椎弓根螺钉的螺纹形状与拔钉生物力学医学论文.doc

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椎弓根螺钉的螺纹形状与拔钉生物力学_医学论文作者：潘显明谭映军张波权毅胡修德黄钢李延陈孟诗【关键词】内固定器关键词:生物力学;内固定器;对照临床试验摘要:目的了解不同形状螺纹的椎弓根螺钉在椎弓根内的拔出力的大小，给临床应用不同类型的经椎弓根内固定器提供实验依据.方法采用4种形状螺纹的椎弓根螺钉，分别在椎弓根内及椎体松质骨中进行拔出试验，观察其拔出力的大小及位移情况.结果在椎弓根内，Diapason的拔出力最大（1265±157）N（P<0.01），CCD（913±85）N（P>0.05）及Dick（922±142）N次之，AF（648±68）N（P<0.01）的拔出力最小.而在松质骨内，Diapason（858±81）N（P<0.01）及CCD（816±23）N（P<0.01）则无差别，AF（511±20）N（P=0.025）其次，Dick（447±28）N的拔出力最小.最大拔出力下降50%时，CCD在椎弓根内的位移松动最大，AF与Dick其次，Diapason最少.结论Diapason外锥螺纹式的螺钉拔出力最大，临床上应尽可能地使用此种结构的内固定器.Keywords:biomechanics;internal fixators;controlled clini-cal trials Abstract:AIM To study the pullout force of pedicle screws with different forms of thread and to supply the experimentdata for the clinical application of transpedicular internal fixa┐tors.METHODS The pullout force scale and migration were observed when pedicle screws with four different forms of thread were pulled out from pedicle and cancellous bone.RESULTS In pedicle，the Diapason produced the largest pullout force［（1265±157）N］，the next were that of CCD［（913±85）N］and the Dick［（922±142）N］，AF produced the smallest pullout force.While in cancellous bone，Diapa-son and CCD produced the biggest pullout force and without any difference between each other，the next was AF，and the smallest was Dick.When the biggest pullout force reduced by50%，CCD produced the largest migration，the next were AF and Dick，and the smallest was Diapason.CONCLUSION The pedicle screw with extra-cone thread produces the biggest pullout force in four forms thread，and such internal fixator could be the best choice for clinical application.0引言用经椎弓根内固定器治疗胸腰段脊柱骨折，多数患者取得了良好的固定效果，但部分患者也出现了拔钉等并发症，究其原因，除了复位不良、反复操作等因素外，最根本的原因在于椎弓根对椎弓根螺钉的把持力的大小，而把持力的大小与椎弓根螺钉的螺纹形状有一定的关糸.