寰樞椎后路柔性固定的生物力學(xué)研究

童杰，季偉，黃志平，周若舟，房佐忠，朱青安*

1.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院脊柱骨科，廣州 510515；2.南方醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院附屬郴州醫(yī)院（郴州市第一人民醫(yī)院）脊柱外科，湖南 郴州 423000

柔性固定是一種新的脊柱固定形式，其設(shè)計(jì)原理是通過控制手術(shù)節(jié)段的運(yùn)動(dòng)而達(dá)到穩(wěn)定，為固定節(jié)段和鄰近節(jié)段創(chuàng)造一個(gè)理想的力學(xué)環(huán)境。有限元和生物力學(xué)的研究表明脊柱柔性內(nèi)固定可在穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)減少剛度，增加脊柱前柱的載荷分享，減少骨釘界面的應(yīng)力和螺釘承受的載荷[1～5]；并且能夠減少對(duì)鄰近節(jié)段椎間盤及小關(guān)節(jié)內(nèi)壓力的影響[6,7]。柔性固定技術(shù)在治療腰椎退行性疾病的作用已得到肯定[8～10]。短期隨訪的結(jié)果認(rèn)為柔性固定與堅(jiān)強(qiáng)固定的療效基本相當(dāng)[11～15]，但中長(zhǎng)期的隨訪發(fā)現(xiàn)，螺釘松動(dòng)、斷裂導(dǎo)致翻修率高[16～19]，對(duì)鄰近節(jié)段的影響也不明確[20～23]。柔性固定技術(shù)能否在寰樞椎后路手術(shù)中取得有效的穩(wěn)定，減小內(nèi)固定承載，促進(jìn)植骨融合，缺乏相關(guān)研究。本研究將直徑2.0 mm鈦棒和直徑3.5 mm聚醚醚酮樹脂（PEEK）棒應(yīng)用于寰樞椎這一特殊的解剖區(qū)域，通過生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，比較不同的柔性固定方式的力學(xué)特點(diǎn)，探討寰樞椎后路固定可能的新方法。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 標(biāo)本準(zhǔn)備 本研究共使用新鮮成人枕骨（Oc）～頸椎C4節(jié)段標(biāo)本6具（湖南學(xué)院解剖學(xué)教研室提供），均為男性，年齡35～50歲，平均43.3歲。實(shí)驗(yàn)前常規(guī)行正側(cè)位X線檢查排除畸形、骨折、結(jié)核、腫瘤等病變。將取材后的標(biāo)本用雙層塑料袋密封置于-20℃冰箱保存，實(shí)驗(yàn)前6 h室溫解凍，小心剔除肌肉組織，保留韌帶和關(guān)節(jié)囊。將枕骨修剪成8 cm×8 cm大小，距離邊緣1 cm處鉆孔，沿不同方向擰入8枚長(zhǎng)木螺釘，C4下端垂直擰入3枚木螺釘。為方便試驗(yàn)操作，將標(biāo)本倒置，枕骨朝下，采用牙托石膏粉包埋C4椎體下半部分和大部分枕骨。

1.1.2 內(nèi)固定器械 本實(shí)驗(yàn)使用的內(nèi)固定器械及手術(shù)操作器械均由佛山施泰寶外科植入物有限公司提供，椎弓根螺釘直徑為3.5 mm，長(zhǎng)度22～26 mm；鈦棒直徑為2.0 mm和3.5 mm，材料為Ti-6Al-4V鈦合金。PEEK棒直徑3.5 mm（圖1～3）。

圖1 鈦合金棒（直徑3.5 mm）圖2 鈦合金棒（直徑2.0 mm）圖3 PEEK棒（直徑3.5 mm）Fig.1 Titanium alloy rod(Diameter 3.5mm) Fig.2 Titanium alloy rod(Diameter 2.0mm) Fig.3 PEEK rod(Diameter 3.5 mm)

1.2 研究方法

本實(shí)驗(yàn)采用重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)，每例標(biāo)本在完整狀態(tài)下測(cè)試后，建立C2齒狀突骨折損傷模型，測(cè)試損傷狀態(tài)。然后測(cè)試寰樞椎節(jié)段固定狀態(tài)，PEEK棒、直徑2.0 mm鈦棒與3.5 mm鈦棒的測(cè)試順序設(shè)為隨機(jī)。實(shí)驗(yàn)過程中保持室溫25℃，使用生理鹽水噴灑標(biāo)本表面保持濕潤(rùn)。同一具標(biāo)本在24 h內(nèi)完成測(cè)試。

