2.1  各组颈椎标本椎弓根螺钉后路固定融合器融合前、后应变电测量结果  见表2，3。各组颈椎标本椎弓根螺钉后路固定融合器融合前压缩应变电测量结果表明，骨笼融合组1-6号测点应变值与钛网融合组、PEEK融合组差异无显著性意义(P > 0.05)。

各组颈椎标本椎弓根螺钉后路固定融合器融合后压缩应变电测量结果表明，骨笼融合组1-6号测点应变值大于PEEK融合组，差异有显著性意义(P < 0.05)。PEEK融合组1-6号测点应变值大于钛网融合组，差异有显著性意义(P < 0.05)。最大应变发生在骨笼融合组4号测点，应变为(-115.5±1.73) με；最小应变发生在钛网融合组6号测点，应变为(-65.6±2.4) με。

2.2  各组颈椎标本椎弓根螺钉后路固定融合器融合前、后压缩应力计算结果  见表4，5。

创伤、肿瘤、退行性改变等将会造成颈椎不稳，内固定是重建颈椎稳定的主要方法^[1]。学者们对以各种内固定器械治疗颈椎退变等进行了大量的研究^[2-19]，ARAMOMI等^[20]对9例脊髓损伤型颈椎病患者行次全切除2节段椎体手术，后路以椎弓根螺钉固定，在椎间植入自体腓骨，24个月后随访9例患者均达到骨性融合，平均融合时间为12.3 个月，以日本骨科协会评分对患者脊髓损伤的改善情况进行评估，结果表明患者日本骨科协会评分由融合术前的 9.4分提高到14.0分，脊髓损伤恢复率为64.4%。PARKER等^[21]研究发现，椎弓根钉内固定系统通过伸展和撑开纤维环后部、后纵韧带，使植入椎体间的骨块起到一定的减压和间接复位作用，螺钉通过椎弓根自后柱到达前柱，为支撑椎体提供了保证，对恢复椎体的稳定起到了重要的作用。

近年来，临床以椎体间植骨、置入生物融合器、钛网融合器附加椎弓根钉系统等固定，脊柱手术的融合率得到了提高，但融合后会引起相邻节段退变^[22]。随着生物力学的发展，以生物力学指标来评价脊柱内固定器械的固定效果是必然的^[23]。关于颈椎的生物力学研究，JONE等^[24]研究发现，侧块螺钉内固定后的拔出力远远小于椎弓根螺钉内固定后的拔出力，椎弓根螺钉内固定后能有效降低螺钉松动、减少颈椎屈曲畸形等的发生。丁志国^[25]体外模拟C_4/5退变植骨融合后分别对Orion钢板、X形钢板、H形钢板、X形中间开孔钢板、工字形钢板内固定后颈椎的稳定性进行了分析，在万能试验机上对各组标本分别施加150 N载荷，测量标本在压缩、左侧弯、前屈、右侧弯状态下的位移数据，结果表明X形钢板固定组在压缩、左侧弯、前屈、右侧弯状态下的位移均小于工字形钢板固定组、Orion钢板固定组、X形中间开孔钢板固定组及H形钢板固定组，差异有显著性意义(P < 0.05)，得出了模拟C_4/5颈椎退变以X形钢板固定后的稳定性优于H形钢板、X形中间开孔钢板、工字形钢板的结论。王焰等^[26]研究发现，椎间盘摘除、小关节突切除后轴向刚度比正常脊柱标本降低44%；椎间盘摘除结合小关节突切除后单侧附加椎弓根螺钉固定，其轴向刚度比正常脊柱标本提高52%；椎间盘摘除集合小关节突切除后双侧附加椎弓根螺钉内固定，其轴向刚度比正常脊柱标本提高65%。以往颈椎的生物力学实验多以研究颈椎承受压缩、前屈、后伸、左侧弯、右侧弯时的位移大小，扭转时的扭转角度大小居多^[20-23]，体外模拟C_5/6椎间盘摘除椎弓根螺钉后路固定分别以骨笼、PEEK、钛网3种椎间融合器融合即刻的应变电测量罕见报道。作者推断认为，模拟C_5/6椎间盘摘除椎弓根螺钉后路固定，分别以PEEK、骨笼、钛网3种融合器融合后应力、应变会发生不同的变化，应力对固定和融合部位椎体、相邻节段椎体的影响不同，但必须通过实验来验证。鉴于此，文章体外模拟猪颈椎C_5/6椎间盘摘除椎弓根螺钉后路固定，分别于3种椎间融合器融合后即刻进行应变电测量，以应力、应变指标评估C_5/6椎间盘摘除椎弓根螺钉后路固定时不同椎间融合器融合的效果。

