一種新型動力內(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨治療單節(jié)段胸腰段爆裂骨折的生物力學(xué)研究

鄭曉勇 趙東升* 馬遠(yuǎn)征 余清文 黃愛文 劉道宏 侯樹勛

論著·實(shí)驗(yàn)研究

一種新型動力內(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨治療單節(jié)段胸腰段爆裂骨折的生物力學(xué)研究

鄭曉勇1趙東升1* 馬遠(yuǎn)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(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨的穩(wěn)定性效果。方法選取人新鮮尸體胸腰段標(biāo)本制作L2椎體爆裂骨折的模型，測試新型動力內(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨的穩(wěn)定性效果。結(jié)果動力內(nèi)固定聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨與骨折狀態(tài)相比，屈伸及側(cè)屈方向的ROM均顯著減??；旋轉(zhuǎn)方向的ROM雖也顯著減小，但明顯大于完整狀態(tài)。結(jié)論新型動力內(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨能夠維持胸腰段爆裂骨折在屈伸及側(cè)屈方向的穩(wěn)定性，但在旋轉(zhuǎn)方向上不足以提供足夠的穩(wěn)定性。

動力內(nèi)固定；非融合技術(shù)；胸腰段；爆裂骨折；生物力學(xué)

椎管減壓、經(jīng)椎弓根短節(jié)段堅(jiān)強(qiáng)固定、脊柱植骨融合是治療胸腰段爆裂骨折的傳統(tǒng)手術(shù)方式，但其必然會帶來固定節(jié)段的運(yùn)動功能喪失、內(nèi)固定失敗等并發(fā)癥[1,2]。經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)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(yùn)動節(jié)段喪失等并發(fā)癥[5]。但有研究報(bào)道其并不能預(yù)防術(shù)后矯正角度的丟失[6,7]，而與堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合使用又違背了其非融合的初衷。筆者既往的研究結(jié)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(jìn)骨折愈合，又能保留運(yùn)動節(jié)段，最大限度恢復(fù)脊柱運(yùn)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(jīng)椎弓根螺釘動力內(nèi)固定系統(tǒng)[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(biāo)本模型，觀察新型動力內(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨對胸腰段爆裂骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性效果。

1 材料與方法

1.1 新型動力內(nèi)固定系統(tǒng)[9]（圖1，彩圖見插頁）

該系統(tǒng)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(zhuǎn)0～5o。前期的試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可控性強(qiáng)、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(nèi)固定系統(tǒng)

1.2 堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定系統(tǒng)

包括椎弓根螺釘和堅(jiān)強(qiáng)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(yàn)設(shè)備

MTS858型材料測試系統(tǒng)（MTS公司，美國）。脊柱三維運(yùn)動分析系統(tǒng)：由6臺數(shù)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(zhuǎn)角度測量為0.02°）圍繞于場地周邊組成數(shù)字動作捕捉系統(tǒng)。數(shù)據(jù)直接輸入電腦，由軟件自動分析計(jì)算脊柱三維運(yùn)動的角度變化。

1.4 試驗(yàn)標(biāo)本

1.4.1 試驗(yàn)標(biāo)本

選取6具健康男性的新鮮尸體胸腰段標(biāo)本（T12-L3，來自南方醫(yī)科大學(xué)解剖學(xué)教研室），排除脊柱外傷、變異、腫瘤和骨質(zhì)增生等（年齡28～43歲，平均31.7歲）。標(biāo)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(xiàn)，筆者采用預(yù)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(yù)鉆孔后，相鄰椎體及椎間盤采用高強(qiáng)度石膏包埋，采用自由落錘法（15Kg，1.1m高）撞擊標(biāo)本椎體，結(jié)果造成L2椎體骨折、骨塊進(jìn)入椎管、小關(guān)節(jié)松弛，所有標(biāo)本上下終板均骨折，屬于DenisA型骨折。所有標(biāo)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(yàn)分組及測試步驟

1.5.1 試驗(yàn)分組

每一標(biāo)本均在4種連續(xù)的狀態(tài)下進(jìn)行測試：完整狀態(tài)、骨折狀態(tài)、堅(jiān)強(qiáng)固定系統(tǒng)、新型動力內(nèi)固定系統(tǒng)。第3到第4狀態(tài)時不拔出螺釘，只更換連接棒。內(nèi)固定系統(tǒng)均使用橫連器。