1.2.1 損傷模型制備 在完整狀態(tài)測(cè)試完成后，用電鉆、骨刀等工具切斷C2齒狀突腰部，造成II型齒狀突骨折的損傷模型。寰椎固定采用椎弓根螺釘置入法[24]選擇進(jìn)釘點(diǎn)，位于寰椎后弓下緣上方2 mm，中線旁開18～20 mm，用椎弓根探子探及寰椎動(dòng)脈溝的位置引導(dǎo)置釘。樞椎固定采用椎弓根螺釘，用椎弓根探子探及樞椎椎弓根的內(nèi)壁和上壁；進(jìn)釘方向頭傾20°，內(nèi)傾30°。分別用直徑2.0 mm、3.5 mm的鈦棒和PEEK棒裁剪成合適長(zhǎng)度，連接寰椎、樞椎椎弓根螺釘，完成寰樞關(guān)節(jié)固定。在直徑2.0 mm棒與螺釘?shù)倪B接處添加一個(gè)內(nèi)徑2.0 mm外徑為3.5 mm的袖筒作為轉(zhuǎn)接裝置，可以在螺帽擰緊袖筒后鎖定2.0 mm棒，實(shí)現(xiàn)釘棒之間的剛性連接。

1.2.2 加載方式和測(cè)試順序 采用自主研制的脊柱試驗(yàn)機(jī)對(duì)標(biāo)本分別施加3次連續(xù)的1.5 N·m的前屈/后伸、左/右側(cè)彎和左/右軸向旋轉(zhuǎn)的純力偶矩，加載速度為2°/s。

1.2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量 采用Optotrak Certus三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（加拿大NDI公司）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)量，精度為0.1°。在枕骨、C1、C2、C3椎體后部水平鉆入直徑2.0 mm克氏針4根，注意進(jìn)針點(diǎn)的位置和進(jìn)針深度，避開椎弓根螺釘釘?shù)?，分別連接裝有4個(gè)紅外線標(biāo)志點(diǎn)的標(biāo)尺（圖4）。測(cè)試過程中采用2臺(tái)互相垂直放置的Optotrak三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)連續(xù)采集標(biāo)志點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，確保寰樞椎大角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，標(biāo)志點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡在Optotrak三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的采樣范圍之內(nèi)，采樣頻率為20 Hz。分析第3個(gè)加載循環(huán)時(shí)，C1、C2椎體間的角度運(yùn)動(dòng)范圍和中性區(qū)。

圖4 枕骨、C1、C2、C3椎體上連接克氏針和紅外線標(biāo)尺Fig.4 Theoccipital bone,C1,2,3 vertebrasconnected with Kirschner wireand infrared mark

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)左右基本對(duì)稱，故采用左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)的均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Statistica 7.1軟件的重復(fù)測(cè)量方差分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，組間比較采用SNK法（Student-Newman-Keuls），運(yùn)動(dòng)范圍及中性區(qū)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（）表示。顯著性水平置于P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 運(yùn)動(dòng)范圍比較

采用直徑3.5 mm的鈦棒堅(jiān)強(qiáng)固定，2.0 mm的細(xì)棒以及3.5 mm的PEEK棒固定后，在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上均顯著減小了固定節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍（P＜0.05）。3種固定方式之間比較，在側(cè)彎方向，PEEK棒的運(yùn)動(dòng)范圍大于堅(jiān)強(qiáng)固定（P=0.005）（圖5，表1）。在其他方向，細(xì)棒與PEEK棒固定的運(yùn)動(dòng)范圍和堅(jiān)強(qiáng)固定比較，有不同程度的增大，但差別沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。與堅(jiān)強(qiáng)固定比較，細(xì)棒固定在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)范圍增加5%～52%；PEEK棒固定在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)范圍增加39%～79%。

圖5 不同固定的寰樞椎運(yùn)動(dòng)范圍比較 #P＜0.05，與堅(jiān)強(qiáng)固定比較Fig.5 Comparison of ROM at different fixations(3.5 mm rod,2.0 mm rod and PEEK rod)#P＜0.05,compared with intact fixation(3.5 mm rod)

表1 C1～C2節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍（）°Tab.1 ROM of segment C1-2(Mean±SD)°

表1 C1～C2節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍（）°Tab.1 ROM of segment C1-2(Mean±SD)°

注：#P＜0.05，與堅(jiān)強(qiáng)固定比較Note:#P＜0.05,compared with intact fixation

2.2 中性區(qū)比較

采用直徑3.5 mm的鈦棒堅(jiān)強(qiáng)固定，與2.0 mm細(xì)棒、3.5 mm PEEK棒固定后，在屈伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上均顯著減小了固定節(jié)段的中性區(qū)（P＜0.05）。與堅(jiān)強(qiáng)固定比較，細(xì)棒固定在各個(gè)方向上的中性區(qū)增加-83%～54%；PEEK棒固定增加5%～72%。各種固定方式其中性區(qū)范圍均小于1°，兩兩比較均無顯著性差異（P＞0.05）（圖6，表2）。

