新型钉尾横连在后路寰枢椎固定中的生物力学分析

doi:10.12307/2024.021

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (12): 1837-1841.doi: 10.12307/2024.021

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

新型钉尾横连在后路寰枢椎固定中的生物力学分析

欧阳北平1，马向阳2，罗春山1，邹小宝2，陆廷盛1，陈啟鸰1

1贵州省骨科医院，贵州省贵阳市 550004 ；2中国人民解放军南部战区总医院脊柱外科，广东省广州市 510010

收稿日期:2022-11-28 接受日期:2023-03-02 出版日期:2024-04-28 发布日期:2023-08-22
通讯作者: 马向阳，博士，主任医师，中国人民解放军南部战区总医院脊柱外科，广东省广州市 510010
作者简介:欧阳北平，男，1987年生，江西省彭泽县人，汉族，2022年南方医科大学毕业，博士，副主任医师，主要从事脊柱外科(上颈椎)方面的研究。
基金资助:

Biomechanical analysis of new horizontal screw-screw crosslink in C1-C2 pedicle screw-rod fixation

Ouyang Beiping1, Ma Xiangyang2, Luo Chunshan1, Zou Xiaobao2, Lu Tingsheng1, Chen Qiling1

1Guizhou Orthopedics Hospital, Guiyang 550004, Guizhou Province, China; 2Department of Orthopedics, General Hospital of Southern Theater Command of Chinese PLA, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China

Received:2022-11-28 Accepted:2023-03-02 Online:2024-04-28 Published:2023-08-22
Contact: Ma Xiangyang, MD, Chief physician, Department of Orthopedics, General Hospital of Southern Theater Command of Chinese PLA, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China
About author:Ouyang Beiping, MD, Associate chief physician, Guizhou Orthopedics Hospital, Guiyang 550004, Guizhou Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

寰枢椎脱位：是由于创伤、先天畸形、炎症或手术等因素造成关节面失去正常对合关系，发生关节功能障碍和(或)神经压迫的病理状态。主要是由创伤、关节先天畸形、炎症等引起。
钉尾横连：包括锁棒螺母、横连螺母和横向连接板，连接板两侧有椭圆形开孔，并有直板和弧形板两种规格，将横连连接在固定的螺钉尾部。

背景：后路寰-枢椎椎弓根钉棒内固定是治疗寰枢椎脱位的主要方法，横连接在内固定系统抗旋转能力中起着重要作用。新型寰椎钉尾横连可以有效克服传统横连安装不便、影响植骨床和脊髓损伤可能等缺点，但不同安装模式的新型钉尾横连的生物力学性能尚不清楚。

目的：测试不同安装模式的新型寰椎钉尾横连在后路寰-枢椎椎弓根钉棒内固定系统中的生物力学特性，为临床选择最佳安装模式提供理论依据。
方法：6具新鲜人体枕颈标本作为完整组(A组)，在完整组基础上建立Ⅱ型齿状突骨折的寰枢椎失稳模型(B组)，在失稳组基础上对每具标本先后进行后路寰-枢椎椎弓根钉、棒内固定(C组)，在C组上依次安装不同模式新型寰椎钉尾横连，其中包括上水平横连(两寰椎螺钉钉尾)为D组，下水平横连(两枢椎螺钉钉尾)为E组，斜形横连(左上右下为F组，左下右上为G组)，交叉横连为H组。在三维运动机上将标本模型按顺序进行前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转测试，获取各个内固定状态下的寰枢椎活动度。运用重复测量方差分析评价各组模型的生物力学特性。

