模擬前路L4～L5椎間置入兩種融合器后對比左右側(cè)彎應(yīng)變

高長瞾，張樹泉，樸 哲，趙寶林，楊利麗

模擬前路L4～L5椎間置入兩種融合器后對比左右側(cè)彎應(yīng)變

高長瞾1，張樹泉2，樸 哲2，趙寶林1，楊利麗3

目的：研究兩種不同椎間融合器前路置入L4～L5椎間后測出周圍骨質(zhì)的應(yīng)力改變，為臨床及融合器設(shè)計提供相應(yīng)參數(shù)。方法：新鮮脊柱標本來自于健康的8個月大小的成年雄性小牛，應(yīng)用標準手法，模擬制作L4～L5椎間盤突出。兩種椎間融合器分別為同種異體骨楔形融合器和同種異體骨圓柱形融合器，置入L4～L5椎間隙。在各組標本的相關(guān)部位黏貼電阻片之后焊上導(dǎo)線，標記位點，對標本依次施加200N-CM彎矩，測出各測點的應(yīng)變值。采用SPSS 19.0軟件完成統(tǒng)計處理，配對t檢驗對兩組數(shù)據(jù)進行比較。結(jié)果：最大應(yīng)變?yōu)長5椎體前上緣A測點，認為主要是由于對L4～L5椎間隙進行開槽，并進行椎間融合器置入；并且該部位還靠近植骨區(qū)，因此造成該部位的應(yīng)力改變比較集中。最小應(yīng)變點發(fā)生在L4椎體下關(guān)節(jié)突為F測點。F測點左側(cè)彎實驗應(yīng)變值t檢驗結(jié)果：置楔形骨組(217.25±13.87)με×10-6,置圓柱形骨(286.25±4.86)με×10-6。F測點右側(cè)彎實驗應(yīng)變值t檢驗結(jié)果：置楔形骨組(-253.75±6.08)με×10-6,置圓柱形骨(-305.75±8.02)με×10-6。與該測點距離植骨區(qū)較遠有關(guān)。結(jié)論：在置入椎間融合器后，L5椎體前上緣在側(cè)方彎應(yīng)力作用下會引起較大的應(yīng)力改變。楔形異體骨椎間融合各測點的應(yīng)力改變要小于圓柱形椎間融合器。

腰椎椎間融合器；腰椎間盤突出；腰椎管狹窄；生物力學(xué)

隨著人均壽命不斷延長，慢性退行性病變引起的腰痛逐漸被重視[1-2]。選擇和設(shè)計一種更加符合人體的椎間融合器顯得非常重要。椎體間融合術(shù)的理念由Cloward于1940年首先提出[3-4]。Badgy和Kuslich與20世紀80年代設(shè)計出符合人體生物力學(xué)特性的椎間融合器，即后來被稱為BAK(bagby and Kuslich)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于腰椎退行性疾病的治療中，取得了較好的療效[5]。腰椎間融合術(shù)的發(fā)展也為脊柱外科在手術(shù)入路、植入物和鄰近節(jié)段的固定等方面提供了廣泛的選擇[6-7]。隨著研究的進一步深入，出現(xiàn)了很多應(yīng)用于腰椎椎體間融合術(shù)的融合器[8-9]，而且融合器在材料、形狀、尺寸及開口部位等方面各不相同[10-11]。本實驗在模擬前路L4～5椎間植入兩種融合器后，研究左、右側(cè)彎對周圍骨組織應(yīng)變的影響。

1 材料和方法

1.1 同種異體楔形椎間融合器、圓柱椎間融合器制作 取新鮮健康的成年牛小腿，分離出小腿骨結(jié)構(gòu)，去除骨髓、骨膜等組織，僅留骨組織。碘伏浸泡5 min，過氧化氫沖洗3次。高溫高壓，機械材料加工成融合器。楔形椎間融合器長14 mm、寬9 mm、厚2.8mm，在融合器表面加工間距1.5 mm、深度0.5 mm的鋸齒狀螺紋見圖1。圓柱椎間融合器長10 mm、直徑6 mm，圓柱形融合器，表面有螺紋見圖2。融合器中心為中空結(jié)構(gòu)，用以填充自體骨。加工完成，將融合器以1∶1氯仿甲醇，脫脂2 h，濕式密封12 kGy，高溫高壓滅菌。