圖6 不同固定的寰樞椎中性區(qū)比較Fig.6 Comparison of NZat C1-2（3.5mm rod,2.0mm rod and PEEK rod）

表2 C1～C2節(jié)段中性區(qū)（）°Tab.2 NZ of segment C1-2(Mean±SD)°

表2 C1～C2節(jié)段中性區(qū)（）°Tab.2 NZ of segment C1-2(Mean±SD)°

3 討論

本研究提出在寰樞椎應(yīng)用柔性固定的概念，推測(cè)將堅(jiān)強(qiáng)固定適度弱化，保證寰樞椎穩(wěn)定的同時(shí)增加脊柱的載荷分享，減少內(nèi)固定承載和螺釘松動(dòng)、斷裂的發(fā)生。通過研究?jī)煞N不同的柔性固定方式，探討其生物力學(xué)特點(diǎn)，以及不同直徑、材料的連接棒對(duì)寰樞椎穩(wěn)定性的影響。

3.1 細(xì)棒

目前，用于內(nèi)固定的連接棒，理想的屈服強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命均是未知的。圓截面材料的彎曲強(qiáng)度與其直徑的3次方成正比，本研究采用直徑2.0 mm的鈦棒進(jìn)行固定，理論上其彎曲強(qiáng)度為3.5 mm鈦棒連接的堅(jiān)強(qiáng)固定的18.66%。結(jié)果表明：細(xì)棒固定在前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)方向上均顯著減少了固定節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍和中性區(qū)，與堅(jiān)強(qiáng)固定比較無顯著性差異，在各方向上的運(yùn)動(dòng)范圍均小于1°。細(xì)棒固定較堅(jiān)強(qiáng)固定在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)范圍增加5%～52%。因此推測(cè)，在各主要運(yùn)動(dòng)方向上，直徑2.0 mm的細(xì)棒可以在維持足夠的寰樞椎穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，比堅(jiān)強(qiáng)固定增加一部分運(yùn)動(dòng)范圍。

林周勝等[25]在成年家豬腰椎標(biāo)本上對(duì)比直徑3.0 mm與5.5 mm鈦棒的固定效果，發(fā)現(xiàn)3.0 mm棒固定能維持屈伸和側(cè)彎運(yùn)動(dòng)方向上的穩(wěn)定，能更好地與椎體前柱實(shí)現(xiàn)載荷共享，降低內(nèi)固定系統(tǒng)的載荷，減少其破壞和松動(dòng)，但在旋轉(zhuǎn)方向上的穩(wěn)定性相對(duì)不足。Kim等[26]在腰椎的有限元模型上研究直徑6 mm直棒和直徑2、3、4 mm的帶螺紋的柔性棒對(duì)內(nèi)固定器械上應(yīng)力分布的影響，比較發(fā)現(xiàn)，棒的直徑變細(xì)將減少椎弓根螺釘頸部的應(yīng)力集中，理論上可減少斷釘?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)；但細(xì)棒將增加棒上承擔(dān)的應(yīng)力，從而增加斷棒的可能性。Fan等[4]的研究得出與之相似的結(jié)論，并且認(rèn)為柔性棒的應(yīng)用可導(dǎo)致融合器下沉的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，在使用柔性棒進(jìn)行固定時(shí)，需要謹(jǐn)慎考慮連接棒的柔性程度，柔性過大的連接棒容易導(dǎo)致棒本身的折斷。

Bioflex是一種已用于臨床的直徑4.0 mm帶螺紋的鎳鈦記憶合金棒。其研發(fā)者認(rèn)為Bioflex固定能夠獲得與生理運(yùn)動(dòng)相似的穩(wěn)定，減少鄰近節(jié)段退變。與PLIF聯(lián)合能提供固定節(jié)段的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，并增加融合率。連接棒的彈性還能夠減少疲勞斷裂。Kim等[27]使用Bioflex固定110個(gè)腰椎節(jié)段并行椎體間融合，融合率達(dá)90%；Bioflex固定后鄰近節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍的增加幅度小于堅(jiān)強(qiáng)固定。然而，Heo等[28]通過MRI對(duì)使用Bioflex固定后的患者隨訪2年以上，發(fā)現(xiàn)Bioflex并不能完全阻止鄰近節(jié)段退變的發(fā)生。Twinflex系統(tǒng)采用2根平行的直徑2.5 mm的連接棒進(jìn)行固定。Korovessis等[29]將Twinflex固定+融合與傳統(tǒng)堅(jiān)強(qiáng)固定融合分別應(yīng)用于退行性腰椎管狹窄癥的患者并比較發(fā)現(xiàn)，Twinflex固定后螺釘松動(dòng)的幾率下降，而斷棒的幾率增加。