结果与结论：①在6种工况下，A、C、D、E、F、G、H组寰枢椎活动度小于B组，差异均有显著性意义(P < 0.05)；②在前屈、后伸状态下，5种横连内固定组相比无统计学差异(P > 0.05)；③在左右旋转方向上，D、E组与F、G、H组对比差异均有显著性意义(P < 0.05)，D与E组，F与G组组间对比无统计学差异(P > 0.05)，F、G与H组对比亦无统计学差异(P > 0.05)；④提示在前屈、后伸状态下，5种钉尾横连组生物力学稳定性相当；但在左右旋转状态下，斜形钉尾横连和交叉钉尾横连的稳定性明显优于上下钉尾横连组；而斜形钉尾横连具备和交叉横连同等的抗旋转稳定性，故值得临床优先推荐。

https://orcid.org/0000-0002-7698-0944 (欧阳北平)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 钉尾横连, 后路, 寰枢椎, 内固定, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Posterior atlantoaxial pedicle screw rod internal fixation is the main method for treating atlantoaxial dislocation, and the horizontal crosslink plays an important role in the antirotation ability of the internal fixation system. The new horizontal screw-screw crosslink can effectively overcome the disadvantages of traditional horizontal crosslink, such as inconvenient installation, impact on bone grafting bed, and potential spinal cord injury. However, the biomechanical properties of the new horizontal screw-screw crosslink with different installation modes are still unclear.
OBJECTIVE: To investigate the biomechanical characteristics of new different installation modes of horizontal screw-screw crosslink in the C1-C2 pedicle screw-rod fixation and to provide a theoretical basis for optimal installation mode.
METHODS: Six fresh human occipitocervical specimens were divided into the intact state group (group A), and the atlantoaxial instability model of type II odontoid fracture was established based on the intact state group as the instability group (group B). The C1-C2 pedicle screw-rod fixation was performed on each specimen based on the instability group (group C). In group C, different installation modes of horizontal screw-screw crosslink were successively installed in each specimen, including upper transverse connection (two atlas screw tails) as group D, lower transverse connection (two axis screw tails) as group E, diagonal transverse connection (upper left and lower right for group F, lower left and upper right for group G), and cross transverse connection as group H. The specimen models were tested in order of flexion, extension, lateral flexion and lateral rotation on a three-dimensional motion machine, and the atlantoaxial range of motion of each group of specimens was obtained. Repeated measure analysis of variance was used to evaluate the biomechanical properties of each group.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under six states, the range of motion of groups A, C, D, E, F, G and H was smaller than that of group B, and there were statistically significant differences (P < 0.05). (2) In the flexion and extension states, there was no significant difference among the five types of horizontal screw-screw crosslink groups (P > 0.05). (3) In the left and right rotation directions, there were significant differences in D and E groups compared with F, G and H groups (P < 0.05); there were no significant differences between D and E groups, and F and G groups (P > 0.05), and there were no significant differences in F and G groups compared with H group (P > 0.05). (4) In conclusion, under flexion-extension states, the biomechanical stability of five types of horizontal screw-screw crosslink groups was similar, but under the rotation state, the stability of diagonal horizontal screw-screw crosslink group and cross horizontal screw-screw crosslink group was obviously better than that of transverse horizontal screw-screw crosslink group; however, the stability of diagonal horizontal screw-screw crosslink group is similar to the cross horizontal screw-screw crosslink group, so the former is more worthy of clinical recommendation.

Key words: horizontal screw-screw crosslink, posterior, atlantoaxial, internal fixation, biomechanics

中图分类号:

欧阳北平, 马向阳, 罗春山, 邹小宝, 陆廷盛, 陈啟鸰. 新型钉尾横连在后路寰枢椎固定中的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(12): 1837-1841.

Ouyang Beiping, Ma Xiangyang, Luo Chunshan, Zou Xiaobao, Lu Tingsheng, Chen Qiling. Biomechanical analysis of new horizontal screw-screw crosslink in C1-C2 pedicle screw-rod fixation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(12): 1837-1841.