1.5.2 測試步驟

①試驗(yàn)前2小時將凍存標(biāo)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(biāo)本濕潤。于L1、L3椎體上鉆入細(xì)克氏針，并安裝標(biāo)記點(diǎn)。將標(biāo)本固定于三維脊柱運(yùn)動試驗(yàn)機(jī)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(biāo)本前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋的角度位移，并以此為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。②將上述標(biāo)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(xiàng)三維運(yùn)動指標(biāo)。④經(jīng)傷椎雙側(cè)椎弓根鉆孔，頂復(fù)終板骨折塊。分別用不同直徑的系列導(dǎo)錐擴(kuò)大椎弓根骨孔，導(dǎo)錐進(jìn)入深度應(yīng)達(dá)到椎體的前柱，插入植骨漏斗，將骨粒填塞植入椎體內(nèi)，用錐入棒壓實(shí)（圖3，彩圖見插頁）。⑤測試經(jīng)椎弓根椎體內(nèi)植骨后脊柱6項(xiàng)三維運(yùn)動指標(biāo)。⑥L1、L3雙側(cè)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(xiàng)三維運(yùn)動指標(biāo)（圖4，彩圖見插頁）。⑦換用堅(jiān)強(qiáng)固定棒固定，測試脊柱6項(xiàng)三維運(yùn)動指標(biāo)。

圖3 經(jīng)L2椎弓根椎植骨

圖4 骨折模型植骨后采用新型動力體內(nèi)內(nèi)固定

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（表1、2），單純經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨后，標(biāo)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于完整狀態(tài)經(jīng)堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定后，標(biāo)本的屈伸及側(cè)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(zhuǎn)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(nèi)固定聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨與骨折狀態(tài)相比屈伸及側(cè)屈方向的ROM均顯著減小，差異有顯著性意義旋轉(zhuǎn)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(yùn)動范圍

表1 L1-3節(jié)段在各種狀態(tài)下的運(yùn)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(yīng)力環(huán)境與椎間盤修復(fù)

正常狀態(tài)椎間盤有一定的內(nèi)壓，在活動時還要加一周期性負(fù)荷，使椎間盤負(fù)載為靜態(tài)時的2倍，該周期性負(fù)載使椎間盤內(nèi)壓呈周期性變化，促進(jìn)椎間盤的新陳代謝與物質(zhì)交換。應(yīng)力是引起細(xì)胞外基質(zhì)退變的一個重要因素，由于應(yīng)力的改變，椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)水合能力下降。脊柱負(fù)荷異常可降低椎間盤水合能力，丟失蛋白含量。從而導(dǎo)致椎間盤的退變。

堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定對于椎間盤內(nèi)壓有直接的影響。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，椎間盤的過度或過低負(fù)荷對椎間盤自身都是不利的。堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)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(nèi)壓力變化終止，以壓力循環(huán)改變?yōu)閯恿Φ淖甸g盤內(nèi)外液體流動也將停止。Kurakawa等[10]研究結(jié)果表明，固定節(jié)段的椎間盤內(nèi)外物質(zhì)交換變得緩慢，而相鄰節(jié)段椎間盤的物質(zhì)交換卻增快，同樣都導(dǎo)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(jìn)損傷椎間盤的修復(fù)，現(xiàn)有的固定方式有必要進(jìn)行改進(jìn)，以營造適宜的力學(xué)環(huán)境，延緩椎間盤的退變，降低內(nèi)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(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)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(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨由于可以給椎體的前中柱提供額外的支撐而被認(rèn)為是解決內(nèi)固定失敗的措施之一，但臨床報(bào)道存在很大爭議。主要是因?yàn)榻?jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)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(nèi)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(yīng)力，以期能夠促進(jìn)損傷椎間盤的修復(fù)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(shí)驗(yàn)中，筆者采用標(biāo)本預(yù)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(biāo)本模型，形態(tài)上可以發(fā)現(xiàn)L2椎體骨折、骨塊進(jìn)入椎管、小關(guān)節(jié)松弛，所有標(biāo)本上下終板均骨折，屬于DenisA型骨折。生物力學(xué)測試結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單純經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨后，標(biāo)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(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨尚不足以提供足夠的穩(wěn)定性。新型動力內(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨與骨折狀態(tài)相比，屈伸及側(cè)屈方向的ROM均顯著減小，旋轉(zhuǎn)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(rèn)為，單純經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨尚不足以提供足夠的穩(wěn)定性。新型動力內(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨能夠維持胸腰段爆裂骨折在屈伸及側(cè)屈方向的穩(wěn)定性，但在旋轉(zhuǎn)方向上不足以提供足夠的穩(wěn)定性。該部分實(shí)驗(yàn)中，為了提高內(nèi)固定物的穩(wěn)定性，筆者均加用了橫連器，結(jié)果表明，堅(jiān)強(qiáng)固定并使用橫連器后標(biāo)本的屈伸及側(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)穩(wěn)定性方面效果有限。除此之外，新型動力內(nèi)固定系統(tǒng)由于自身可以提供一定的旋轉(zhuǎn)，因此其聯(lián)合經(jīng)傷椎椎弓根椎體內(nèi)植骨對胸腰段爆裂骨折在旋轉(zhuǎn)方向上尚不足以提供足夠的穩(wěn)定性。

