g盤水合能力，丟失蛋白含量。從而導致椎間盤的退變。

堅強內固定對于椎間盤內壓有直接的影響。實驗證實，椎間盤的過度或過低負荷對椎間盤自身都是不利的。堅強內固定對椎間盤的代謝也有直接的影響。椎間盤的制動使椎間盤內壓力變化終止，以壓力循環(huán)改變?yōu)閯恿Φ淖甸g盤內外液體流動也將停止。Kurakawa等[10]研究結果表明，固定節(jié)段的椎間盤內外物質交換變得緩慢，而相鄰節(jié)段椎間盤的物質交換卻增快，同樣都導致了椎間盤的退變。因此，為避免固定節(jié)段椎間盤的退變，并促進損傷椎間盤的修復，現有的固定方式有必要進行改進，以營造適宜的力學環(huán)境，延緩椎間盤的退變，降低內固定失敗和矯正角度丟失等并發(fā)癥的發(fā)生率。

3.2 新型動力內固定系統聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨治療胸腰段爆裂骨折的穩(wěn)定性效果

胸腰段爆裂骨折的治療中，經傷椎椎弓根椎體內植骨由于可以給椎體的前中柱提供額外的支撐而被認為是解決內固定失敗的措施之一，但臨床報道存在很大爭議。主要是因為經傷椎椎弓根椎體內植骨并不能避免損傷椎間盤的退變所致。為了解決這個問題，筆者將動力內固定的理念引入胸腰段爆裂骨折的治療中來，通過對骨折端及損傷椎間盤持續(xù)提供一定的應力，以期能夠促進損傷椎間盤的修復以及骨折的愈合。

為了研究該問題，筆者首先建立了胸腰段的爆裂骨折模型。目前國際上流行的胸腰段爆裂骨折模型仍然采用自由落錘撞擊完成[11,12]。本實驗中，筆者采用標本預損傷后自由落錘的方法成功制作了L2椎體爆裂骨折的新鮮尸體標本模型，形態(tài)上可以發(fā)現L2椎體骨折、骨塊進入椎管、小關節(jié)松弛，所有標本上下終板均骨折，屬于DenisA型骨折。生物力學測試結果顯示其穩(wěn)定性較完整脊柱明顯降低，差異具有顯著性意義，提示造模成功。

實驗結果顯示，單純經傷椎椎弓根椎體內植骨后，標本各方向的ROM與骨折狀態(tài)相比差異無顯著性意義，提示單純經傷椎椎弓根椎體內植骨尚不足以提供足夠的穩(wěn)定性。新型動力內固定系統聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨與骨折狀態(tài)相比，屈伸及側屈方向的ROM均顯著減小，旋轉方向的ROM雖也顯著減小，但明顯大于完整狀態(tài)。由此，筆者認為，單純經傷椎椎弓根椎體內植骨尚不足以提供足夠的穩(wěn)定性。新型動力內固定系統聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨能夠維持胸腰段爆裂骨折在屈伸及側屈方向的穩(wěn)定性，但在旋轉方向上不足以提供足夠的穩(wěn)定性。該部分實驗中，為了提高內固定物的穩(wěn)定性，筆者均加用了橫連器，結果表明，堅強固定并使用橫連器后標本的屈伸及側屈方向ROM明顯減小，較骨折狀態(tài)及完整狀態(tài)均有顯著性差異，但旋轉方向的ROM與完整狀態(tài)基本接近，差異無顯著性意義，提示橫連器對于提高旋轉穩(wěn)定性方面效果有限。除此之外，新型動力內固定系統由于自身可以提供一定的旋轉，因此其聯合經傷椎椎弓根椎體內植骨對胸腰段爆裂骨折在旋轉方向上尚不足以提供足夠的穩(wěn)定性。

本實驗尚有許多不足之處。比如標本之間的個體差異因素、椎旁肌的作用因素等等。除此之外，正常人體生理狀態(tài)下，骨折后的愈合過程及對內固定物應力的影響也未能計算在內。再者，本實驗由于客觀條件所限，沒有進行抗剪切功能的測試，這也是進一步研究中所需要注意的問題之一。未來的研究中，筆者將通過對動態(tài)連接棒的進一步改進，增加其穩(wěn)定性，對骨折端提供持續(xù)的應力，并盡可能減少剪切力和旋轉應力，在進一步的臨床前期試驗中增加與現有動力內固定系統的對照結果，以期為臨床治療胸腰段爆裂骨折提供一種新的思路和方法。

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Biomechanical study of a new dynamic stabilization system combinedwith transpedicular intracorporeal bone grafting for Thoracolumbar burst fractures

ZhengXiaoyong1,ZhaoDongsheng1,MaYuanzheng1,et al.1DepartmentofOrthopaedics,PLA309 Hospital,Beijing, 100091;2 Department of Orthopedics,the First Affiliated Hospital of PLA General Hospital,Beijing,100037,China

Objective To determine the magnitude of stabilization of the new dynamic system combined with transpedicular intracorporeal bone grafting.MethodsSix thoracolumbar cadaver spines were used for testing.A controlled L2burst fracture was created.The L1-3motions were determined.Reaults In extension,flexion and lateral bending,the dynamic fixator stabilized the segment to a ROM below the magnitude of the intact spine,but showed an increased ROM of axial rotationcompared withthe intact spine.Conclusion Restoration of stability with the newly developed dynamic system combined with transpedicular intracorporeal bone grafting is possible in flexion,extension,right and left lateral bending for thoracolumbar burst fracture but for axial rotation.

Dynamic fixation;Non-fusion technique;Thoracolumbar;Burst fracture;Biomechanics

R318.08

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2016.05.003

swgk2016-04-00071

鄭曉勇（1978-）男，博士，副主任醫(yī)師。研究方向：創(chuàng)傷骨科。

*[通訊作者]趙東升（1963-）男，碩士，主任醫(yī)師。研究方向：創(chuàng)傷骨科。

2016-04-06)

1解放軍第309醫(yī)院骨科,北京100091；2解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院骨科，北京100037