椎弓根螺钉不同角度偶联的生物力学研究

罗集贤，尹 飞，宋世凯，朱庆三

（吉林大学白求恩第一医院 脊柱外科，吉林 长春 130021）

椎弓根螺钉（Pedicle Screw，PS）置入技术是脊柱外科发展历史上的非常重要里程碑，然而在临床工作中，术者往往为了追求螺钉的平行与对称反复修正进钉方向，更改螺钉的进钉轨道，延长手术时间，增加手术的风险。本实验组已经通过螺钉在钉棒、横联构成的系统中的所受应力的变化进行研究，得出交叉置钉法［1］的螺钉在钉棒、横联偶联后构成的三维立体系统中的所受应力要小于平行置钉法。为了进一步研究模拟腰椎活动后各组螺钉的生物力学变化，设计了一种疲劳试验机，测量经过8小时前屈、后伸疲劳后各螺钉的拔出力，从而检验其松动程度。因此也可以更加真实比较平行置钉法与交叉置钉法的螺钉偶联后的生物力学状态。探讨研究多节段偶联后不同角度置钉的生物力学特点。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 脊柱标本 选取新鲜8个月龄猪完整的猪腰椎L1－L5标本8具，去除标本的软组织并完整的保留其韧带、小关节及关节囊，不损伤其骨质结构，所有标本均经X线检查排除先天性畸形、骨折、骨质疏松和肿瘤等病变。用双层塑料袋包裹后置于－20℃冰柜中保存。实验前将标本在室温下解冻后，分为A组平行置钉法、B组交叉置钉法进行试验。

1.1.2 实验设备 CSS电子万能实验机（CSS—44100生物力学实验机，长春试验材料研究所）；疲劳试验机（自主研制开发）；YJ－25型数字应变仪由上海华东仪器厂生产；C型臂X光机（德国西门子公司生产）；义齿基托树脂Ⅱ型（自凝牙托粉）和义齿基托树脂液剂Ⅱ型（自凝牙托水，化学名聚甲基丙烯酸甲脂，上海新世纪齿科材料有限公司生产）。椎弓根螺钉（直径6.5 mm，长度为45 mm）32枚、连接棒16根、横联器8个及配套安装工具（常州市康宇医疗器械公司）；脊柱外科常规手术工具。

1.2 疲劳实验

将偶联后的椎弓根螺钉标本置于脊柱疲劳实验机上，模拟人体的前屈、后伸，于220 V额定电压下以28次／分钟行前屈、后伸运动8小时，共行13440个循环的疲劳实验，可以最大程度上模拟螺钉松动的受力状态。

1.3 螺钉拔出力实验

将A、B两组每个标本的椎弓根螺钉钉尾部及螺栓夹在CSS电子万能试验机的夹具上，使用万能试验机按螺钉轴线方向行拔出试验，恒定速率以2.0 mm／min。同时使用自动记录仪记录下螺钉拔出距离和加载力的变化曲线，测出最大轴向拔出力。

1.4 统计学处理

2 结果

记录试验数据，平行置钉法与交叉置钉法两种椎弓根螺钉置入方法最大拔出力（见表1），检验结果显示两组之间的差异均无统计学意义，表明A组平行置钉法与B组交叉置钉法各经过8小时疲劳试验后，两组之间椎弓根螺钉的最大拔出力无明显改变。

表1 不同SSA角度时最大拔出力的比较（±s）左上最大拔出力（KN）左下最大拔出力（KN）右上最大拔出力（KN）右下最大拔出力（KN）A 组 2.799±0.876 2.497±1.320 2.366±0.739 2.484±0.975 B组 2.805±0.187 2.844±0.413 2.814±0.198 3.098±0.729

