一种新型动力内固定系统联合经伤椎椎弓根椎体内植骨治疗单节段胸腰段爆裂骨折的生物力学研究

郑晓勇 赵东升* 马远征 余清文 黄爱文 刘道宏 侯树勋

论著·实验研究

一种新型动力内固定系统联合经伤椎椎弓根椎体内植骨治疗单节段胸腰段爆裂骨折的生物力学研究

郑晓勇1赵东升1* 马远征1余清文1黄爱文1刘道宏1侯树勋2

目的测试新型动力内固定系统联合经伤椎椎弓根椎体内植骨的稳定性效果。方法选取人新鲜尸体胸腰段标本制作L2椎体爆裂骨折的模型，测试新型动力内固定系统联合经伤椎椎弓根椎体内植骨的稳定性效果。结果动力内固定联合经伤椎椎弓根椎体内植骨与骨折状态相比，屈伸及侧屈方向的ROM均显著减小；旋转方向的ROM虽也显著减小，但明显大于完整状态。结论新型动力内固定系统联合经伤椎椎弓根椎体内植骨能够维持胸腰段爆裂骨折在屈伸及侧屈方向的稳定性，但在旋转方向上不足以提供足够的稳定性。

动力内固定；非融合技术；胸腰段；爆裂骨折；生物力学

椎管减压、经椎弓根短节段坚强固定、脊柱植骨融合是治疗胸腰段爆裂骨折的传统手术方式，但其必然会带来固定节段的运动功能丧失、内固定失败等并发症[1,2]。经伤椎椎弓根椎体内植骨而不做脊柱节段融合，理论上可以使伤椎前中柱得到充分的支撑[3,4]，还避免了椎间融合所带来的运动节段丧失等并发症[5]。但有研究报道其并不能预防术后矫正角度的丢失[6,7]，而与坚强内固定系统联合使用又违背了其非融合的初衷。笔者既往的研究结果表明[8]，胸腰段爆裂骨折合并椎间盘损伤在治疗时需注意对损伤椎间盘的处理，临床治疗迫切需要一种既能促进骨折愈合，又能保留运动节段，最大限度恢复脊柱运动功能的新方法。本研究采用了笔者自行研制的一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统[9]，前期研究表明，其不仅能对失稳腰椎提供足够的屈伸稳定性，而且能维持接近正常范围的活动度。本研究中，笔者通过建立胸腰段爆裂骨折的尸体标本模型，观察新型动力内固定系统联合经伤椎椎弓根椎体内植骨对胸腰段爆裂骨折的生物力学稳定性效果。

1 材料与方法

1.1 新型动力内固定系统[9]（图1，彩图见插页）

该系统由新型动态连接棒及椎弓根螺钉组成（专利号：ZL 2009 2 0175651.9），均为钛合金材料，其动态连接处由钛缆和碟片弹簧组成，活动范围为：屈伸0～10o，旋转0～5o。前期的试验表明，该系统可控性强、可靠性好、能够给固定节段提供接近生理范围的活动度。动态连接棒型号规格：6mm×90mm；6mm×120mm。

图1 新型动力内固定系统

1.2 坚强内固定系统

包括椎弓根螺钉和坚强连接棒，连接棒直径为6mm，由医用钛合金制成。由北京市富乐科技开发有限公司提供。

1.3 试验设备

MTS858型材料测试系统（MTS公司，美国）。脊柱三维运动分析系统：由6台数字动作捕捉镜头（型号EAGLE4，MotionAnalysis公司制作，像素值为400万，最高采集频率为2000帧/秒，理论精度为0.02mm旋转角度测量为0.02°）围绕于场地周边组成数字动作捕捉系统。数据直接输入电脑，由软件自动分析计算脊柱三维运动的角度变化。

1.4 试验标本

1.4.1 试验标本

选取6具健康男性的新鲜尸体胸腰段标本（T12-L3，来自南方医科大学解剖学教研室），排除脊柱外伤、变异、肿瘤和骨质增生等（年龄28～43岁，平均31.7岁）。标本用多层保鲜膜包裹后储存于-20℃冰柜中。

1.4.2 模型制作方法

通过参阅文献，笔者采用预损伤后压缩的方法成功制作L2椎体的爆裂骨折模型。将L2椎体预钻孔后，相邻椎体及椎间盘采用高强度石膏包埋，采用自由落锤法（15Kg，1.1m高）撞击标本椎体，结果造成L2椎体骨折、骨块进入椎管、小关节松弛，所有标本上下终板均骨折，属于DenisA型骨折。所有标本均一次造模成功（图2，彩图见插页）。

