比格犬颈前路涂层螺钉的生物力学稳定性研究

吴晓东，敖海勇，郑学斌，王 聪，谭红略，陈华江，王新伟，陈元元，季 珩，谢有桃，袁 文

比格犬颈前路涂层螺钉的生物力学稳定性研究

吴晓东，敖海勇，郑学斌，王 聪，谭红略，陈华江，王新伟，陈元元，季 珩，谢有桃，袁 文

目的 了解钛涂层、羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）涂层和钛+HA复合涂层螺钉置入体内后早期的生物力学稳定性。方法 选取成年比格犬32只平均分为4组：普通螺钉对照组（对照组）、HA涂层螺钉组（HA组）、钛涂层螺钉组（钛组）、钛+HA复合涂层螺钉组（复合组）。每组4只用该组相应螺钉固定于C2～7作为无应力螺钉测试组（无应力组），共测试32枚螺钉，其中16枚螺钉作旋出扭矩测试，16枚螺钉作拔出力测试。记录旋出扭矩峰值、拔出力峰值和拔出能量。每组另4只作C4/C5椎间融合后采用该组螺钉+钛板固定于C4，5椎体上作为应力螺钉测试组（应力组）。每组16枚螺钉作抗拔出力测试。记录螺钉的拔出力峰值和拔出能量。结果 在应力及非应力条件下，各组螺钉旋出扭矩峰值、拔出力峰值、断裂能量比较，HA组＞复合组＞钛组＞对照组。结论 螺钉表面涂层能提高螺钉—骨组织界面的结合力。HA涂层螺钉的生物力学稳定性最好，钛涂层+HA复合涂层其次，提示HA的生物活性在置入早期可能对螺钉的生物力学稳定性起重要作用。

狗；骨钉；生物力学；动物，实验

螺钉的生物力学稳定性对脊柱内固定手术的成 功至关重要。对螺钉表面进行涂层可以增加螺钉—骨组织界面的结合力，防止术后出现螺钉松动、脱出等并发症。真空等离子体喷涂技术可在不规则的螺钉表面制备钛涂层、羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）涂层及钛+HA复合涂层（在钛涂层表面再喷涂一层HA涂层）。

HA具有良好的骨诱导性和骨传导性［1］，具有提高骨整合、改善内置物—骨界面力学强度的作用［2］。钛涂层具有良好的机械性能，其表面的粗糙多孔结构可增加与骨组织间的接触面积。但钛是一种生物惰性材料，无生物活性［3］。钛+HA复合涂层是一种新型复合梯度涂层，在钛涂层的表面再喷涂一层HA涂层，使钛涂层表面的微孔中布满了一层HA，它既具备钛涂层优良的机械性能和粗糙的表面结构，又具有HA良好的生物活性［4-5］，是符合螺钉表面高应力生物力学需求的一种涂层。

本研究选取钛涂层、HA涂层及钛+HA复合涂层螺钉，以无涂层螺钉为对照，置入比格犬颈椎椎体，对早期螺钉的生物力学稳定性进行测试。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 螺钉

实验螺钉为长1cm，直径3.5mm钛合金螺钉（微创公司，上海）。涂层螺钉采用真空等离子体喷涂技术制备，分别制备钛涂层、HA涂层、钛+ HA复合涂层，螺钉由上海硅酸盐研究所制备（见图1）。

图1 真空等离子体喷涂制备螺钉Fig.1 Vacuumplasmasprayedscrew

1.1.2 动物

选取成年比格犬（第二军医大学实验动物中心）32只，雌性16只，雄性16只。年龄2～4岁，体重（8±2.8）kg。将比格犬分为4组：普通螺钉对照组（对照组）、HA涂层螺钉组（HA组）、钛涂层螺钉组（钛组）、钛+HA复合涂层螺钉组（复合组），每组8只。

