腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统的生物力学特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2653

中国组织工程研究 ›› 2020, Vol. 24 ›› Issue (18): 2789-2793.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2653

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腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统的生物力学特征

易国良，宋西正，舒小林

南华大学附属第一医院骨科，湖南省衡阳市 421001

收稿日期:2019-11-01 修回日期:2019-11-12 接受日期:2019-12-19 出版日期:2020-06-28 发布日期:2020-04-02
通讯作者: 舒小林，硕士，医师，南华大学附属第一医院骨科，湖南省衡阳市 421001
作者简介:易国良，男，1985年生，湖南省岳阳市人，汉族，南华大学毕业，硕士，主治医师，主要从事关节骨科、脊柱矫形方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(81272055)

Biomechanical characteristics of lumbosacral vertebra with unidirectional axial fusion fixation system

Yi Guoliang, Song Xizheng, Shu Xiaolin

Department of Orthopedics, The First Affiliated Hospital of University of South China, Hengyang 421001, Hunan Province, China

Received:2019-11-01 Revised:2019-11-12 Accepted:2019-12-19 Online:2020-06-28 Published:2020-04-02
Contact: Shu Xiaolin, Master, Physician, Department of Orthopedics, The First Affiliated Hospital of University of South China, Hengyang 421001, Hunan Province, China
About author:Yi Guoliang, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, The First Affiliated Hospital of University of South China, Hengyang 421001, Hunan Province, China
Supported by:
the General Program of National Natural Science Foundation of China, No. 81272055

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

经骶前间隙腰骶椎轴向融合(AxiaLIF)：该术式是经直肠后壁和骶前间隙入路，将螺钉轴向放置在腰骶椎，从而完成L₅/S₁融合。该术式具有创伤小、微创操作、保留脊柱后柱结构完整性等优点，但抗旋转能力差；

腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统：主要由中空轴向螺钉、2枚带刺内锁螺钉及特殊置钉器组成，是具有微创操作、固定牢靠、良好抗旋转能力的内固定系统。

背景：探寻一种微创操作、固定牢靠、具有良好抗旋转能力的新技术对于治疗腰骶椎退行性疾病具有十分重要的临床意义。

目的：观察腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统治疗腰骶椎失稳的生物力学特征，为其临床应用提供理论依据。

方法：选取6具新鲜成人腰骶椎尸体标本，截取腰骶椎运动节段(L₃-S₅)，分为以下5组：结构完整的正常组、双侧峡部裂组、双侧峡部裂+带刺轴向融合内固定组(A组)、双侧峡部裂+单纯中轴螺钉固定组(B组)、双侧峡部裂+单纯中轴螺钉固定+双侧椎弓根螺钉固定组(C组)。比较不同内固定方式中L₅/S₁节段屈伸、侧弯、旋转的三维运动范围及轴向抗压能力。

结果与结论：①在不同方向的运动下，A、B、C组固定方式的稳定性均优于正常组与双侧峡部裂组，差异有显著性意义(P < 0.05)；②在前屈、后伸、左右侧屈方向，A、B、C组3种内固定方式组间差异无显著性意义(P > 0.05)；③而在左右旋转方向上， A组旋转运动的三维运动范围显著小于B组，且A组与C组比较差异无显著性意义(P > 0.05)；④结果表明，腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统具有良好的生物力学稳定性，抗旋转能力强，有望应用于临床。

ORCID: 0000-0002-1032-2834(易国良)

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: 单向带刺, 轴向融合, 腰骶椎疾患, 内固定, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: It is very important to apply a new technique of minimally invasive, firm fixation and antirotation in the treatment of lumbosacral degenerative diseases.

OBJECTIVE: To provide theoretical basis for clinical application by biomechanical study on the treatment of lumbosacral vertebra instability with unidirectional axial fusion internal fixation system.