圖1 楔形椎間融合器

圖2 圓柱形融合器

1.2 制作腰椎標本 腰椎標本來自于8個月齡健康雄性小牛（由吉林省乳業(yè)公司屠宰場提供），且為新鮮標本。處死小牛，取下腰椎標本L1～L5節(jié)段，去除附著的肌肉筋膜等，保留黃韌帶、前縱韌帶、小關(guān)節(jié)突、棘間韌帶及關(guān)節(jié)囊。

1.3 固定標本與置入融合器 牙托粉包埋固定標本，可以使兩端平整，便于進行左、右彎曲實驗。24 h固化處理牢固，進行融合器的植入。隨機取8個標本，應(yīng)用特定方法模擬制作前路L4～5椎間盤突出標本。模擬腰椎前路手術(shù)，即在腰椎前緣開窗，切除部分纖維環(huán)、前縱韌帶，徹底清除椎間盤。8個標本分別置入同種異體骨楔形椎間融合器4枚，及圓柱形椎間融合器4枚。

1.4 設(shè)備與儀器 YJ-4501A型靜態(tài)數(shù)學(xué)電阻應(yīng)變儀（晟睿航測控技術(shù)工作室、南京航空大學(xué)監(jiān)制），萬能試驗機，測力儀（山西力能科技公司生產(chǎn)）。

1.5 粘貼電阻應(yīng)變片 首先用砂紙將標本的貼片部位打磨平滑，以碘伏對貼片部位進行反復(fù)清洗，再以酒精對貼片部位進行反復(fù)沖洗。沖洗干凈，涼干。應(yīng)用膠水將電阻片在事先選擇好的貼片部位進行粘貼。電阻應(yīng)變片為膠基泊式電阻應(yīng)變片，其阻值為（121.1±0.1)Ω，標距為1 mm×1 mm，靈敏系數(shù)為(2.18±0.1)%。粘貼操作完成，進行接線端子的粘貼，粘貼于相應(yīng)變片的近端。將接線端子焊在電子應(yīng)變片引出線上，進行導(dǎo)線的焊接。

供選擇10個檢測點分別為：L5椎體前上緣為A測點；L4椎體前下緣為B測點；L4椎體前上緣為C測點；L3椎體前下緣為D測點；L4椎體左下關(guān)節(jié)突為E測點；L4椎體左上關(guān)節(jié)突為F測點；L5椎體上關(guān)節(jié)突為G測點；L4椎體右上關(guān)節(jié)突為H測點；L4椎體右下關(guān)節(jié)突為I測點；L5椎體下關(guān)節(jié)突為J測點。

1.6 側(cè)彎過程及檢測方法 分別將粘貼電阻應(yīng)變片的腰椎標本置于小型組合實驗臺上，載荷由載荷傳感器傳遞，傳感器最大量程1 KN，使標本處于左側(cè)彎狀態(tài)。標本下端與試驗臺上底座接觸，組合試驗臺上壓頭對準標本，加力點距標本1 cm。

[13]方法對標本進行預(yù)調(diào)處理。各測點接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的分線箱上半橋接線為外補償。對標本依次施加200 N·cm彎矩，并通過YJ-4501A型靜態(tài)數(shù)學(xué)電阻應(yīng)變儀測出兩組標本各測點的應(yīng)變值。見圖3、圖4。

1.7 統(tǒng)計學(xué)分析方法 應(yīng)用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)結(jié)果以(±s)表示，采用配對t檢驗對兩組數(shù)據(jù)進行比較，P＜0.05為有顯著差異。

