比格犬頸前路涂層螺釘?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性研究

吳曉東，敖海勇，鄭學(xué)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?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性研究

吳曉東，敖海勇，鄭學(xué)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(fù)合涂層螺釘置入體內(nèi)后早期的生物力學(xué)穩(wěn)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(fù)合涂層螺釘組（復(fù)合組）。每組4只用該組相應(yīng)螺釘固定于C2～7作為無應(yīng)力螺釘測試組（無應(yīng)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(yīng)力螺釘測試組（應(yīng)力組）。每組16枚螺釘作抗拔出力測試。記錄螺釘?shù)陌纬隽Ψ逯岛桶纬瞿芰俊＝Y(jié)果 在應(yīng)力及非應(yīng)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(fù)合組＞鈦組＞對照組。結(jié)論 螺釘表面涂層能提高螺釘—骨組織界面的結(jié)合力。HA涂層螺釘?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性最好，鈦涂層+HA復(fù)合涂層其次，提示HA的生物活性在置入早期可能對螺釘?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性起重要作用。

狗；骨釘；生物力學(xué)；動物，實驗

螺釘?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性對脊柱內(nèi)固定手術(shù)的成 功至關(guān)重要。對螺釘表面進行涂層可以增加螺釘—骨組織界面的結(jié)合力，防止術(shù)后出現(xiàn)螺釘松動、脫出等并發(fā)癥。真空等離子體噴涂技術(shù)可在不規(guī)則的螺釘表面制備鈦涂層、羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）涂層及鈦+HA復(fù)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(dǎo)性和骨傳導(dǎo)性［1］，具有提高骨整合、改善內(nèi)置物—骨界面力學(xué)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(jié)構(gòu)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(fù)合涂層是一種新型復(fù)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(yōu)良的機械性能和粗糙的表面結(jié)構(gòu)，又具有HA良好的生物活性［4-5］，是符合螺釘表面高應(yīng)力生物力學(xué)需求的一種涂層。

本研究選取鈦涂層、HA涂層及鈦+HA復(fù)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?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)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(chuàng)公司，上海）。涂層螺釘采用真空等離子體噴涂技術(shù)制備，分別制備鈦涂層、HA涂層、鈦+ HA復(fù)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(yī)大學(xué)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(fù)合涂層螺釘組（復(fù)合組），每組8只。

以上每組4只比格犬采用該組相應(yīng)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(yīng)力螺釘測試組（無應(yīng)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(yīng)力螺釘測試組（應(yīng)力組）。每組16枚螺釘作抗拔出力測試。記錄螺釘?shù)陌纬隽Ψ逯岛桶纬瞿芰俊?/p>

1.2 實驗方法

1.2.1 動物實驗

比格犬術(shù)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(yīng)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(huán)，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(yīng)的螺釘固定于椎體上并鎖緊（見圖3）。于術(shù)后3個月處死動物，將C2～7整塊頸椎標本取出，攝頸椎正側(cè)位X線片示各螺釘位置良好，未見明顯螺釘松動表現(xiàn)（見圖4，5），標本修剪后進行生物力學(xué)測試。

圖2 無應(yīng)力組頸前路螺釘置入術(shù)中照片F(xiàn)ig.2 Intraoperativephotographofinsertingscrewsincervicalvertebrae inunstressinggroup

圖3 應(yīng)力組切除椎間盤后行椎間融合，用頸前路“鈦板+涂層螺釘”內(nèi)固定術(shù)中照片F(xiàn)ig.3 Intraoperativephotographsofinterbodyfusionwithanteriorplate andcoatingscrewsfixationafterdiscectomyinstressinggroup

圖4 應(yīng)力組術(shù)后3個月頸椎X線片F(xiàn)ig.4 Postoperative3monthsroentgenographsshowscrews

圖5 無應(yīng)力組術(shù)后3個月正側(cè)位X線片F(xiàn)ig.5 Postoperative3monthsroentgenographsinunstressinggroup

1.2.2 生物力學(xué)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(zhuǎn)實驗機上，在1°/s的旋出速度下測定螺釘?shù)男雠ぞ胤逯怠?/p>

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?shù)陌纬隽y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(yīng)力組螺釘僅進行拔出力測試。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS12.0軟件處理數(shù)據(jù)將4組螺釘無應(yīng)力條件下的旋出扭矩峰值、拔出力峰值、斷裂能量和應(yīng)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(shù)據(jù)進行方差分析，比較各組數(shù)據(jù)間是否存在統(tǒng)計學(xué)差異，若存在差異再進行q檢驗，比較每2組均數(shù)之間是否存在統(tǒng)計學(xué)差異，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

無應(yīng)力條件下，4組螺釘?shù)男雠ぞ胤逯禐椋浩胀葆敚?08.7±7.0）N·mm，鈦涂層螺釘（449.1± 16.1）N·mm，鈦+HA復(fù)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(shù)之間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

無應(yīng)力條件下，4組螺釘?shù)陌纬隽Ψ遢d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(shù)之間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

無應(yīng)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(shù)之間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

在應(yīng)力條件下，4組螺釘?shù)陌纬隽Ψ逯递d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(fù)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(shù)之間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