图2 L2椎体爆裂骨折模型

1.5 试验分组及测试步骤

1.5.1 试验分组

每一标本均在4种连续的状态下进行测试：完整状态、骨折状态、坚强固定系统、新型动力内固定系统。第3到第4状态时不拔出螺钉，只更换连接棒。内固定系统均使用横连器。

1.5.2 测试步骤

①试验前2小时将冻存标本取出，在25℃室温下自然完全解冻后，覆盖湿盐水纱布，保持标本湿润。于L1、L3椎体上钻入细克氏针，并安装标记点。将标本固定于三维脊柱运动试验机上，加载力矩为8N.m。从1N.m～8N.m逐级加载，加载速率为0.2mm/sec，各向加载3次，前2次消除蠕变影响，于第3次时测试标本前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋、右旋的角度位移，并以此为基准数据。②将上述标本制成胸腰段爆裂骨折模型（L2）。③测试爆裂骨折状态下脊柱6项三维运动指标。④经伤椎双侧椎弓根钻孔，顶复终板骨折块。分别用不同直径的系列导锥扩大椎弓根骨孔，导锥进入深度应达到椎体的前柱，插入植骨漏斗，将骨粒填塞植入椎体内，用锥入棒压实（图3，彩图见插页）。⑤测试经椎弓根椎体内植骨后脊柱6项三维运动指标。⑥L1、L3双侧椎弓根植入椎弓根螺钉，采用新型动态连接棒，测定脊柱6项三维运动指标（图4，彩图见插页）。⑦换用坚强固定棒固定，测试脊柱6项三维运动指标。

图3 经L2椎弓根椎植骨

图4 骨折模型植骨后采用新型动力体内内固定

1.6 统计学分析

所有数据采用SPSS16.0软件进行统计和分析。各组中不同状态ROM和NZ比较采用方差分析。显著性水平为0.05。

2 结果

实验结果显示（表1、2），单纯经伤椎椎弓根椎体内植骨后，标本各方向的ROM与骨折状态相比差异无显著性意义而且仍远远大于完整状态经坚强内固定后，标本的屈伸及侧屈方向ROM明显减小，较骨折状态及完整状态均有显著性差异但旋转方向的ROM与完整状态基本接近，差异无显著性意义动力内固定联合经伤椎椎弓根椎体内植骨与骨折状态相比屈伸及侧屈方向的ROM均显著减小，差异有显著性意义旋转方向的ROM虽也显著减小但明显大于完整状态，差异有显著性意义

表1 L1-3节段在各种状态下的运动范围

表1 L1-3节段在各种状态下的运动范围

表2 L1-3节段在各种状态下的中性区范围

表2 L1-3节段在各种状态下的中性区范围

3 讨论

3.1 应力环境与椎间盘修复

正常状态椎间盘有一定的内压，在活动时还要加一周期性负荷，使椎间盘负载为静态时的2倍，该周期性负载使椎间盘内压呈周期性变化，促进椎间盘的新陈代谢与物质交换。应力是引起细胞外基质退变的一个重要因素，由于应力的改变，椎间盘细胞外基质水合能力下降。脊柱负荷异常可降低椎间盘水合能力，丢失蛋白含量。从而导致椎间盘的退变。

坚强内固定对于椎间盘内压有直接的影响。实验证实，椎间盘的过度或过低负荷对椎间盘自身都是不利的。坚强内固定对椎间盘的代谢也有直接的影响。椎间盘的制动使椎间盘内压力变化终止，以压力循环改变为动力的椎间盘内外液体流动也将停止。Kurakawa等[10]研究结果表明，固定节段的椎间盘内外物质交换变得缓慢，而相邻节段椎间盘的物质交换却增快，同样都导致了椎间盘的退变。因此，为避免固定节段椎间盘的退变，并促进损伤椎间盘的修复，现有的固定方式有必要进行改进，以营造适宜的力学环境，延缓椎间盘的退变，降低内固定失败和矫正角度丢失等并发症的发生率。

3.2 新型动力内固定系统联合经伤椎椎弓根椎体内植骨治疗胸腰段爆裂骨折的稳定性效果

胸腰段爆裂骨折的治疗中，经伤椎椎弓根椎体内植骨由于可以给椎体的前中柱提供额外的支撑而被认为是解决内固定失败的措施之一，但临床报道存在很大争议。主要是因为经伤椎椎弓根椎体内植骨并不能避免损伤椎间盘的退变所致。为了解决这个问题，笔者将动力内固定的理念引入胸腰段爆裂骨折的治疗中来，通过对骨折端及损伤椎间盘持续提供一定的应力，以期能够促进损伤椎间盘的修复以及骨折的愈合。