2 結(jié)果

2.1 左側(cè)彎狀態(tài)下施加彎矩電測量結(jié)果 在彎矩作用下，置楔形異體骨融合器組左側(cè)彎電測量結(jié)果見表1。

圖3 楔形融合器組

圖4 圓柱形骨融合器組

表1 在200 N·cm彎矩作用下置楔形異體骨融合器組左側(cè)彎電測量結(jié)果（應(yīng)變με×10-6）

2.2 彎矩作用下置圓柱形異體骨融合器組左側(cè)彎電測量結(jié)果 施加彎矩作用下左側(cè)彎電測量結(jié)果見表2。

表2 在200 N·cm彎矩作用下置圓柱形異體骨融合器組左側(cè)彎電測量結(jié)果（應(yīng)變με×10-6）

2.3 右側(cè)彎狀態(tài)下應(yīng)變電測量結(jié)果 施加彎矩與置異體楔形骨融合器右側(cè)彎狀態(tài)下，電測量結(jié)果見表3。

2.4 施加彎矩于置異體圓柱形骨融合器右側(cè)彎狀態(tài)下電測量結(jié)果 施加彎矩作用下右側(cè)彎狀態(tài)下測量結(jié)果見表4。

表3 在200 N·cm彎矩作用下置楔形異體骨融合器組右側(cè)彎電測量結(jié)果（應(yīng)變με×10-6）

表4 在200 N·cm彎矩作用下置圓柱形異體骨融合器組右側(cè)彎電測量結(jié)果（應(yīng)變με×10-6）

2.5 彎矩作用下側(cè)彎實驗應(yīng)變結(jié)果 施加彎矩作用下側(cè)彎實驗應(yīng)變結(jié)果見表5、表6。

實驗結(jié)果表明，A測點為脊椎中應(yīng)變點最大的點，根據(jù)前文所述，A點為L5椎體前上緣，因為椎間融合器是在L4～L5椎間隙置入，并且該區(qū)域又臨近置骨區(qū)，從而使該區(qū)域應(yīng)變較集中，產(chǎn)生的應(yīng)變壓力較大。F測點為最小的應(yīng)變點，該點位于L4椎體下關(guān)節(jié)突，分析認為該點距離置骨區(qū)相對較遠，從而產(chǎn)生的應(yīng)變較小。

3 討論

近年來學(xué)者們對腰椎椎間融合器的設(shè)計，應(yīng)用相關(guān)技術(shù)對腰椎椎間不穩(wěn)、腰椎間盤突出、腰椎管狹窄等腰椎退變性疾病進行置入椎間融合器置入進行了模擬，并測定了置入后的生物力學(xué)效應(yīng)。

現(xiàn)今應(yīng)用的大部分椎間融合器的主要材質(zhì)是皮質(zhì)骨骨環(huán)。據(jù)報道，釘齒防滑表面設(shè)計的同種異體骨椎間融合器置入椎間隙后形成了“撐開-壓縮張力帶”效應(yīng)，有效恢復(fù)了椎間隙的高度和起到脊柱即刻穩(wěn)定的作用[12]。張烽等[13]通過對20具新鮮小牛標本研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用椎間融合器，前路腰椎椎體間融合術(shù)（anterior lumbar interbody fusion,ALIF）、后路腰椎椎體間融合術(shù)(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)、經(jīng)椎間孔椎間融合術(shù)(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)術(shù)后腰椎的穩(wěn)定性明顯增強。對研究結(jié)果分析后得出，PLIF軸向載荷屈伸、壓縮、側(cè)彎運動作用時要優(yōu)于ALIF；但ALIF在扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能上卻優(yōu)于PLIF。丁金勇等[14]采用聚醚醚酮等材料制作，設(shè)計了新型的組合式腰椎間融合器。新型組合式椎間融合器相比于傳統(tǒng)融合器具有更好的椎間穩(wěn)定性以及抗拔出、抗壓縮負荷性能。李開南等[15]設(shè)計了可降解聚-DL-乳酸材料的腰椎融合器。聚-DL-乳酸可降解材料設(shè)計制作的腰椎間融合器在一定程度上可以滿足腰椎融合后穩(wěn)定性的需求，且矩形椎間融合器在穩(wěn)定性上要優(yōu)于圓形椎間融合器。部分國內(nèi)學(xué)者報道，新鮮小牛腰椎標本進行了融合器置入后腰椎即刻穩(wěn)定性的研究[16]，前路椎間融合器術(shù)后的比完整正常的小牛腰椎的穩(wěn)定性要差。但是，對于SynFix-LR固定以及聯(lián)合后路椎弓根內(nèi)固定等方法，都可以有效地增強前路椎間融合置入后的即刻穩(wěn)定性。