目前，国内外各种不同的经椎弓根内固定器的椎弓根螺钉的螺纹形状归结起来大致有以下4种:外锥螺纹，内锥螺纹，皮质骨等螺纹和松质骨螺钉螺纹.具有上述形状螺纹的内固定器代表分别是Diapason（Stryker产品），AF，Dick，CCD.不同螺纹形状的内固定器螺钉，其松动情况也不一样，松动原因与螺纹形态有一定关系.有关这方面的对比研究，国内外尚未见报道，我们研究的目的:①了解在相同扭力矩作用后，不同螺纹形状的椎弓根螺钉拔出力的大小，以及50%把持力时螺钉在椎弓根内的拔出距离;②了解不同椎弓根螺钉在椎体松质骨内拔出力的大小，为临床选择内固定器及内固定器结构的改造提供实验依据.1材料和方法1.1材料完整的T12～L3椎体标本6具，取自新鲜成年人尸体.测试前，经X线检查，均无明显的骨质疏松及畸形.清除附着在椎体上的肌肉等软组织，用双层塑料袋封闭，置于-20℃的冰箱内保存.测试前，室温下自然解冻.4种不同形状的螺钉委托成都市精密仪器厂生产（317L），每种螺钉各6枚.所有螺钉长45mm，螺纹长40mm.Diapason的螺高2mm，尖端外径6mm，尾端外径7mm，螺纹深0.5mm.AF的螺高2mm，外径6mm，尾端螺纹深0mm，尖端螺纹深0.7mm.Dick的螺高2mm，外径6mm，螺纹深0.5mm.CCD的螺高3mm，外径6mm，螺纹深1mm.仪器:广州试验仪器厂生产的WD-10A型生物力学测试仪;成都新浦传感器有限公司生产的称重传感器，最大拉压力为5000N，拉压速率介于0.5～10mm・min-1;成都科学仪器厂生产的CBW1103高精度数字位移计与TS3865静态电阻应变仪.1.2方法所有标本在实验前离解成单个椎体，用皮质骨等螺纹、内锥螺纹、外锥螺纹、松质骨螺钉螺纹的椎弓根螺钉分别在T12，L1，L2，L3上进行拔钉试验，分别称为皮质骨等螺纹组、内锥螺纹组、外锥螺纹组和松质骨螺钉螺纹组.观察4种不同形状螺纹的椎弓根螺钉在椎弓根内的最大拔出力，以及最大拔出力下降50%时椎弓根螺钉在椎弓根内的位移;同时在椎体前方的松质骨内进行拔出试验，进行对照.观察螺钉松动后椎弓根对螺钉把持力的范围，了解不同的椎弓根螺钉在椎体中的松动规律;在椎弓根螺钉拔出过程中椎体或椎弓根是否出现骨折;以及钉道的纵剖面螺纹的形态.实验时将椎体的上下关节突用锯子锯掉一部分，使之短于椎体的高度，用两块夹板将椎体夹住，再将夹板四个角的4颗螺帽拧紧，用电钻在夹板上预留的3个孔上向椎体上钻入3根斯氏针进行固定，位置分别位于椎管前方的两侧及椎体中心.椎弓根螺钉的进钉点在胸椎上按Roy-Camille法，在腰椎上按Wein-stein法，螺钉进入每节椎弓根的长度为钉道总长度的80%.4种椎弓根螺钉进钉深度皆相同，将椎弓根螺钉的尾部和夹板的尾部分别和WD-10A型生物力学测试仪连接，使椎弓根螺钉在轴线上受力，消除分力对实验结果的影响;沿椎弓根螺钉的方向以2mm・min-1恒定速率拔出，直至拔出应力下降为最大拔出应力的80%时，即停止拔钉.拔出力的变化用CBW1103高精度数字位移计与TS3865静态电阻应变仪记录成曲线，再将曲线的变化转化成数据.统计学处理:采用SPSS9.0进行统计学分析，4组椎弓根螺钉间拔出力的差异采用方差分析.2结果2.1螺钉在椎弓根内的最大拔出力Diapason在椎弓根内的拔出力最大，Dick与CCD之间的拔出力无明显差异（P>0.05），但都明显小于Diapason;AF与其他3种螺钉比较，其拔出力最小（P<0.01，Tab1，Fig1）.表1椎弓根螺钉在椎弓根内及椎体松质骨内的拔出力略图1椎弓根螺钉在椎弓根内的拔出力与位移略2.2螺钉在椎体松质内的最大拔出力Diapason与CCD无差异，且明显大于另外两种椎弓根螺钉，AF（P=0.025）的拔出力明显大于Dick钉，Dick钉明显小于其他3种椎弓根螺钉（P<0.05，Fig2）.2.3拔出力下降50%时的位移与其他3种椎弓根螺钉比较，CCD的位移最大（P=0.000），AF与Dick钉之间无明显差异（P=0.702），Diapason的位移最小（P=0.000，Tab2）.2.4拔钉后的椎弓根与钉道所有椎体的椎弓根在拔钉后，大体上均未见骨折，在拔钉后，将所有钉道剖开，用牙刷刷去钉道内的骨渣，并进行冲洗，见所有钉道的骨-螺钉界面处的骨螺纹剥离，在椎弓根节段，可见部分椎弓根皮质破坏，而正常对照组钉道处的骨螺纹清晰.