METHODS: Six fresh adult lumbosacral specimens were selected, and the lumbosacral motion segments (L₃-S₅) were intercepted and divided into the following five groups: The intact normal control group (N group), bilateral isthmus fissure group (UN group), bilateral isthmus fissure + spur axial fusion internal fixation group (A group), bilateral isthmus fissure + axial screw fixation group (B group), bilateral spondylolysis + axial screw fixation alone + pedicle screw fixation on both sides group (C group). The three-dimensional motion range of flexion, lateral bending and rotation of segment L₅/S₁ in each group of internal fixation was compared with the axial compression resistance.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The stability of fixed mode in A, B and C groups was better than that in the N group and the UN group under different directions of motion, and there were statistically significant differences between the groups (P < 0.05). (2) There was no significant difference in the anterior flexion, posterior flexion and lateral flexion between A, B and C groups (P > 0.05). (3) In the left and right direction of rotation, the three-dimensional motion range of rotation in the A group was significantly reduced compared with that in the B group, and there was no significant difference between A group and C group (P > 0.05). (4) The lumbosacral vertebra unidirectional axial fusion internal fixation system has good biomechanical stability and strong anti-rotation ability, and is expected to be used in clinic.

Key words: unidirectional spur, axial fusion, lumbosacral vertebra diseases, internal fixation, biomechanics

中图分类号:

易国良, 宋西正, 舒小林. 腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(18): 2789-2793.

Yi Guoliang, Song Xizheng, Shu Xiaolin. Biomechanical characteristics of lumbosacral vertebra with unidirectional axial fusion fixation system[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2020, 24(18): 2789-2793.

图/表（结果） 2

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引言

材料方法

1.1 设计解剖学水平的生物力学实验。

1.2 时间及地点于2017年7月至2018年2月在南方医科大学生物力学实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 脊椎标本实验选用6具新鲜成年国人脊柱标本，男3具，女3具，年龄45-65岁，均由南华大学解剖学系提供，截取腰骶段(L₃-S₅)进行实验。

1.3.2 腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统主要由中空轴向螺钉、2枚带刺内锁螺钉及特殊置钉器组成。特殊置钉器包括L₅/S₁中空轴向固定螺钉置入器、L₅内锁螺钉置入器、S₁内锁螺钉置入器及内锁螺帽。主要操作步骤如下：①将L₅/S₁中空轴向固定螺钉与轴向螺钉连接固定；②将手柄插入并固定在L₅/S₁中空轴向固定螺钉置入器上，并将轴向螺钉置于腰骶椎体内；③取出手柄并使用特殊的内锁置钉装置，分别置入L₅、S₁椎带刺内锁螺钉，然后置入2枚内锁螺帽对其进行加压锁定，取出L₅/S₁中空轴向固定螺钉置入器；④各标本经L₅/S₁带刺内锁轴向固定后，均逐一进行X射线及CT扫描，以确保轴向螺钉及带刺内锁钉位置是否良好。实验中带刺内锁螺钉的锁定位置是对椎体中轴进行锁定，见图1。植入物介绍见表1。

1.4 方法

1.4.1 标本的处理及生物力学模型建立截取成人脊柱标本腰骶段(L₃-S₅)并将其分为以下5组：结构完整的正常组、双侧峡部裂组、双侧峡部裂+带刺轴向融合内固定组(A组)、双侧峡部裂+单纯中轴螺钉固定(B组)、双侧峡部裂+单纯中轴螺钉固定+双侧椎弓根螺钉固定(C组)。经大体观察及X射线检查排除腰骶尾椎的先天性变异、退变、失稳等疾患，骨质疏松症也可通过骨密度检查排除。在实验前将每个样品浸入甲醛溶液中24 h，然后用双塑料袋密封并储存在-20 ℃的冰箱中。在制备样品之前，样品在室温(12-18 h)下自然解冻。切除椎旁肌肉等软组织，保留所有韧带、椎间盘、小关节囊和骨结构，确认其完整性以减少实验误差，测试过程中同样确认其完整性，若出现断裂则需更换尸体标本。