表5 200 N·cm彎矩作用下兩組標本左側(cè)彎實驗應(yīng)變值（應(yīng)變με×10-6）

表6 200 N·cm彎矩作用下兩組標本右側(cè)彎實驗應(yīng)變值t檢驗結(jié)果（應(yīng)變με×10-6）

先前的關(guān)于椎間融合器的相應(yīng)研究多是以單純的前入路置入一枚或者是兩枚融合器、前路置入融合器后聯(lián)合后路椎弓根螺釘內(nèi)固定，之后進行左、右側(cè)彎下的生物力學(xué)檢測。本研究與以往相關(guān)研究的不同之處在于，應(yīng)用生物力學(xué)理論和技術(shù)、應(yīng)變電測技術(shù)，在采取前路置入兩種L4～L5椎間融合器，檢測了相應(yīng)節(jié)段設(shè)定的各測點的應(yīng)變值大小。經(jīng)過檢測，確定了腰椎中最大及最小應(yīng)變點的所在部位。并且本研究所設(shè)計的椎間融合器表面設(shè)計有螺紋，可以提高與椎間的摩擦力，增強器抗拔出能力，還能增強器即可的穩(wěn)定性以及遠期的穩(wěn)定性。

生物力學(xué)研究表明，彈性模量大于骨科彈性模量的材料容易產(chǎn)生較大的應(yīng)變集中，所以在滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)盡量選用彈性模量較低的材料。而同種異體骨椎間融合器彈性模量較低，并且易于取材，生物相容性好，造價低等特點，使得其具有良好的發(fā)展空間與前景。

以上研究還表明，同種異體骨楔形椎間融合器表面加工間距1.5 mm、深度0.5 mm的鋸齒狀螺紋。同時，同種異體骨楔形和圓柱形椎間融合器相比，楔形椎間融合器的彈性模量值要明顯偏小。生物力學(xué)實驗表明，彈性模量越大的材料越容易產(chǎn)生應(yīng)變集中，所以楔形椎間融合器穩(wěn)定性要好于圓柱形椎間融合器。

參考文獻：

[1]唐少龍.腰椎終板Modic改變與腰椎退變的相關(guān)性研究[D].浙江大學(xué),2014.

[2]俞海明,姚學(xué)東,林金礦,等.單節(jié)段腰椎融合術(shù)后椎旁肌形態(tài)改變與腰痛關(guān)系:微創(chuàng)入路與開放入路的隨機對照研究[J].中外醫(yī)學(xué)研究,2016,14(33):1-3.

[3]Humphreys SC,Hodges SD,Patwardhan AG,et al.Comparison of pos?terior and transforaminal approaches to lumbar interbody fusion[J]. Spine,2001,26(11):567-571.

[4]Brantigan JW,Steffee AD.A carbon fiber imp lant to aid interbody lumbar fusion.Two2year clinical results in the first 26 patients[J]. Spine,1993,18(9):2106-2107.

[5]潘劍成,龔旭,羅飛.同種異體骨椎間融合器的研究進展及臨床應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國修復(fù)重建外科雜志,2015,29(3):381-385.

[6]Gob JC,Wong HK,Thambyah A.Influence of the PLIF cage size on lumbar spine stability[J].Spine,2000,25(1):35-40.

[7]張海參,史吉勝,黃磚枝,等.前路減壓Zero-P椎間融合器治療頸椎病的療效[J].中國矯形外科雜志,2016,24(23):2119-2124.

[8]張帆,黃軒,李鳳寧,等.3D打印技術(shù)制備個體化終板匹配頸椎間融合器的初步嘗試[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報,2015,26(7):782-785.

[9]買爾旦·買買提,盛偉斌,阿里木·阿布都熱西提,等.椎間融合器融合和自體骨融合治療腰椎滑脫效果的Meta分析[J].中國組織工程研究,2013,17(52):9041-9048.