图2椎弓根螺钉在椎体松质骨内的拔出力与位移略表2椎弓根螺钉在椎弓根内拔出50%时的位移略3讨论椎弓根螺钉的松动和拔钉直接影响内固定器的固定效果，临床上我们在取钉时经常发现有不少的内固定器的钉杆连接呈松动状态，其中有些椎弓根螺钉也呈松动状态.但也有些内固定器在钉杆连接松动后，仍然没有出现拔钉，分析其原因，与椎弓根螺钉的螺纹形状有一定的关系.在钉杆连接松动后，作用在椎弓根螺钉上的拔出力相应增大，这时若椎弓根对螺钉的把持力较小，椎弓根螺钉的拔钉速度就会加快;在未松动和复位较好的病例中，由于椎弓根螺钉与连杆之间有一定的夹角，拔钉的机会也就大大减少.因此，对于椎弓根螺钉本身的抗拔出力进行研究，有助于指导临床进行内固定器的改进，减少并发症的发生.从物理学上讲，单位面积上的压力越大，其压强也越大，因此，螺钉的螺纹与骨的接触面越大，相应的压强就越小，要使骨-螺钉的界面破坏，所需的压力也就越大，在本实验中也就是拔出力越大.另外，很多实验结果显示，螺钉在皮质骨中较松质骨中有更大的抗拔出力.如骨-螺钉界面的皮质骨较多，其抗拔出力也较大;螺纹切入骨皮质的多少与螺钉的直径相关，直径越粗，切入的则越多.因此，为了消除螺钉在椎弓根的骨皮质中切入不均而造成的误差，实验中设计了在椎体松质骨中的拔钉试验.椎弓根螺钉的断钉与螺钉的直径密切相关，实验中螺钉的直径要一致，以消除直径不同对结果的影响.脊柱骨折节段未作融合、椎弓根螺钉本身的设计缺陷及撑开复位时作用于螺钉的负荷过大，均容易出现断钉［1］.由于骨折固定后，载荷主要通过内固定器的椎弓根螺钉进行传递，椎弓根螺钉的长度及直径与断钉及拔钉有着直接的关系.椎体损伤严重的病例，椎弓根螺钉容易断裂，与骨折的粉碎程度相关.Rohlmann等［2］将传感器与内固定器一起安装在体内，用遥测法，发现患者在行走和侧弯时，内固定器的载荷最大，前屈时稍有变化;前路融合3wk后，行走时，内固定器的最大屈曲力矩左边（向头部置钉）是10Nm，右边（向尾部置钉）是5Nm，3mo后，向头部置钉的椎弓根螺钉断裂［3］.人体骨骼属于粘弹性材料，研究其生物力学特性必须考虑应变率（加载速度）的影响.在不同的加载速度下，骨的极限强度是不一样的，加载速度越大，强度则越小.实验中以2mm・min-1恒定速率加载拔出力，以消除加载速度对结果的影响.当内力小于某个极限时则安全，大于这个极限就可能产生很大的变形以至破坏，这就是所谓材料的极限强度［4］.另外，罗卓荆等［5］指出人体松质骨的压缩破坏载荷在863～3492N，我们也证实了椎弓根螺钉的拔出载荷在此范围内.椎弓根对螺钉的把持力受诸多因素影响:螺钉的直径［6］，进钉的深度，骨密度，钉道的准确性等.范宏斌等［7］发现骨质疏松所造成的微骨折使椎体变形，椎间盘退变及后关节肥大、内聚及应力不稳，三者共同导致脊柱的力学特性失常.这种情况势必也影响椎弓根螺钉在椎弓根内的稳定性.邹宏恩等［8］进行了微孔涂层假体与皮质骨界面疲劳损伤机制研究，发现在相同载荷（动、静载荷245～330N）作用下及静载荷下，骨界面无变化;而在动载荷下，界面骨小梁拉伸100次时，界面近侧出现裂纹，在疲劳加载卸载过程中裂纹张开，不全闭合，裂纹尖端逐渐向远侧延伸，在加载2500次时，界面远侧出现纵行微细裂纹.我们发现，椎弓根螺钉在椎弓根内的拔出力大于在椎体松质骨内的拔出力，表明螺钉的螺纹有不同程度的切入皮质骨.在椎弓根内，Diapason的拔出力最大，CCD及Dick次之，AF的拔出力最小.而在松质骨内，Di-apason及CCD则无差别，AF其次，Dick的拔出力最小.说明外锥螺纹式的螺钉可在各种不同类型的骨折中使用.参考文献:［1］Zhang 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