本研究結(jié)果顯示：在寰樞椎的后路固定中，使用直徑2.0 mm的鈦棒，術(shù)后短期的即刻穩(wěn)定性是可以接受的，能否維持到牢固的骨融合而不發(fā)生斷裂，還需要進(jìn)一步行疲勞試驗(yàn)或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

3.2 PEEK棒

醫(yī)用PEEK材料最初是制成椎間融合器應(yīng)用于體內(nèi)，取得較好的臨床效果，隨后，PEEK棒也應(yīng)用于腰椎后路固定手術(shù)中，取代傳統(tǒng)鈦合金棒。本研究結(jié)果表明：PEEK棒固定在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)方向上均顯著減少了固定節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍和中性區(qū)，與堅(jiān)強(qiáng)固定比較無顯著性差異，僅在側(cè)彎方向上的運(yùn)動(dòng)范圍顯著大于堅(jiān)強(qiáng)固定。PEEK棒固定較堅(jiān)強(qiáng)固定在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)范圍增加39%～79%。在屈伸和旋轉(zhuǎn)方向上，PEEK棒可以維持一定的穩(wěn)定，在側(cè)彎方向上，穩(wěn)定性相對(duì)較弱，但運(yùn)動(dòng)范圍仍控制在1°以內(nèi)。

在腰椎，PEEK棒被認(rèn)為是一種半堅(jiān)強(qiáng)固定棒。有研究表明直徑6.35 mm的PEEK棒能減少80%屈伸，70%側(cè)彎和54%旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與直徑5.5 mm鈦棒的堅(jiān)強(qiáng)固定比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。PEEK棒的疲勞極限是5×106次，與金屬棒相當(dāng)[1]。PEEK棒能夠增加前柱的載荷分享（比例為前柱75%，后柱25%），因此能增加椎間植骨塊的壓應(yīng)力，促進(jìn)植骨融合。在腰椎后路融合手術(shù)中，PEEK棒與同直徑的鈦棒穩(wěn)定性相當(dāng)，能承受67°彎曲無折斷，30°扭轉(zhuǎn)無明顯變形。PEEK棒還能減少骨釘界面的應(yīng)力和螺釘松動(dòng)，并減少對(duì)CT、MRI檢查的影響[30]。在對(duì)鄰近節(jié)段的影響方面，PEEK棒與鈦棒固定后均增加了鄰近節(jié)段椎間盤內(nèi)壓力，但在前屈方向上，PEEK棒固定后鄰近椎間盤內(nèi)壓力增加值明顯小于鈦棒固定，因此減輕了對(duì)鄰近節(jié)段的干擾[31]。

本研究結(jié)果顯示：在寰樞椎的后路固定中，使用直徑3.5 mm的PEEK棒，在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)方向上與同直徑的鈦棒穩(wěn)定性相當(dāng)；在側(cè)彎方向上的運(yùn)動(dòng)范圍明顯大于鈦棒固定，該結(jié)果是否影響寰樞椎節(jié)段使用PEEK固定后的整體穩(wěn)定性，是否會(huì)對(duì)植骨融合造成不利的影響，有待于進(jìn)一步的研究。根據(jù)棒直徑與其彎曲強(qiáng)度的關(guān)系，如需增加PEEK棒在側(cè)彎方向上的穩(wěn)定性，可以通過增加PEEK棒的直徑來實(shí)現(xiàn)。

3.3 寰樞椎柔性固定的適應(yīng)癥探討

寰樞椎局部不同的病理類型，不同程度的結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)穩(wěn)定性的影響均不相同，因此有必要根據(jù)穩(wěn)定性喪失的程度來選擇不同的重建方案。作者認(rèn)為高能量損傷導(dǎo)致寰樞椎爆裂骨折，選擇穩(wěn)定性最高的堅(jiān)強(qiáng)固定較為穩(wěn)妥；類風(fēng)濕或者遺傳因素導(dǎo)致的韌帶松弛性不穩(wěn)定，細(xì)棒或者PEEK棒可能滿足穩(wěn)定性的需要；齒狀突骨折或者橫韌帶斷裂后治療不當(dāng)，常常形成寰樞關(guān)節(jié)前后脫位，該類型病變使用細(xì)棒和PEEK棒固定，其抗剪切性能需進(jìn)一步的研究；骨質(zhì)疏松癥的患者，選擇柔性固定，能否減少螺釘松動(dòng)的發(fā)生，也值得進(jìn)一步探討。本研究提出在寰樞椎采用柔性固定的方式，有望改變目前單一堅(jiān)強(qiáng)固定融合的手術(shù)方式，為不同類型的寰樞椎疾患提供更為合理的個(gè)體化解決方案。