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

1.1  设计  体外模拟实验。

1.2  时间及地点  于2018年6月至2019年1月在吉林大学力学实验室完成。

1.3  材料

1.3.1  实验用猪颈椎标本  18个猪颈椎C₁-C₇标本取自雌性3月龄同种猪，购于石家庄市肉联有限公司，生产许可证号：SCXK-(冀)：2003-0004。将猪麻醉处死后立刻取下 C₁-C₇颈椎标本，以浸湿后的纱布包裹猪颈椎标本，之后将标本装在塑料袋里存放于-30 ℃冰箱内。

1.3.2  PEEK融合器、钛网融合器、骨笼融合器  见图1及表1。

1.3.3  椎弓根螺钉钉棒系统  见图2及表1。

1.4  方法

1.4.1  C₁-C₇颈椎标本的加工与分组  实验前取出C₁-C₇颈椎标本，自然解冻后对每个标本拍摄X射线平片，确认颈椎标本无先天性畸形、肿瘤、骨折等后，以刮勺、手术刀清理每个颈椎标本残存的肌肉，保留小关节、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、前纵韧带。以上海量具刃具有限公司生产的精度为0.01 mm的游标卡尺测量颈椎标本的直径为27.2-27.6 mm，长度为122.6-123.8 mm。为了使标本两端保持平整，将配制好的上海新世纪齿科材料厂生产的义齿基托聚合物和义齿基托树脂液置于模具中，之后将颈椎标本下端放入模具中进行包埋固定，完成下端包埋固定后，再将颈椎标本的上端放入模具中进行包埋固定。18个颈椎标本按随机数字表法分为3组，分别为骨笼融合组、PEEK融合组及钛网融合组(n=6)。各组均模拟C_5/6椎间盘摘除、椎弓根螺钉后路固定，之后分别应用不同融合器进行椎间融合。

1.4.2  各组颈椎标本椎弓根螺钉后路固定融合器融合前应变电测量测点的确定  由于颈椎C_5/6椎弓根螺钉4个螺钉进入点为应力集中部位，确定椎弓根螺钉4个螺钉进入点底部为测点。均选择各组标本螺钉孔边缘外下方(椎弓根外侧壁下方)作为测点，确定椎弓根螺钉右侧上边螺钉进入部位对应的椎弓根外侧壁下方为1号测点、下边螺钉进入部位对应的椎弓根外侧壁下方为2号测点、椎弓根螺钉左侧上边螺钉进入部位对应的椎弓根外侧下方为3号测点，其下边螺钉进入部位对应的椎弓根外侧壁下方为4号测点。由于椎间融合器置入C_5/6椎间隙后，与C_5/6椎间盘相邻的C₅和C₆椎体边缘受到的应力大，所以该两测点为应力集中部位，由于与C_5/6椎间盘相邻的C₅椎体下边缘和C₆椎体上边缘两端对称，在外力作用下两端受力相同，所以只选择C_5/6椎间隙与C₆椎体相邻部位上边缘为5号测点，而没有选择C₅椎体下边缘为测点。之后确定置入C_5/6椎间融合器后与之相邻的椎体为测点，由既往预实验和受力分析可知，由于C_5/6相邻的C₇椎体截面积比C_5/6相邻的C₄椎体截面积大，在外力作用下C_5/6相邻的C₇椎体比C_5/6相邻的C₄椎体承受的应力大，所以确定与C_5/6相邻的C₇椎体上边缘为6号测点，而没有选择C₄椎体下边缘为测点。颈椎标本椎弓根螺钉后路固定融合器融合前应变电测量测点图见图3。

1.4.3  各组颈椎标本椎弓根螺钉后路固定融合器融合前各测点电阻应变片粘贴  用砂纸分别将各组颈椎标本粘贴电阻应变片部位磨平，用乙醇反复清洗电阻应变片贴片部位，之后以丙酮反复进行清洗，清洗干净后以北京化工有限公司 生产的502强力快干胶水在颈椎标本各测点部位分别粘贴1枚阻值为(122.0±0.1)Ω、灵敏系数为2.00、标距为1.5 mm×1.5 mm的泊式胶基电阻应变片(陕西汉中521厂生产)。