通过骨刀凿断L₅椎体双侧峡部从而制备双侧峡部裂标本。修整标本两端，选择S₁中下部作为轴向螺钉的入口点，沿L₅和S₁椎体中心轴放置克氏针，克氏针的尾端用直径约20 mm的圆柱形橡胶泥固定，以保留轴向螺钉置入的通道。用牙膏粉将标本包埋至L₃椎体的上2/3，标本下端包埋至 S₂椎体上缘，预留出空间确保能完成L₅/S₁的生物力学测试，在脊柱标本的两端放置3-6根普通钢钉，再用牙膏粉将标本包埋以提高固定效果(钢筋混凝土效果)。在包埋过程中需保持脊柱的生理弯曲，并保证上下端包埋时应保持平行。

1.4.2 标本的生物力学测试实验生物力学测试在南方医科大学生物力学实验室进行。

实验步骤如下：①将标本固定于三维运动实验机测试平台上，分别施加屈伸、侧屈及旋转6种运动形式的纯力偶矩，最大载荷限制为10 N/m。②在L₅、S₁上各放置一个标记，每个标记上有4个红外线标记，通过光学跟踪三维运动测量系统采集红外线标记的轨迹，以计算L_5/S₁段的运动范围。在实验过程中，适当地用生理盐水喷洒标本表面以保持其湿润，室温保持在20-25 ℃。加载和卸载循环在每次试验中重复3次。利用第3周期的试验数据对试验数据进行处理和分析。

实验顺序为正常组、双侧峡部裂组、A组、B组和C组。将所得数据记录总结并分析。生物力学测试完后将内固定组拍摄正侧位X射线片。

1.5 主要观察指标统计每组内固定方式中L₅/S₁节段的屈伸、侧弯及旋转三维运动范围及轴向抗压能力。

1.6 统计学分析实验所得数据用x(_)±s表示，选用SPSS 19.0软件对实验数据进行统计分析，采用单因素方差分析进行不同组别的两两比较，P < 0.05表示差异有显著性意义，各组在有无轴向跟随力时屈伸的三维运动范围比较采用配对t 检验，P < 0.05表示差异有显著性意义。

讨论

3.1 腰骶椎螺钉固定的生物力学研究目前腰骶椎内固定系统的研究逐渐成为热点，但大部分是临床相关研究^[15-16]，生物力学相关研究较少。ERKAN等^[17]通过生物力学测试指出，在L₅/S₁上单独使用AxiaLIF时抗屈伸方向的稳定性稍差，但在正常载荷下可以为固定节段提供良好的生物力学稳定性。ÖZALP等^[18]通过山羊模型比较了经皮腰骶椎轴向融合、L₅/S₁后路椎弓根螺钉固定和L₅/S₁后路椎弓根螺钉固定+椎间融合3种固定系统在屈伸和旋转两个运动方向的稳定性，结果表明在在屈伸方向上，3组差异无显著性意义，而在抗旋转稳定方向上，经皮腰骶椎轴向融合要明显弱于两种后路内固定。

总结并分析此次生物力学测试数据，A组屈伸运动活动均明显低于正常组、双侧峡部裂组及B组，差异有显著性意义(P < 0.05)；A组屈伸运动的三维运动范围比C组大，差异无显著性意义(P > 0.05)。因此从该运动方向所得数据中可知，带刺轴向融合内固定在抗屈伸运动方向生物力学稳定性与单纯中轴螺钉固定联合双侧椎弓根螺钉固定，可以满足人体正常的生理活动需要。

在侧弯运动方向的生物力学测试中，A组侧弯运动的三维运动范围值显著低于双侧峡部裂组及正常组，差异有显著性意义(P < 0.05)；A组与其他2组器械固定方式进行对比，差异无显著性意义(P > 0.05)。结果表明，腰骶椎峡部裂后，带刺轴向融合内固定能提高腰骶椎抗侧弯稳定性，其效果与单纯中轴螺钉固定、单纯中轴螺钉固定联合双侧椎弓根螺钉固定效果相似。