本實(shí)驗(yàn)尚有許多不足之處。比如標(biāo)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(nèi)固定物應(yīng)力的影響也未能計(jì)算在內(nèi)。再者，本實(shí)驗(yàn)由于客觀條件所限，沒有進(jìn)行抗剪切功能的測試，這也是進(jìn)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(jìn)一步改進(jìn)，增加其穩(wěn)定性，對骨折端提供持續(xù)的應(yīng)力，并盡可能減少剪切力和旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，在進(jìn)一步的臨床前期試驗(yàn)中增加與現(xiàn)有動力內(nèi)固定系統(tǒng)的對照結(jié)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。

[1]Dong SH,Chen HN,Tian JW,et al.Effects of minimally invasive percutaneous and trans-spatium intermuscular short-segment pedicle instrumentation on thoracolumbar mono-segmental vertebral fractures without neurological compromise[J].Orthop Traumatol Surg Res,2013,99（4）:405-411.

[2]Tofuku K,Koga H,Ijiri K,et al.Combined posterior and delayed staged mini-open anterior short-segment fusion for thoracolumbar burst fractures[J].J Spinal Disord Tech,2012,25（1）:38-46.

[3]Liao JC,Fan KF,Keorochana G,et al.Transpedicular grafting after short-segment pedicle instrumentation for thoracolumbar burst frac ture:calciumsulfatecementversusautogenousiliacbonegraft[J].Spine, 2010,15:1482-1488.

[4]Li DP,Yang HL,Huang YH,et al.Transpedicular intracorporealgrafting for patients with thoracolumbar burst fractures[J].Saudi Med J,2014,35（1）:50-55.

[5]Toyone T,Ozawa T,Inada K,et al.Short-segment fixation withoutfusion for thoracolumbar burst fractures with neurological deficit can preserve thoracolumbar motion without resulting in post-tra u maticdiscdegeneration:a10-yearfollow-upstudy[J].Spine（PhilaPa 1976）,2013,38（17）:1482-1490.

[6]Alanay A,Acaroglu E,Yazici M,et al.The effect of transpedicular intracorporeal grafting in the treatment of thoracolumbar burst fractures on canal remodeling[J].Eur Spine J,2001,10（6）: 512-516.

[7]Knop C,Fabian HF,Bastian L,et al.Late results of thoracolumbar fractures after posterior instrumentation and transpedicular bone grafting[J].Spine,2001,26（1）:88-99.

[8]鄭曉勇，侯樹勛，李利，等.胸腰椎爆裂骨折內(nèi)固定術(shù)后傷椎相鄰椎間盤及上鄰節(jié)段椎間盤的轉(zhuǎn)歸[J].中國骨腫瘤骨病，2009，8（6）: 346-349.

[9]鄭曉勇，趙東升，馬遠(yuǎn)征，等.一種新型經(jīng)椎弓根螺釘動力內(nèi)固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和力學(xué)測試[J].生物骨科材料與臨床研究，2015，12（4）: 75-80.

[10]Kurakawa T,Kakutani K,Morita Y,et al.Functional impact of integrin5 1 on the homeostasis of intervertebral discs:a study of mechanotransduction pathways using a novel dynamic loading organ culture system[J].Spine J,2015,15（3）:417-426.

[11]Wilcox RK,Allen DJ,Hall RM,et al.A dynamic investigation of the burst fracture process using a combined experimental and finite element approach[J].Eur Spine J,2004,13（1）:481-488.

[12]Wang H,Li C,Liu T,Zhao WD,et al.Biomechanical efficacy of monoaxial or polyaxial pedicle screw and additional screw insertion at the level of fracture,in lumbar burst fracture:An experimental study[J].Indian J Orthop,2012,46（4）:395-401.

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