在應(yīng)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(shù)之間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

3 討論

脊柱內(nèi)固定技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種脊柱疾病的手術(shù)治療。螺釘是脊柱內(nèi)固定器械中最常用的內(nèi)置物，例如頸椎前路螺釘、頸椎側(cè)塊螺釘及胸腰椎椎弓根螺釘?shù)?，它為脊柱術(shù)后的骨融合提供了早期穩(wěn)定的生物力學(xué)環(huán)境。但胸腰椎后路內(nèi)固定摘除術(shù)中常發(fā)現(xiàn)大部分的椎弓根螺釘已經(jīng)松動或旋出扭力明顯下降，頸前路螺釘或頸椎側(cè)塊螺釘內(nèi)固定術(shù)后螺釘松動、脫出的報道亦不少見［7-8］。本研究發(fā)現(xiàn)利用真空等離子體噴涂技術(shù)，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?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性在術(shù)后早期有明顯提高。本研究發(fā)現(xiàn)HA涂層螺釘?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性最好，鈦涂層+HA復(fù)合涂層螺釘其次，而普通螺釘?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性最差。這為脊柱內(nèi)固定涂層螺釘?shù)脑O(shè)計和投入臨床使用提供了實驗數(shù)據(jù)支持。

頸椎前路椎體螺釘、頸椎后路側(cè)塊螺釘以及胸腰椎椎弓根螺釘，術(shù)后螺釘出現(xiàn)松動、移位的報道并不少見，其中以頸椎前路螺釘和側(cè)塊螺釘?shù)乃蓜虞^常見［9］。本實驗選取比格犬的頸椎椎體作為涂層螺釘力學(xué)性能測試的實驗部位，因為相對于椎弓根和側(cè)塊來說，頸椎椎體外形較規(guī)則、大小適中，方便生物力學(xué)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(zhì)骨和皮質(zhì)骨，可以綜合性的反映涂層—骨組織界面的力學(xué)結(jié)合情況，并且得到的實驗數(shù)據(jù)還可作為椎弓根涂層螺釘以及側(cè)塊涂層螺釘使用效果的參考。而且頸椎椎體數(shù)量較多，更加適合多組螺釘?shù)臏y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(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)3組涂層螺釘?shù)纳锪W(xué)測試結(jié)果，不論在應(yīng)力條件下還是無應(yīng)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(jié)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(xué)測試結(jié)果，鈦+HA復(fù)合涂層螺釘?shù)纳锪W(xué)測試結(jié)果僅次于HA涂層螺釘，而鈦涂層螺釘?shù)纳锪W(xué)測試結(jié)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(dǎo)和骨誘導(dǎo)性，置入體內(nèi)后HA涂層與周圍骨質(zhì)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(xué)穩(wěn)定性。但隨著HA涂層在體內(nèi)逐漸的降解，HA涂層螺釘置入體內(nèi)的遠期效果并不明確，當涂層完全被骨組織替代后，螺釘?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性可能出現(xiàn)下降甚至松動［10-12］。但對于螺釘?shù)谋砻嫱繉觼碚f，主要要求在置入體內(nèi)早期的3～6個月具有較好的螺釘—骨界面生物力學(xué)穩(wěn)定性，為骨融合提供一個相對穩(wěn)定的生物力學(xué)環(huán)境，而對于遠期的界面穩(wěn)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(jié)果提示HA涂層螺釘在1年之內(nèi)仍可具有良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。本實驗發(fā)現(xiàn)鈦涂層螺釘?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性在3組涂層螺釘中是最弱的。鈦涂層內(nèi)置物在骨組織內(nèi)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(jié)合力。鈦+HA復(fù)合涂層可使鈦涂層表面的微孔結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿具有骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)作用的HA，從而加快了骨組織長入微孔的進程。本實驗發(fā)現(xiàn)這顯著提高了涂層—骨組織界面的早期生物力學(xué)穩(wěn)定性。

脊柱融合內(nèi)固定術(shù)后的3個月是融合的關(guān)鍵期，內(nèi)固定螺釘?shù)目拱纬隽涂剐雠ぞ仃P(guān)系到融合節(jié)段在冠狀面、矢狀面及橫斷面的生物力學(xué)穩(wěn)定。應(yīng)力及無應(yīng)力條件下，螺釘?shù)纳锪W(xué)測試發(fā)現(xiàn)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(xué)穩(wěn)定性，這提示涂層螺釘在融合術(shù)后可能提高融合節(jié)段早期的生物力學(xué)穩(wěn)定性，為融合創(chuàng)造一個更加穩(wěn)定的生物力學(xué)環(huán)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(xué)基金青年項目（31200718）；上海市衛(wèi)生局基金面上項目

吳曉東（1980—），博士，副主任醫(yī)師

200003 上海，第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長征醫(yī)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(xué)院硅酸鹽研究所（敖海勇，鄭學(xué)斌，季珩，謝有桃）；上海第九人民醫(yī)院骨科（譚紅略）

袁文 yuanwenspine@163.com

共同通信作者：鄭學(xué)斌 xbzheng@mail.sic.ac.cn