以上每组4只比格犬采用该组相应的螺钉固定于C2～7颈椎椎体（每个椎体固定1～2枚螺钉）作为无应力螺钉测试组（无应力组）。每组共测试32枚螺钉，其中16枚螺钉作旋出扭矩测试，16枚螺钉作拔出力测试。记录旋出扭矩峰值、拔出力峰值和拔出能量。另4只比格犬，作C4/C5椎间融合后采用该组螺钉+钛板固定于C4，5椎体上作为应力螺钉测试组（应力组）。每组16枚螺钉作抗拔出力测试。记录螺钉的拔出力峰值和拔出能量。

1.2 实验方法

1.2.1 动物实验

比格犬术前全部禁食12h，禁水4h。用3％的戊巴比妥钠，以30mg/kg静脉注射进行全身麻醉。每组中的4只比格犬，分别于C2～7椎体上选择合适的入钉点，拧入对应的螺钉（见图2）。另4只暴露至颈椎椎体前方后，用尖刀切开C4/C5椎间盘前方的纤维环，用髓核钳摘除髓核组织，刮匙刮除软骨终板，之后取犬的自体髂骨碎骨块植入椎间隙中，取合适长度的钛板置于C4，5椎体前方，用各组对应的螺钉固定于椎体上并锁紧（见图3）。于术后3个月处死动物，将C2～7整块颈椎标本取出，摄颈椎正侧位X线片示各螺钉位置良好，未见明显螺钉松动表现（见图4，5），标本修剪后进行生物力学测试。

图2 无应力组颈前路螺钉置入术中照片Fig.2 Intraoperativephotographofinsertingscrewsincervicalvertebrae inunstressinggroup

图3 应力组切除椎间盘后行椎间融合，用颈前路“钛板+涂层螺钉”内固定术中照片Fig.3 Intraoperativephotographsofinterbodyfusionwithanteriorplate andcoatingscrewsfixationafterdiscectomyinstressinggroup

图4 应力组术后3个月颈椎X线片Fig.4 Postoperative3monthsroentgenographsshowscrews

图5 无应力组术后3个月正侧位X线片Fig.5 Postoperative3monthsroentgenographsinunstressinggroup

1.2.2 生物力学测试

将4组比格犬颈椎椎体取下后，用线锯沿螺钉周围切割成方形骨块，置于InstronMT2扭转实验机上，在1°/s的旋出速度下测定螺钉的旋出扭矩峰值。

4组比格犬颈椎椎体取下后，将椎体固定于Instron5569万能材料实验机的基座上，将螺钉头与夹具相连接，将夹具固定于Instron5569万能材料实验机的测力杆上，进行各组螺钉的拔出力测试，以0.5mm/s的速度拔出［6］，测定轴向拔出力峰值及拔出过程中的断裂能量。采用钛板固定于C4/C5椎体上的应力组螺钉仅进行拔出力测试。

1.3 统计学处理

采用SPSS12.0软件处理数据将4组螺钉无应力条件下的旋出扭矩峰值、拔出力峰值、断裂能量和应力条件下的拔出力峰值、断裂能量分别计算，以¯x±s表示。对4组数据进行方差分析，比较各组数据间是否存在统计学差异，若存在差异再进行q检验，比较每2组均数之间是否存在统计学差异，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

无应力条件下，4组螺钉的旋出扭矩峰值为：普通螺钉（108.7±7.0）N·mm，钛涂层螺钉（449.1± 16.1）N·mm，钛+HA复合涂层螺钉（725.1± 13.3）N·mm，HA涂层螺钉（1312.6±150.6）N·mm。每2组均数之间的差异均有统计学意义（P＜0.05）。

无应力条件下，4组螺钉的拔出力峰载荷分别为：普通螺钉（441.4±10.4）N，钛涂层螺钉（462.6± 11.9）N，钛+HA涂层螺钉（922.6±13.0）N，HA涂层螺钉（1046.8±31.9）N。每2组均数之间的差异均有统计学意义（P＜0.05）。

无应力条件下，4组螺钉拔出过程中的断裂能量分别为：普通螺钉（1.9±0.2）J，钛涂层螺钉（2.2± 0.2）J，钛+HA涂层螺钉（7.5±0.3）J，HA涂层螺钉（8.4±0.2）J。每2组均数之间的差异均有统计学意义（P＜0.05）。