图/表（结果） 1

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引言

材料方法

1.1 设计尸体枕颈标本生物力学实验，重复测量方差分析。
1.2 时间及地点实验于 2020年8月在南方医科大学解剖教研室完成。
1.3 材料
1.3.1 标本取6具新鲜完整的成人枕颈标本，男3名，女3名，年龄25-35岁，意外死亡，经家属知情同意，同时获得贵州省骨科医院医学伦理委员会批准(批号：LW2020063114)。截取标本C7以上部位，行X射线和CT扫描，排除颈椎骨折、失稳、畸形及骨质疏松等疾病。锯下颅骨前部及下颚骨，弃掉脑组织，保留枕骨粗隆以下颅骨及其与颈椎相连的韧带，仔细剔除皮肤、皮下组织、肌肉等软组织，完整保留所有关节囊及韧带组织，制成完整的枕颈标本模型。所有标本放入双层塑料袋后编号为1-6号，分别置入-20 ℃的低温冰箱保存，实验前在常温下逐级解冻。所有标本备好后在1个月内完成所有的生物力学实验，所有的实验标本由南方医科大学解剖教研室提供。

1.3.2 内固定装置及实验器械直径3.5 mm寰枢椎螺钉及配套螺母、圆柱形钛棒，传统横连接、新型钉尾横连供(专利号：ZL201610560272.6)，见图1，以上均由山东威高集团医用高分子制品股份有限公司提供。

1.3.3 实验设备 Geomagic Studio 2013软件、Motion Analysis Co.6 Eagle系统，由南方医科大学解剖教研室提供；X射线机，由中国人民解放军南部战区总医院提供。
1.4 方法
1.4.1 上颈椎正常及失稳模型的制备实验前每件标本均在室温下自然解冻，手术刀小心剔除枕骨粗隆部附着处至C7颈椎椎体下方软组织结构，完整保留关节囊、韧带和椎间盘，备用。在C7椎体底部置入2枚长度合适固定钉，随后把C7底部置入长方体形状的方形固定模具正中，往模具内注入自凝型义齿基础树脂混合物(中国上海新世纪)，混合物没过C7椎体上缘，待混合物凝固(约20 min)后将标本取出，在枕骨靠近斜坡区处置入2枚长度合适的固定钉，将标本倒置，旋转45°，保持中立位，枕骨置入固定底座模具中，再次加入适量的自凝型义齿基础树脂混合物，待混合物凝固(约20 min)后标本包埋结束，正常颈椎标本包埋成功，见图2A。将正常颈椎模型(完整状态A组)在Motion Analysis Co.6 Eagel系统上测试三维生物力学稳定性后，在完整状态组基础上建立Ⅱ型齿状突骨折的寰枢椎失稳模型[16](B组)，见图2B，备用。
1.4.2 内固定方式在失稳组(B组)基础上对每具标本先后进行后路寰枢椎椎弓根钉、棒内固定(C组)：①寰椎椎弓根螺钉进钉点：根据参考文献[17-18]，结合标本实际情况，置入2枚直径为3.5 mm、长度合适的寰椎椎弓根螺钉。②枢椎椎弓根螺钉进钉点的确认与置钉：参考研究文献[19]，根据标本具体情况，直接显露 C2椎弓根上壁和内侧壁进行直视下个体化置入2枚直径为3.5 mm、长度合适的枢椎椎弓根螺钉。

在C组基础上装置钉尾横连：上横连(两寰椎螺钉钉尾)为D组，下横连(两枢椎螺钉钉尾)为E组，左上右下/左下右上斜形钉尾横连分别为F组和G组，交叉钉尾横连为H组(图2C-H)。