在旋转运动方向的生物力学测试中，B组与正常组旋转的三维运动范围值差异无显著性意义(P > 0.05)；A组、C组的三维运动范围值显著低于正常组、双侧峡部裂组及B组，差异有显著性意义(P < 0.05)，提示带刺轴向融合内固定可较单纯中轴螺钉固定提供更好的抗旋转稳定性。A组行轴向锁定后的右旋运动三维运动范围与左旋运动活动度差异无显著性意义(P > 0.05)。结果表明，轴向锁定后都提供左右侧抗旋转稳定性，其单独与C组相比差异无显著性意义(P > 0.05)，阐明A组轴向锁定后与C组的三柱锁定具有相同的抗旋转稳定性，而前者因较低的手术难度、手术时间、手术费用，理论上更具临床应用价值。

3.2 腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统的优势双侧后路椎弓根螺钉系统一直被认为是治疗腰骶部疾病的首选手术方式。单节段经皮融合术需要4根椎弓根螺钉和2根金属棒，螺钉的数目相对于融合节段的数量成比例增加。尽管椎弓根螺钉系统具有沿脊柱三柱固定的优势，但也有较高并发症，如出血量大、肌肉剥离广泛、手术时间长等^[19]。与后路腰椎间融合术相比，AxiaLIF不损伤前、后纵韧带，最大限度地保留了正常组织，为L₅/S₁甚至L₄/L₅节的椎间融合提供了一种安全有效的方法^[20-24]。作者所在团队研究并提出的腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统结合了AxiaLIF微创的优点，同时又弥补了其抗旋转稳定性弱的缺点，达到了理想脊柱内固定器材的要求^[25-26]。其优势归纳如下：①带刺轴向固定锁定经轴向通道一步完成固定节段的前中柱的抗轴向旋转锁定，其操作简便，无体外繁锁操作瞄准器；②无体外经皮、椎弓根、椎体内穿刺，降低脊柱后面肌肉，血管，神经等受伤的风险；③避免了肥胖的差异，解决了肥胖患者锁定时瞄准线长、偏差大、操作困难的难题，从理论上来说轴向带刺内锁螺钉在临床应用是简便可行的。

与此次研究相似，2014年AGHAYEV等^[28]学者也曾研制出了一套新型微创经椎间盘螺钉系统来治疗L₄-S₁节段不稳等疾病，并对其进行了生物力学研究，研究数据显示，与双侧椎弓根螺钉系统相比，两者在屈伸、侧弯和旋转运动上表现出类似的生物力学性能。与此次研究相比，AGHAYEV等^[27]研究出的新型微创经椎间盘螺钉系统需做左右两侧双切口，且进钉为斜行进钉，操作需瞄准器，过程较繁琐，精准度难以把握；而腰骶椎单向带刺轴向融合系统只需在臀区靠近尾骨做一横切口，与AxiaLIF常规的纵切口不同，横切口可减少术后坐位时伤口裂开的发生率^[28]。同时，此次研究课题的内固定系统操作方便，操作工具简单，器械成本低，无需瞄准器，能显著减少手术时间，降低住院费用，促进术后快速康复。

3.3 存在的不足腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统的缺陷：①该系统目前只能治疗L₅/S₁单节段不稳的疾病，如何研制出长节段的固定系统还需进一步研究；②置入椎体内的刺片对松质骨的破坏是否会影响脊柱前中柱的生物力学稳定性还需进一步研究。但作者所在团队前期已进行了有限元分析^[29]，腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统在极限载荷下有可靠的安全性和生物力学稳定性，其为此次实验生物力学测试奠定了基础。

总而言之，此次研究的生物力学分析显示，腰骶椎单向带刺轴向融合内固定系统对失稳节段的脊柱在抗前后屈伸、左右侧弯、轴向旋转及抗轴向压缩均能提供良好的生物力学稳定性，且创伤小，操作简单，实用性强，为临床上进行腰骶椎融合固定提供了一种新方法和理论依据。

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

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