在应力条件下，4组螺钉的拔出力峰值载荷分别为：普通螺钉（419.5±8.7）N，钛涂层螺钉（442.9± 12.7）N，钛+HA复合涂层螺钉（849.6±16.8）N，HA涂层螺钉（960.8±12.1）N。每2组均数之间的差异均有统计学意义（P＜0.05）。

在应力条件下，4组螺钉拔出过程中的断裂能量分别为：普通螺钉（1.8±0.2）J，钛涂层螺钉（2.0± 0.2）J，钛+HA涂层螺钉（6.8±0.5）J，HA涂层螺钉（7.9±0.5）J。每2组均数之间的差异均有统计学意义（P＜0.05）。

3 讨论

脊柱内固定技术已广泛应用于各种脊柱疾病的手术治疗。螺钉是脊柱内固定器械中最常用的内置物，例如颈椎前路螺钉、颈椎侧块螺钉及胸腰椎椎弓根螺钉等，它为脊柱术后的骨融合提供了早期稳定的生物力学环境。但胸腰椎后路内固定摘除术中常发现大部分的椎弓根螺钉已经松动或旋出扭力明显下降，颈前路螺钉或颈椎侧块螺钉内固定术后螺钉松动、脱出的报道亦不少见［7-8］。本研究发现利用真空等离子体喷涂技术，制备涂层螺钉，可显著提高螺钉—骨组织界面的抗旋出扭矩和抗拔出力，动物实验证实涂层螺钉的生物力学稳定性在术后早期有明显提高。本研究发现HA涂层螺钉的生物力学稳定性最好，钛涂层+HA复合涂层螺钉其次，而普通螺钉的生物力学稳定性最差。这为脊柱内固定涂层螺钉的设计和投入临床使用提供了实验数据支持。

颈椎前路椎体螺钉、颈椎后路侧块螺钉以及胸腰椎椎弓根螺钉，术后螺钉出现松动、移位的报道并不少见，其中以颈椎前路螺钉和侧块螺钉的松动较常见［9］。本实验选取比格犬的颈椎椎体作为涂层螺钉力学性能测试的实验部位，因为相对于椎弓根和侧块来说，颈椎椎体外形较规则、大小适中，方便生物力学测试时的固定和硬组织切片前的标本包埋，并且颈椎的椎体上同时存在松质骨和皮质骨，可以综合性的反映涂层—骨组织界面的力学结合情况，并且得到的实验数据还可作为椎弓根涂层螺钉以及侧块涂层螺钉使用效果的参考。而且颈椎椎体数量较多，更加适合多组螺钉的测试，各实验组螺钉之间固定的条件基本相同，可排除因固定条件不同而带来的干扰因素。

本实验经过测试，发现3组涂层螺钉的生物力学测试结果，不论在应力条件下还是无应力条件下，都明显高于普通无涂层螺钉组，拔出力峰值、断裂能量及旋出扭矩峰值的测试结果是一致的。其中HA涂层螺钉在4组螺钉中具有最佳的生物力学测试结果，钛+HA复合涂层螺钉的生物力学测试结果仅次于HA涂层螺钉，而钛涂层螺钉的生物力学测试结果则稍高于普通螺钉。HA良好的生物活性，使HA涂层具有良好的骨传导和骨诱导性，置入体内后HA涂层与周围骨质能形成牢固的骨键合，从而使HA涂层—骨组织界面具有良好的早期生物力学稳定性。但随着HA涂层在体内逐渐的降解，HA涂层螺钉置入体内的远期效果并不明确，当涂层完全被骨组织替代后，螺钉的生物力学稳定性可能出现下降甚至松动［10-12］。但对于螺钉的表面涂层来说，主要要求在置入体内早期的3～6个月具有较好的螺钉—骨界面生物力学稳定性，为骨融合提供一个相对稳定的生物力学环境，而对于远期的界面稳定性要求较低。一项研究将2种克氏针置入人体平均18个月后取出，HA涂层的克氏针旋出扭矩高达7611.6N·mm/°，而无涂层的普通克氏针旋出扭力仅有85.4N·mm/°，HA涂层克氏针的松动率为4％，普通克氏针的松动率高达80％［13］，此结果提示HA涂层螺钉在1年之内仍可具有良好的生物力学稳定性。本实验发现钛涂层螺钉的生物力学稳定性在3组涂层螺钉中是最弱的。钛涂层内置物在骨组织内表面会形成一层纤维膜，骨组织长入钛涂层表面的微孔需要较长的时间，因此无法在早期形成较强的机械咬合力，降低了钛涂层与骨组织间的结合力。钛+HA复合涂层可使钛涂层表面的微孔结构内充满具有骨传导和骨诱导作用的HA，从而加快了骨组织长入微孔的进程。本实验发现这显著提高了涂层—骨组织界面的早期生物力学稳定性。