[10]王澤,徐沁同,孟德華,等.自鎖式零切跡椎間融合器治療多節(jié)段頸椎病及其中長期隨訪[J].中國臨床醫(yī)學(xué),2016,23(1):53-56.

[11]Steffen T,Tsantrizos A,Aebi M.Effects of implant design and end? plate preparationon the compressive strength of interbody fusion constructs[J].Spine,2000,25（9）:1077-1084.

[12]樊帆,聶中華,甘學(xué)文.后路單枚和雙枚椎間融合器加椎弓根螺釘治療慢性腰椎滑脫癥的療效對比[J].黑龍江醫(yī)學(xué),2013,37(11): 1064-1065.

[13]張烽，陳兵乾，居建文，等.三種單純腰椎椎間融合術(shù)加用雙側(cè)椎弓根螺釘內(nèi)固定后生物力學(xué)比較的實驗研究[J].醫(yī)用生物力學(xué)，2007,22(3):302-305.

[14]丁金勇，錢萊，吳小程,等，新型組合式腰椎間融合器的研制和生物力學(xué)評價[J].中國臨床解剖學(xué)雜志，2009,27（5）：588-591.

[15]李開南，劉建峰，汪學(xué)軍,等.可生物降解聚-DL-乳酸腰椎融合的設(shè)計及生物力學(xué)研究[J].中國脊柱脊椎雜志，2007,17（1）：38-41.

[16]王治棟,朱若夫,楊惠林,等.前路減壓Zero-p椎間融合器與傳統(tǒng)鈦板聯(lián)合cage融合內(nèi)固定治療脊髓型頸椎病的療效比較[J].中國脊柱脊髓雜志,2013,23(5):440-444.

（收稿：2017-01-26 修回：2017-07-20）

（責(zé)任編輯 李秀蘭）

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The Comparison of Stress Change between the Left-and Right-Side Bend Strain after Implanting Two Anterior Cages in L4～L5 Anterior Chamber

GAO Chang-zhao,ZHANG Shu-quan,PIAO Zhe,et al.
De?partments of Orthopedics,China-Japan Union Hospital of Jilin University,Changchun(130000),China

Objective To study the bone stress change after implanting two different interbody fusion cages at L4-5 intervertebral body,and to provide the parameters for clinical use and cage design. Methods The specimens were obtained from healthy 8-month-old adult male calves.We used them to simulate disc herniation anteriorlyatL4-5 intervertebralspace.Thesespecimenswererandomlydivided intotwogroups:a wedge-shaped fusion group and a cylindrical fusion group.The resistance strains were bonded to the relevant parts of the specimens,and then wires were welded and locations were marked.Subsequently,bending momen?tum(200N-CM)was applied and the strain value was measured at each moment.Finally,the data were analysed by SPSS 19 software,and the difference between the two groups were compared using paired t test. Results The maximum strain is was located at L5 anterior margin(A measurement),which was mainly due to slotting at the L4-5 vertebra clearance for interbody fusion cage implantation,and closing to the implanting site.The mini?mum strain was located at the L4 vertebral articular process(F measurement),which was due to being far away from the implanting site.The values of left bending of F measurement were 217.25±13.87 με×10-6(wedge bone group)and 286.25±4.86 με×10-6(cylindrical bone group)respectively,and the values of lateral bending are were-253.75±6.08 με×10-6(wedge bone group)and-305.75±8.02 με×10-6(cylindrical bone). Conclusion A larger stress change occurred at L5 anterior margin under the lateral bending stress after implantation of inter?vertebral fusion device.The stress change of wedge-shaped fusion group is less than that of the cylindrical fu?sion group.

Lumbar intervertebral fusion；lum?bar disc herniation；lumbar spinal stenosis；biome?chanics

R608

：A

：1007-6948(2017)04-0394-05

10.3969/j.issn.1007-6948.2017.04.015

1.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院骨科（長春 130000）

2.天津市南開醫(yī)院骨科（天津 300100）

3.吉林大學(xué)第二醫(yī)院骨科（長春 130000）

楊利麗，E-mail:642403512@qq.com