新型钛合金颈椎前路钢板的生物力学评价

论文摘要

前言目前,颈椎前路钢板已经广泛应用于颈椎创伤、畸形、退行性变以及颈椎肿瘤的治疗,其能增强术后颈椎的即刻稳定性,降低假关节发生率,并且能够减少颈椎后凸畸形的产生。但在临床上颈椎前路减压融合应用钢板固定,术后在植骨吸收或下沉时钢板会对植骨区域产生应力屏蔽,影响融合效果。针对这一现象,我们在研究了各种颈椎前路钢板系统的基础上,应用新型超弹性低模量医用钛合金研制了颈椎前路多功能钢板系统（Multifunctional cervical plate,MCP）,并且对此钢板系统对颈椎的三维稳定作用进行了评价。随着颈椎前路钢板在临床应用的日渐增多,由于疲劳或是周期性的运动所导致的钢板螺钉的松动、脱出甚至断裂等情况也时有报道,因此,本文对钢板系统也进行了疲劳测试和三维有限元分析,以期为临床应用提供参考。方法收集24具6个月左右宰杀的猪颈椎标本随机分为四组,每组6具标本。在连续的四种状态下,即完整状态、植骨状态、钢板固定状态以及疲劳测试后状态,对颈椎C3-7施加2.0Nm的纯力矩,测量标本前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转的活动范围（rang of motion;ROM）和中性区（neutral zone;NZ）。依据ASTM标准（F1717-96）对限制性MCP和C-mark钢板（C-mark plate,CMP）进行疲劳试验,将MCP、CMP上、下两端分别固定于两块高19mm的超高分子量聚乙烯模块（Ultra high molecular weight polyethylene,UHMWPE）上,制成类似椎体切除的模型。将钢板固定于制作的椎体切除术UHMWPE模型上,通过穿入UHMWPE模块的一对直径9.6mm金属棒将这套试验装置连接在与试验机夹头配套的夹具上,然后把整套试验装置连接到INSTRON-8871材料试验机上。随之进行压缩试验和疲劳试验,加载负荷均采用压弯加载,在压缩和拉伸时两固定块以金属棒为轴转动,保证载荷垂直作用于固定块上。采用Unigraphics建立MCP的几何模型,并导入MSC三维有限元软件中进行力学分析。三维有限元网格采用四面体单元,模拟MCP在螺钉受力作用下的变形和受力情况。MCP模型采用弹塑性模型,材料选用生物医用钛合金,螺钉也采用弹塑性模型,并与MCP之间为变形体接触连接,压板采用刚性体。MCP模型采用四面体单元,并在几何形状复杂的部位和模型的内部进行了网格细化,该模型划分了16,409个节点,72,198个四面体单元,螺钉模型采用简单的圆柱体,并同样进行网格剖分,将压板与螺钉接触模拟MCP的受力情况。结果所有节段在6个方向的ROM上,MCP固定状态、MCP疲劳状态、CMP固定状态、CMP疲劳状态之间相比较,差异没有统计学意义（P＞0.05）,但与完整状态、植骨状态相比较,差异均有显著统计学意义（P＜0.01）。在前屈、左右侧屈方向的ROM上,植骨状态与完整状态相比较,差异有显著统计学意义（P＜0.01）。在屈伸NZ上,MCP固定状态、MCP疲劳状态、CMP固定状态、CMP疲劳状态之间相比较,差异没有统计学意义（P＞0.05）,但与完整状态、植骨状态相比较,差异均有显著统计学意义（P＜0.01）。在侧屈NZ上,除完整状态与其它状态之间有统计学意义外（P＜0.01）,其它状态之间没有差异（P＞0.05）。在旋转NZ上,所有状态之间均没有统计学意义（P＞0.05）。MCP抗压载荷为180N,在应用63N的压缩载荷下,疲劳试验进行到106次时钢板仍然没有发生断裂。三维有限元分析显示钢板钉孔周围为应力、应变集中处。讨论为了实现钢板在稳定颈椎作用不变的情况下,有效降低植骨区域的应力屏蔽,本研究应用超弹性低模量医用钛合金研制了MCP。MCP具有以下特点:（1）钢板螺钉均应用68GPa的新型钛合金制成,与目前临床普遍应用的医用钛合金（Ti-6Al-4V,110GPa）相比具有超弹性低模量的优点,更为接近皮质骨的弹性模量,有效降低应力屏蔽效应;（2）MCP包括CMCP、SCMCP、HMCP三种系统,能够根据患者具体情况选择应用合适的钢板系统。在颈椎前路植骨融合的过程中,通常会发生植骨的吸收和/或下沉。当植骨发生吸收和/或下沉时,SCMCP和HMCP的椎体可调角度螺钉可在一定范围内适应植骨的吸收或下沉,根据Wolf定律,有利于植骨区的融合;（3）均匀布置的横条形植钉区设计:①有利于固定螺钉的横向任意植入;②在进行椎体次全切除时,固定螺钉可用于固定植骨块;③在进行椎间盘切除时,固定螺钉可用于固定椎体;④联合进行椎体次全切除和椎间盘切除时,固定螺钉可以同时固定植骨块和椎体;（4）带有锁定装置,安全方便,可有效防止退钉现象。三维稳定性试验结果显示,颈椎前路椎体次全切除植骨后颈椎的活动范围明显降低,在MCP固定后颈椎的活动范围进一步降低。在施加2.0Nm的纯力矩时,MCP固定后能够达到与CMP同样的三维稳定效果;在进行疲劳测试后MCP仍然能够维持颈椎的三维稳定性,并且能够达到与CMP同样的稳定效果。在未施加载荷时,所有固定节段在屈伸、侧屈、旋转方向上,MCP固定以及疲劳测试后同CMP相比较没有差异。疲劳试验结果显示,MCP的抗压载荷为180N,在63N的压缩载荷下,钢板疲劳试验能够达到106次,相当于正常人颈椎生理运动4～6个月,能够满足体内颈椎植骨融合的需要。椎体固定螺钉孔周围以及条形植钉区是钢板的应力集中部位。扫描电镜观察结果显示MCP断裂的疲劳萌生区在钢板的上表面,钢板发生断裂时裂纹由钢板的上表面逐渐往下表面延伸,直至断裂。三维有限元分析结果显示,MCP的植钉区、椎体固定螺钉孔的外下缘以及视窗孔的外侧缘为MCP发生应力、应变的集中区域,这些集中区域即为实际疲劳试验过程中最有可能发生断裂的区域,本试验中MCP的应力、应变集中区域有限元模拟结果与实际进行疲劳试验的钢板的断裂区域相一致。结论本试验研究显示MCP够给颈椎提供足够的三维稳定性,在进行扭转疲劳试验后仍然能给颈椎提供足够的三维稳定性;在63N的压缩载荷下,钢板疲劳试验能够达到106次,能够满足术后植骨融合的需要;三维有限元分析显示钢板的应力、应变集中区域有限元模拟结果与实际进行疲劳试验的钢板的断裂区域是一致的。

论文目录

• 一、摘要
• 中文论著摘要
• 英文论著摘要
• 二、英文缩略语
• 三、论文
• 前言
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 结论
• 四、本研究的创新性自我评价
• 五、参考文献
• 六、附录
• 综述
• 在学期间科研成绩
• 致谢
• 个人简介