脊柱融合内固定术后的3个月是融合的关键期，内固定螺钉的抗拔出力和抗旋出扭矩关系到融合节段在冠状面、矢状面及横断面的生物力学稳定。应力及无应力条件下，螺钉的生物力学测试发现3种涂层螺钉抗拔出力和抗旋出扭矩都显著高于普通螺钉，其中HA涂层螺钉具有最高的生物力学稳定性，这提示涂层螺钉在融合术后可能提高融合节段早期的生物力学稳定性，为融合创造一个更加稳定的生物力学环境。

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Biomechanicalstabilityofcoatingscrewsincervicalvertebraeofbeagledogs

WUXiao-dong*，AOHai-yong，ZHENG

Xue-bin，WANGCong，TANHong-lue，CHENHua-jiang，WANGXin-wei，CHENYuan-yuan，JIHeng，XIEYou-tao，YUAN Wen.*DepartmentofOrthopaedics，ChangzhengHospital，SecondaryMilitaryMedicalUniversity，Shanghai200003，China

Objective Toinvestigatethebiomechanicalstabilityoftitaniumcoatingscrew，hydroxyapatite（HA）coating screw，andtitanium+HAcoatingscrewat3monthafterimplantationinvivostudy.Methods The32beagledogswere dividedinto4groups：normalscrewsgroup（Controlgroup），HAcoatingscrewgroup（HAgroup），Titaniumcoatingscrew group（Titaniumgroup），Titanium+HAcoatingscrewgroup（Titanium+HAgroup）.Thedesignatedscrewswereimplanted inthecervicalvertebra（C2-7）ofbeagledogsinevery4dogsineachgroupasnon-stressgroup.Extractiontorquetestswere carriedoutin16outof32screws.Thepull-outresistancetestswerecarriedoutintheother16screws.Thepeaktorqueand thepeakpull-outresistancewererecorded.Theother4dogsweredesignatedasstress-group，anteriorcervicalfusionwere performedattheC4/C5level，screwswereincertedwithanteriorplatedattheC4，5.Thepull-outresistancetestswerecarried outinthethese16screws.Thepeakpull-outresistanceandenergywererecorded.Results Inbothstressgroupandnonstressgroup，thepeaktorque，thepeakpull-outresistanceandenergywerecompared，HAgroup＞Titanium+HAgroup＞Titaniumgroup＞Controlgroup.Conclusion TheHAcoatingscrewhasthebestbiomechanicalresultsat3monthsafter implantationinvivostudy.

Dogs；Bonenails；Biomechanics；Animals，laboratory JSpinalSurg，2015，13（4）：234-237

R318.01

A

1672-2957（2015）04-0234-04

】

10.3969/j.issn.1672-2957.2015.04.010

2014-10-04）

（本文编辑 于 倩）

国家自然科学基金青年项目（31200718）；上海市卫生局基金面上项目

吴晓东（1980—），博士，副主任医师

200003 上海，第二军医大学附属长征医院脊柱外科（吴晓东，王聪，陈华江，王新伟，陈元元，袁文）；中国科学院硅酸盐研究所（敖海勇，郑学斌，季珩，谢有桃）；上海第九人民医院骨科（谭红略）

袁文 yuanwenspine@163.com

共同通信作者：郑学斌 xbzheng@mail.sic.ac.cn