为了研究该问题，笔者首先建立了胸腰段的爆裂骨折模型。目前国际上流行的胸腰段爆裂骨折模型仍然采用自由落锤撞击完成[11,12]。本实验中，笔者采用标本预损伤后自由落锤的方法成功制作了L2椎体爆裂骨折的新鲜尸体标本模型，形态上可以发现L2椎体骨折、骨块进入椎管、小关节松弛，所有标本上下终板均骨折，属于DenisA型骨折。生物力学测试结果显示其稳定性较完整脊柱明显降低，差异具有显著性意义，提示造模成功。

实验结果显示，单纯经伤椎椎弓根椎体内植骨后，标本各方向的ROM与骨折状态相比差异无显著性意义，提示单纯经伤椎椎弓根椎体内植骨尚不足以提供足够的稳定性。新型动力内固定系统联合经伤椎椎弓根椎体内植骨与骨折状态相比，屈伸及侧屈方向的ROM均显著减小，旋转方向的ROM虽也显著减小，但明显大于完整状态。由此，笔者认为，单纯经伤椎椎弓根椎体内植骨尚不足以提供足够的稳定性。新型动力内固定系统联合经伤椎椎弓根椎体内植骨能够维持胸腰段爆裂骨折在屈伸及侧屈方向的稳定性，但在旋转方向上不足以提供足够的稳定性。该部分实验中，为了提高内固定物的稳定性，笔者均加用了横连器，结果表明，坚强固定并使用横连器后标本的屈伸及侧屈方向ROM明显减小，较骨折状态及完整状态均有显著性差异，但旋转方向的ROM与完整状态基本接近，差异无显著性意义，提示横连器对于提高旋转稳定性方面效果有限。除此之外，新型动力内固定系统由于自身可以提供一定的旋转，因此其联合经伤椎椎弓根椎体内植骨对胸腰段爆裂骨折在旋转方向上尚不足以提供足够的稳定性。

本实验尚有许多不足之处。比如标本之间的个体差异因素、椎旁肌的作用因素等等。除此之外，正常人体生理状态下，骨折后的愈合过程及对内固定物应力的影响也未能计算在内。再者，本实验由于客观条件所限，没有进行抗剪切功能的测试，这也是进一步研究中所需要注意的问题之一。未来的研究中，笔者将通过对动态连接棒的进一步改进，增加其稳定性，对骨折端提供持续的应力，并尽可能减少剪切力和旋转应力，在进一步的临床前期试验中增加与现有动力内固定系统的对照结果，以期为临床治疗胸腰段爆裂骨折提供一种新的思路和方法。

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Biomechanical study of a new dynamic stabilization system combinedwith transpedicular intracorporeal bone grafting for Thoracolumbar burst fractures

ZhengXiaoyong1,ZhaoDongsheng1,MaYuanzheng1,et al.1DepartmentofOrthopaedics,PLA309 Hospital,Beijing, 100091;2 Department of Orthopedics,the First Affiliated Hospital of PLA General Hospital,Beijing,100037,China

Objective To determine the magnitude of stabilization of the new dynamic system combined with transpedicular intracorporeal bone grafting.MethodsSix thoracolumbar cadaver spines were used for testing.A controlled L2burst fracture was created.The L1-3motions were determined.Reaults In extension,flexion and lateral bending,the dynamic fixator stabilized the segment to a ROM below the magnitude of the intact spine,but showed an increased ROM of axial rotationcompared withthe intact spine.Conclusion Restoration of stability with the newly developed dynamic system combined with transpedicular intracorporeal bone grafting is possible in flexion,extension,right and left lateral bending for thoracolumbar burst fracture but for axial rotation.

Dynamic fixation;Non-fusion technique;Thoracolumbar;Burst fracture;Biomechanics

R318.08

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2016.05.003

swgk2016-04-00071

郑晓勇（1978-）男，博士，副主任医师。研究方向：创伤骨科。

*[通讯作者]赵东升（1963-）男，硕士，主任医师。研究方向：创伤骨科。

2016-04-06)

1解放军第309医院骨科,北京100091；2解放军总医院第一附属医院骨科，北京100037