膨胀式椎弓根螺钉生物力学和钉道参数研究

论文摘要

目前,椎弓根螺钉固定技术得到了很大的发展,已经广泛应用于治疗脊柱退行性病变、椎体骨折、畸形、骨转移瘤等疾病。但当骨一螺钉界面的把持力不够或术后承载负荷过大时,均易造成椎弓根螺钉的松动或拔出.尤其是在骨质疏松的患者中这种现象更为常见。通常的翻修手术多采用增加椎弓根螺钉直径、长度,或在原钉道内充填骨粘合剂等方法,但实践证明上述方法在临床应用中均有其明显的局限性。为解决这一临床问题,我们根据机械膨胀原理,设计出膨胀式椎弓根螺钉（expansive pedicle screw,EPS）。EPS螺钉的特点是在不增加椎弓根处螺钉直径的情况下,使椎体内的螺钉直径加大,螺钉与周围骨质接触面成角增加,从而使剪切应力增加,抗拔出能力增强,开创了脊柱内固定领域的一种新思维。本研究对膨胀式螺钉进行了一系列生物力学和钉道参数的测试,为其临床应用提供更为充分的依据。本课题进行了以下三方面的研究:1)本实验采用将新鲜小牛腰椎制成滑脱模型,用两组椎弓螺钉及两根钛棒进行固定,固定后用PMMA将标本两端包埋于特制夹具中,用MTS880试验机,以1赫兹的频率给予1.2-12KN的周期载荷3000次,再将标本取出分别于力学试验机上行轴向拔出试验,以评价负载条件下膨胀式椎弓根螺钉的固定强度。2)EPS螺钉与普通螺钉相比普通非膨胀螺钉的显著特点是其具有中空的结构,可能会对其强度产生一定的影响,本实验利用椎体全切模型测试成组EPS螺钉的耐疲劳强度。螺钉植入体内后其颈部由于应力集中的原因与其它部位相比会承受更大的剪切力,故此处发生断裂的可能性更大,本实验利用特制夹具测试螺钉颈部的机械强度。3)EPS螺钉植入椎体后其前端会发生膨胀,后期如需取出螺钉时其膨胀部位因已有骨质难以闭合,此时如将螺钉旋出就可能损伤椎弓根。本实验利用新鲜尸体腰椎标本在植入螺钉后和旋出螺钉（EPS螺钉以膨胀状态旋出）后分别进行显微CT扫描及3D重建,测量其各部位参数。加载前后EPS螺钉的最大轴向拔出力均显著高于SINO和UPS螺钉（P<0.05）。加载前后EPS螺钉的最大轴向拔出力之间的差异无统计学意义（P>0.05）,而SINO和UPS螺钉的最大轴向拔出力在加载前后的差异均有统计学意义（P<0.05）。在超高分子聚乙烯材料上对螺钉进行100万次的周期载荷疲劳实验完成后短尾型EPS螺钉、万向型EPS螺钉和SINO螺钉均未发生疲劳现象。在机械强度的测试中,固定型EPS螺钉在置入内栓的情况下,螺钉颈部所能承受的最大剪切力与SINO螺钉相比的差异无统计学意义（P>0.05）,而万向型EPS螺钉颈部所能承受的最大剪切力与SINO螺钉相比的差异有统计学意义（P<0.05）,但足以承受上半身的载荷。在螺钉钉道的测试中,分别测量椎体的4个部位的钉道直径:椎弓根顶部、中部、底部和椎体段。结果提示螺钉旋出前膨胀式椎弓根螺钉膨胀部的最大直径平均增大1.11±0.13mm。螺钉旋出后EPS螺钉在各部位的钉道直径与SINO螺钉的差异有统计学意义（P<0.05）,但EPS螺钉在椎弓根各处的钉道直径比国人椎弓根处的宽度小。本研究证实:膨胀式椎弓根螺钉不仅初始固定强度较普通螺钉高,而且其加载后的固定强度亦高于普通非膨胀螺钉,这一结果进一步证实膨胀式椎弓根螺钉在固定稳定性方面较普通非膨胀螺钉具有明显的优越性。在测试成组螺钉耐疲劳特性和螺钉颈部机械强度的实验中,在植入钉芯的情况下,EPS螺钉与普通螺钉相比其耐疲劳特性和颈部的抗折弯强度并无明显降低,证实EPS螺钉并未因其中空结构而使耐疲劳特性和颈部抗折弯强度明显降低。在螺钉钉道的测试中,于膨胀状态旋出螺钉后其形成的钉道直径,与国人腰椎椎弓根宽度相比明显为小,所以在EPS螺钉的后期取出时,只要操作得当不会破坏椎弓根结构。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言
• 文献回顾
• 正文
• 实验一 负载条件下膨胀式椎弓根螺钉固定强度测定
• 1 实验材料
• 2 实验方法
• 3 观察指标
• 4 结果
• 5 讨论
• 实验二 膨胀式椎弓根螺钉耐疲劳强度和颈部静态抗折 弯强度的检测
• 1 实验材料
• 2 实验方法
• 3 结果
• 4 讨论
• 实验三 膨胀式椎弓根螺钉钉道参数的测 量
• 1 实验材料
• 2 实验方法
• 3 结果
• 4 讨论
• 小结
• 参考文献
• 附录
• 个人简历
• 研究成果
• 致谢