内固定装置置入后行X射线片检查，了解内固定置入情况(图3)。

1.4.3 生物力学三维稳定性测试此次实验在南方医科大学解剖教研室进行，所有标本模型均在同一生物力学测量仪器Motion Analysis Co.6 Eagle系统上采用非破坏方式进行生物力学测试。将标本模型置于常温逐级解冻后，在寰椎前结节、枢椎椎体前方中心呈八字形分别一根长约12 mm、直径2 mm的克氏针；在寰枢椎两侧侧块分别置入2根同样规格的克氏针。于克氏针尾端分别置入1枚测试用标记球(共6枚)。确保同一关节运动的3枚标记球不在同一条轴线上，并确保6枚标记球之间不会相互碰撞，以免对实验结果造成干扰。首先测试正常颈椎标本模型的生物力学三维稳定性，对标本施加1.5 N/m纯力偶矩后测量前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左侧旋转、右侧旋转运动状态下的三维运动度(图4)。测试完正常颈椎标本模型后，分别测试并记录寰枢椎失稳标本模型、在失稳组+后路寰枢椎椎弓根钉、棒内固定模型(C组)，C组+钉尾横连接模型(D-H组)，实验过程中喷洒生理盐水保持标本表面的湿润，避免因标本过度干燥从而影响实验结果。所有实验过程中需要维持实验室温度为25 ℃，空气湿度为60%-80%。摄像机按照坐标系方式捕捉记录所有标本模型在中立位置、卸载状态和加载状态下的运动坐标，记录的运动坐标再应用Geomagic Studio 2013进行处理，测试出寰枢椎节段的三维相对运动度。处理数据时应将中立位置及加载状态下的坐标分别设为固定状态与浮动状态。同时，测试完每一组内固定方式后行模型X射线片明确内固定位置情况。

1.5 主要观察指标对装有6枚标记球的各组标本施加
1.5 N/m纯力偶矩后模拟屈伸、侧屈、旋转6种状态，通过摄像机捕捉记录标记球运动坐标，通过Geomagic Studio 2013软件计算出寰枢椎活动度。
1.6 统计学分析计算出所有标本模型在6种工况运动状态下的活动度，所有数据采用SPSS 21.0进行统计分析，采用重复测量方差分析，显著性水平设置在P < 0.05。文章统计学方法已经南方医科大学生物统计学专家审核。