1.4.4  各组颈椎标本椎弓根螺钉后路固定融合器融合前压缩应变电测量  把颈椎标本安放在试验机压缩平台上，按参考文献[27]的方法分别对各组标本预调处理后进行应变电测量。实验环境温度为24-25 ℃，以半桥连接的方式将颈椎标本各测点应变片的导线连接到济南西格马科技有限公司生产的ASMB-8型静态电阻应变仪的桥臂上，温度补偿方式为外补偿。以1.5 mm/min的载荷增加速度对颈椎标本施加200 N压缩载荷，通过仪器测出颈椎标本各测点的应变值。椎弓根螺钉后路固定融合器融合前压缩应变电测量实验照片见图4。

1.4.5  各组颈椎标本融合模型的制作  C_5/6椎间盘摘除椎弓根螺钉后路固定融合器融合前各组标本应变电测量完成后，去掉颈椎标本上的导线和应变片，模拟颈椎后路C_5/6椎间盘摘除减压，分别在C_5/6椎体两侧椎弓根螺钉进钉点以尖锥将皮质骨破开，以开路锥开路，之后分别在4个进钉点各拧入1枚椎弓根螺钉；之后用手术刀切掉C₅椎板下缘和C₆椎板上缘，然后将脊髓拉开，将后纵韧带、纤维环切开，用空心方头铰刀将椎间盘组织切掉，以刮匙清出残存的椎髓核等，以生理盐水冲洗干净。骨笼融合组、PEEK融合组及钛网融合组分别于C_5/6椎间置入异种骨骨笼、PEEK及 钛网。

1.4.6  各组颈椎标本椎弓根螺钉后路固定融合器融合后各测点电阻应变片粘贴  分别在各组标本的6个电阻应变片贴片部位(与融合前各组标本贴片部位相同)各粘贴1枚阻值为(122.0±0.1)Ω、灵敏系数为2.00、标距为1.5 mm×1.5 mm的泊式胶基电阻应变片。

1.4.7  各组颈椎标本椎弓根螺钉后路固定融合器融合后压缩应变电测量  融合后各组应变电测量使用的实验装置、仪器、加载速度、电阻应变片导线连接方式、接桥方式、电阻应变片温度补偿方式等与融合前应变电测量相同。分别把每个标本安放在电子万能试验机的压缩平台上，对标本施加200 N载荷，通过静态电阻应变仪测量各测点的应变值。各组颈椎标本压缩状态下应变电测量照片见图5。

1.4.8  颈椎标本应变电测量应力计算  颈椎标本应变电测量应力计算公式如下：

σ = E⋅ε^[28]

式中E为弹性模量、ε为应变、σ为应力。

此次实验以彭传刚^[29]测得的猪脊柱标本弹性模量值19.2 GPa计算各组标本的应力值。

1.5  主要观察指标  测量各组标本1-6号测点的应变值，并计算应力值。

1.6  统计学分析  采用SPSS 16.0(Chicago，ILUSA)对实验数据进行统计分析，组间数据差异的比较采用单因素方差分析法和Sceffe法配对t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

椎弓根螺钉进钉部位底部1-4测点应变电测量结果表明，最大应变和最大应力发生在骨笼融合组的4号测点，应变为(-115.5±1.73) με，应力为(-2.22±0.03) MPa，应力比融合前增加了0.8 MPa，钛网融合组最大应力为1.73 MPa，应力比融合前增加了0.32 MPa，PEEK融合组最大应力为 1.89 MPa，比融合前增加了0.47 MPa。与C_5/6椎间盘相邻椎体边缘的5号测点测量结果表明，骨笼融合组融合后应力比融合前增加了0.51 MPa、PEEK融合组融合后应力比融合前增加了0.33 MPa、钛网融合组融合后应力比融合前增加了0.14 MPa。钛网融合组的应力显著小于PEEK融合组和PEEK融合组。与C_5/6椎体相邻节段椎体6号测点测量结果表明，骨笼融合组融合后应力比融合前增加了0.42 MPa、PEEK融合组融合后应力比融合前增加了0.24 MPa、钛网融合组融合后应力比融合前增加0.11 MPa。骨笼融合组应力显著大于PEEK融合组、钛网融合组。这些结果为C_5/6椎间盘摘除椎弓根螺钉后路固定椎间置入不同的融合器后，在压缩载荷作用下椎弓根钉固定部位椎体底部、椎间盘相邻椎体的应力、C_5/6椎体邻近节段椎体应变发生不同变化和C_5/6椎体邻近节段退变的原因提供了生物力学依据。