3 讨论

很多关于椎弓根螺钉的体外实验都是在单一椎体上进行的测试，然而在实际临床工作中，大多数置入椎弓根螺钉的手术都是两个椎体、三个椎体甚至是多个椎体的。通过纵向的连接杆、横联等装置将各个螺钉联合到一起，从而达到三维立体的固定。本实验通过疲劳螺钉、连杆、横联三者构成多节段的三维立体系统固定，充分模拟螺钉、连杆、横联所构成的三维立体系统在人体内的疲劳运动，而目前国内及国际上关于椎弓根螺钉内固定疲劳试验的方法及仪器各不相同［2］，椎弓根螺钉内固定疲劳试验是模拟内固定器械在人体内受脊柱三维六度周期性负荷作用下的生物力学的生物力学疲劳变化规律，仪器测试要求较复杂。目前没有规范的标准。本研究组自主研制开发的疲劳试验机，可以最大限度的模拟人体在正常活动中的前驱、后伸等运动。由于连杆和横联的应用，螺钉与连杆及横联，三者之间形成三维立体的坚强固定系统。因此螺钉无论从任何方向受力时，通过钉棒与横联形成的多节段固定系统，可以使螺钉所受应力向系统的其他部分传递，不仅增加了螺钉固定的稳定性还减小了螺钉所受的应力。所以多节段固定系统的椎弓根螺钉所受的应力要小于单一椎体，而多节段螺钉固定的强度不只是单一椎体固定强度的简单相加。通过本实验发现交叉置钉法的椎弓根螺钉增加了与椎弓根四壁皮质骨的啮合程度，更增多了骨与螺钉界面的皮质骨［3－7］。在椎体内形成一个“三角稳定效应（triangle stable effect）”［8］。因此当一个椎体内的两枚椎弓根螺钉不平行、对称通过钉棒系统连接时，置入椎弓根螺钉时在同一椎体内的两枚螺钉适当的增大或减小其与终板成角，所形成的“斜钉效应（toe－naill effect）”［9］不但增加了螺钉的抗拔出强度，减小螺钉所受应力，而且增加了生物力学的稳定性。

本试验组通过偶联椎弓根螺钉的疲劳实验及偶联椎弓根螺钉的拔除力实验。两个方面系统的进行研究后，发现平行置钉法与交叉置钉法在疲劳试验后的生物力学无明显差异。进一步认证了在置钉过程中可以不必追求螺钉的平行与对称。遂在临床手术中无需反复修正进钉方向，更改、翻修螺钉进钉轨道。进而减少手术时间，降低手术风险。

［1］宋世凯，尹 飞，罗集贤，等.椎弓根螺钉平行置钉法和交叉置钉法的应力比较［J］.中国实验诊断学，2012，16（04）：706.

［2］韦酋亨，朱青安.椎弓根螺钉内固定疲劳生物力学研究进展［J］.中国临床解剖学杂志，1999，17（2）：186.

［3］史可强，雷云霞，王海奎，等.不同矢状角度置入椎弓根螺钉的拔钉生物力学研究［J］.中国骨与关节损伤杂志，2009，24（4）：311.

［4］李 斌，潘粉丽，常崇旺.椎弓根螺钉抗拔出强度的生物力学测试［J］.现代生物医学进展，2009，l.（3）：520.

［5］陈 群，金正帅，曹晓健，等.不同外倾角的脊柱椎弓根螺钉内固定效果的生物力学评价［J］.河北医学，2005，（05）：433.

［6］段洪斌.不同水平角度置入椎弓根螺钉的拔钉生物力学研究［D］.吉林大学，2005.

［7］李 兵，李世德.椎弓根螺钉植入方法的研究进展［J］.中国矫形外科杂志，2002，9（1）：61.

［8］徐宝山，唐天驷，杨惠林.经后路短节段椎弓根内固定治疗胸腰椎爆裂骨折的远期疗效［J］.中华骨科杂志，2003，22：641.

［9］Krag MH，Beynnon BD，Pope MH，et al.An internal fixation for posterior application to short segments of the thoracic，lumbar or lumbosacral spine：design and testing［J］.Clin Orthop，1986，203：75.