讨论

横连最早主要应用于胸腰椎后路内固定，其意义是将钉棒系统连接成一个整体，提高其抗扭曲或剪切的应力，使应力在内固定装置中分布均匀，以增强内固定系统的稳定性[20-24]。随着后路寰枢椎内固定在临床广泛的应用，横连的使用也受到越来越多学者的关注，尤其在寰枢椎旋转脱位的患者中。LI等[13]对横连接在C1-C2固定治疗寰枢椎不稳中是否有必要的生物力学研究中指出，在C1-C2固定中添加横连可有效降低轴向旋转活动度，增强C1-C2节段的稳定性。BRASILIENSE等[25]报道在齿状突骨折模型上行后路寰枢椎固定术并附加横连可以显著降低寰枢椎旋转活动度37%-54%。而横连安置方式包括传统的棒-棒横连和钉尾横连，马向阳等[26]研究认为，因寰枢椎弓根螺钉置钉点位置不同及复位时必要的固定棒弯曲，造成传统的棒-棒横连在术中安置困难，另外横连安置的腹侧为无骨性结构覆盖的脊髓，增加置放时脊髓损伤的风险。而钉尾横连安置便捷可有效克服上述缺点，逐渐受到术者的青睐，但钉尾横连的安装方式多种，尚无文献报道哪种钉尾横连安置模式生物力学最优，故此文比较了多种模式钉尾横连生物力学的差异，为临床选择最佳模式提供参考。
此次研究各组生物力学结果显示：①失稳模型的验证：建立的失稳模型组在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6个方向的C1-C2节段活动度均高于完整模型组，且失稳模型在6种工况下的活动范围与以往研究的结果基本一致[27-37]。因此作者认为此次研究所建立的寰枢椎失稳模型是有效的。②横连组与无横连组比较：研究结果表明，在前屈、后伸状态下，所有内固组生物力学稳定性基本一致，在左右侧屈状态下横连内固定活动度比无横连内固定组低38.9%-61.5%；在左右旋转状态下，横连内固定活动度比无横连内固定组低73.3%-86.5%，这说明所有横连内固定组抗左右侧屈及抗旋转稳定性是优于单纯寰枢椎钉棒内固定组，故作者认为附加横连相比不放横连明显减少了寰枢椎左右侧屈及旋转活动，尤其是轴向旋转方向更明显，这与LI 等[13]报道的结果一致。故作者推测在寰枢椎以提供旋转功能为主的解剖结构下，抗旋转稳定性的增加，可能是减少内固定失效的重要保证，其次也可能为促进寰枢椎早期植骨融合提供了更强力学保障。MIZUTANI等[38]首次报道了后路寰枢椎螺钉内固定系统安装横连接组比不安装横连接组具有更早的植骨融合。③5种钉尾横连的比较：从研究结果看出，在前屈后伸状态下，5种钉尾横连内固定组的活动度对比无明显差异，但在旋转状态下，上/下水平钉尾横连组活动度比斜形钉尾横连内固定组和交叉钉尾横连内固定组高约50%，作者认为斜形钉尾横连和交叉钉尾提供的稳定性是优于上/下水平钉尾组，尤其在旋转状态下。VALDEVIT等[39]在猪胸椎标本上进行无横连内固定组、传统棒-棒横连组、横向钉尾横连组以及斜形钉尾横连组的生物力学对比研究，结果显示，与无横连组或横向横连组相比，斜形横连组提供了更强的旋转稳定性，这与此次研究的结果相似。但也有不同观点，LIM等[40]通过三维有限元方法评价斜形横连与传统水平横连在腰椎内固定生物力学方面的差异，结果显示，与传统水平横连相比，斜形横连组在屈伸状态下提供了更坚固的固定，而在侧弯和轴向旋转状态的固定效果较差。有限元模型与正常生物体还是有一定差距的，前者忽略肌肉组织，对实验结果有一定的影响；其次，有限元分析取得的是瞬时的生物力学数据，忽略内固定疲劳特性。另外从此次研究结果发现在旋转状态下斜形钉尾横连组和交叉钉尾横连组活动度最低，且两组活动度相当，故作者认为斜形钉尾横连组和交叉钉尾横连组具有最强且相似的抗旋转稳定性。而ALIZADEH等[41]采用有限元模型分析比较了交叉横连、斜形横连及水平横连在胸腰椎爆裂骨折后路内固定的生物力学性能，结果发现交叉横连能更好地降低内固定应力集中，在维持脊柱三维屈伸、侧弯及轴向旋转稳定性方面都具有优越性，在脊柱长节段固定尤为明显。这与此次研究结果“斜形钉尾横连组与交叉钉尾横连组生物力学性能相当”不同，其原因作者考虑可能与C1-C2 PSR为短节段固定有关，故交叉横连的优越性可能难以体现。在两组提供稳定性相当的前提下，而斜形的横连安装数目少于交叉横连，故此次研究初步认为斜形钉尾横连内固定组是最优的固定方式。
此次研究的局限性：①样本例数偏少，由于尸体获得的来源有限有关，现在的初步结论需要扩大样本量来验证；②仅测量寰枢椎间活动度，未考虑邻近节段活动度对试验结果的影响；③尸体标本与活体在生物力学检测有差异。
结论：在前屈、后伸状态下，5种钉尾横连组生物力学稳定性相当；但在左右侧屈及左右旋转状态下，斜形钉尾横连和交叉钉尾横连稳定性明显优于上下钉尾横连组；而斜形钉尾横连具备和交叉横连同等的抗旋转稳定性，故值得临床优先推荐。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

新型钉尾横连在后路寰枢椎固定中的生物力学分析

Biomechanical analysis of new horizontal screw-screw crosslink in C1-C2 pedicle screw-rod fixation

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