双侧附加椎弓根螺钉后路固定椎间融合器融合是后路椎间融合的金标准^[30]，但融合器融合后对相邻节段退变的影响越来越受到关注。RAO等^[31]对锥形笼椎间融合器融合术后相邻节段的生物力学变化进行了研究，结果表明在外力作用下，置入融合器后发生相邻节段的退变可达5%-45%。ROBERTSON等^[32]研究结果表明，椎间融合器融合24个月时相邻节段就出现明显的退行性改变，认为这种改变不是自然形成的，而是由于置入融合器后引起的。此次实验结果支持由于置入融合器后引起相邻节段退变的观点。无论是置入哪种椎间融合器，融合器置入椎间后在载荷作用下，椎体骨的骨密度、骨组织形态均发生了改变^[29]，因此打乱了融合器融合部位椎体、邻近节段椎体的平衡关系，使应力、应变重新分配，融合器融合部位椎体和相邻节段椎体产生应力集中，这是造成相邻节段椎体退变的重要因素。KIM等^[33]对于融合节段刚度对融合节段和相邻节段应力的影响进行了生物力学分析，得出了固定节段刚度不同对邻近节段的应力影响不同的结论。此次实验结果显示，模拟猪颈椎C_5/6退变椎弓根螺钉后路固定分别以PEEK、钛网、骨笼融合即刻，各组标本固定和融合部位椎体、相邻节段椎体同一测点应力大小不同，以骨笼融合组的应力最大、PEEK融合组次之，钛网融合组的应力最小。此次实验结果与KIM等^[33]的研究结果表现出良好的一致性。颈椎间盘摘除双侧附加椎弓根螺钉后路固定椎间融合选择融合器很重要，选择弹性模量低、刚度好的椎间融合器融合可减轻应力对相邻节段造成的影响。

此次实验得出以下结论：体外模拟C_5/6椎间盘摘除，椎弓根螺钉后路固定，置入不同的融合器后应力、应变发生了不同的变化，选择合适的椎间融合器进行融合可降低应力对邻近节段产生的影响。在压缩载荷作用下，模拟C_5/6椎间盘摘除后路椎弓根螺钉固定分别以PEEK、骨笼、钛网3种融合器融合后产生的应力集中大小不同，应力集中对固定和融合部位、对相邻节段的影响不同，与所期望的结果相符。

钛网融合器是一种全新的植骨融合方式，钛网结构为圆柱形，中间空着，呈椭圆形截面，有利于适应颈段脊柱的生理曲度，钛网裁剪以后两端为锯齿形状对置入减压槽有利，可避免产生位移；钛网融合器应用于颈椎椎体间融合术，可避免植骨和取骨并发症的发生，钛网融合器置入椎体间可使骨壁减压槽充分融合，添加到钛网的碎骨有利于促进骨性融合和融合术后的稳定性^[34-35]。目前PEEK融合器也广泛应用于脊柱外科临床，赵勃然等^[36]研究表明，PEEK和人体具有较好的相容性，融合器形状的设计合理，临床应用融合率较高。各种椎体间融合器各有利弊，都需要通过临床应用发现问题，不断地改进和完善。

限于实验标本有限，此次实验仅在压缩状态下进行了体外模拟C_5/6椎间盘摘除椎弓根螺钉后路固定，椎间分别在骨笼、PEEK、钛网融合后即刻进行了应变电测量，没有进行在其他受力状态下的应变电测量，具有一定的局限性，有待于今后进一步研究。

由于实验颈椎标本的个体差异性及数量有限，致颈椎标本的应变电测量数据有一定的离散，但是对于临床选用合适的椎体间融合器以及新型融合器设计具有一定参考价值。

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文题释义：
生物力学：是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。其研究范围从生物整体到系统、器官生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。
应变电测法：基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变-应力关系确定构件表面应力状态。这种方法是将电阻应变片粘贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压(或电流)的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压(或电流)的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。

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