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目的:设计一种可微创置入的新型动态腰椎内固定器,通过生物力学实验评价新型腰椎动态内固定器的生物力学特性,探求此动态内固定器较理想的活动范围,为该固定器设计提供依据。
方法:将新鲜的猪骨腰椎标本经保鲜膜包裹后放于-20℃的环境中保存,在该环境下保存的新鲜标本,对骨与韧带无明显影响,其生物力学特性无明显改变,当试验时,需提前将标本取出放于室温下解冻12-18小时,然后仔细对椎体周围的肌肉、脂肪和结缔组织进行清除,保留椎体间的韧带组织,然后用UHMWPE材料(聚甲基丙烯酸甲脂-自凝型,上海齿科材料厂)对腰2和腰5椎体进行包埋,对腰3、腰4及腰3/4椎间盘进行处理,制作成实验标本。每个标本按实验顺序分为完整组(A组)、损伤不稳组(B组)、坚强固定组(C组)、新型腰椎动态内固定Ⅰ型组(D组)(钉身活动度为2°)、新型腰椎动态内固定Ⅱ型组(E组)(钉身活动度为5°)共5组即5种状态。将每个标本的每种状态放在脊柱三维运动试验机上进行6个方向运动的测试,每次对脊柱标本施加8Nm的作用力,6个方向运动为前屈、后伸,左右侧弯,左右旋转运动。由电涡流传感器对整个过程进行监测,得出的数据经数据处理软件进行分析后得出脊柱的活动范围,即腰3和腰4之间的活动范围(rangeofmotion,ROM),从而对内固定器械的稳定性及活动度进行评价。刚度的测试,将实验后的标本分为完整标本、刚性固定、新型动态内固定Ⅰ,新型动态内固定Ⅱ在电子万能试验机WDW3100试验机上进行压缩试验,计算其刚度。
结果:(1)脊柱三维运动测试:①损伤失稳模型(B)与完整标本状态(A)比较,腰3/4节段前屈、后伸、左/右侧弯,左右旋转等三维运动范围(ROM)明显增大,三维运动稳定性显著减小,活动度明显增大(P<0.05)。②损伤失稳模型(B)经坚强固定系统(C)固定后,腰3/4节段ROM较完整标本状态(A)明显减小,三维运动稳定性显著加强(P<0.05)。③经新型动态内固定器Ⅰ型(D)、新型动态内固定器Ⅱ型(E)二种状态固定后,腰3/4节段均获得了较为满意的ROM,与损伤失稳模型(B)相比三维运动稳定性明显增加,活动范围明显减少(P<0.05)。④新型动态内固定器Ⅰ型(D)、新型动态内固定器Ⅱ型(E)对腰3/4节段ROM的限制作用明显小于坚强固定系统(C),表明新型动态内固定(D、E)在稳定固定节段的基础上仍然保留了一定程度的节段ROM(P<0.05)。⑤二种状态的动态固定(D、E)之间互相比较,在保持腰3/4节段三维运动稳定的基础上,新型动态内固定器Ⅱ型(E)较新型动态内固定器Ⅰ型(D)保留了更大程度的前屈ROM(P<0.05),其在后伸、左/右侧弯,左/右旋转的稳定性上差异无明显统计学意义(P>0.05)。(2)压缩刚度测定:由于压缩刚度测试是破坏性实验,基于本次标本数量有限,未达到统计要求的标准,只进行完整标本、坚强固定、动态固定Ⅰ,动态固定Ⅱ的压缩测试。新型动态固定Ⅰ、新型动态固定Ⅱ组及坚强固定的刚度均大于完整标本。新型动态固定Ⅰ与新型动态固定Ⅱ相比,动态固定Ⅰ的刚度大于动态固定Ⅱ,坚强固定与动态固定都能提供大于完整状态的稳定性。
结论:(1)生物力学实验表明:新型动态内固定与刚性固定一样能够在屈伸、左右侧弯、左右旋转运动方向上显著增强节段间稳定性。(2)新型动态内固定在保证稳定的前提下,能提供一定的活动范围。(3)钉身活动度为5°的动态内固定更接近脊柱生理活动范围。(4)钉身活动度的范围可能对动态内固定的强度有一定影响。