自1959年Boucher首次采用长螺钉经椎板、椎弓根达椎体固定腰骶关节取得良好的临床效果以来,椎弓根螺钉内固定技术取得了迅速的发展,并被广泛的应用于脊柱外科的常见临床疾病。目前,椎弓根螺钉内固定技术已经成为脊柱外科领域最常用的脊柱后路内固定方法。研究发现:椎弓根螺钉的稳定性取决于骨质螺钉界面的把持力。然而,椎弓根螺钉内固定技术在临床的应用中发现,随着患者骨质疏松程度的加重,椎弓根螺钉松动率显著增高。为解决这一问题,目前临床上常用的方法包括:改进椎弓根螺钉设计;应用的钉道固化技术。然而,针对各种新型螺钉以及钉道固化技术的临床前实验研究,由于获取骨质疏松标本比较困难,大多限于在正常骨质的动物或健康的成人椎体上进行研究,较少应用骨质疏松或严重骨质疏松的动物或人椎体。因此,建立用于骨质疏松生物力学研究的模型是进行各种新型螺钉以及钉道固化技术的临床前实验研究的基础。目前用于骨质疏松情况下生物力学研究的动物模型,最常选用的动物为成年绵羊(山羊),其建模的方法主要有:去势法,激素诱导,低钙饮食三种方法,它们存在的缺点:1、建模周期长且费用高,至少需要6个月饲育,延长了实验的研究周期;2、建模过程繁琐;3、模型的可靠性差:BMD、生化、骨组织形态学等指标受生育、营养状况、健康状况、接受光照情况等不确定因素影响。但是,如果要针对骨质疏松新开发的器械及实验技术进行生物力学的初步评估,应用骨质疏松动物活体模型并不是一个合理的选择,使用动物活体模型不仅耗时而且无法及时将实验的结果反馈给研究者,延长了研究周期。所以建立一个快速、简便、骨质疏松程度可控,且满足脊柱生物力学研究需要的骨质疏松性标本模型就显得非常有必要。研究目的1、运用微量注射泵向椎体内灌注盐酸及椎体整体浸泡的脱钙方法,快速、可控的建立不同骨密度水平的骨质疏松性生物力学模型;2、首次从“宏观-微观,二维-三维,定性-定量”等多个角度对骨质疏松性生物力学模型进行全面评价,并分析该模型力学性能下降的原因。研究方法1)设计一款可拧入椎弓根带侧孔的圆柱形灌注连接器,作为椎体内部与注射泵的桥接装置;2)采用完全随机的设计方法,3±0.5岁新鲜绵羊腰椎68个,完全随机分配至4个处理组:A组(0小时脱钙,即空白组)、B组(2小时脱钙)、C组(4小时脱钙)、D组(6小时脱钙)。每组17个椎体;3)首次从“宏观-微观,二维-三维,定性-定量”全面的对骨质疏松性生物力学模型进行评价,包括:X线、螺旋CT,MicroCT,硬组织切片;BMD;生物力学测试:最大轴向拔出力、最大抗压强度;骨计量学分析。从多个角度观察各组骨质流失情况,并分析骨质力学性能下降的原因。研究结果1)模型的评价:①脱钙前后BMD检测:经0、2、4、6小时脱钙后A、B、C、D各组椎体的BMD分别下降约0、18%、28%、39%;②通过X线、CT观察可见经0、2、4、6小时脱钙椎体密度逐渐减低,椎体边缘皮质骨逐渐变薄,椎体中央松质骨逐渐稀疏增宽;③MicroCT三维重建显示:B、C、D各组椎弓根钉道及椎体中央处松质骨骨小梁较A组骨小梁间距增宽、骨小梁部分连接中断,且随着脱钙时间的延长而下降。B、C、D组椎弓根钉道外口及椎体前壁皮质骨厚度、粗细程度均明显低于A组,同时其骨质的完整性明显要差于A组,A、B、C、D各组间的空间结构随BMD的下降而变化;A、B、C、D各组椎弓根钉道及椎体骨空间结构参数显示:Tb.th,Tb.N,Cor.th,BV/TV随脱钙时间延长而下降,Tb.sp随脱钙时间延长而增宽,而椎弓根处BS/BV在各组间无显著变化,椎体骨质的BS/BV随脱钙时间延长而增大;④硬组织切片显示:A组椎弓根及椎体中央处松质骨骨小梁排列紧密,相互交连成网状;B、C、D组骨小梁较A组骨小梁变薄,数目减少,联结处部分出现断裂,间距增宽,骨髓腔扩大。其中明显可见随脱钙时间的延长,B、C、D各组骨质丢失依次加重,骨小梁间距亦依次增宽,骨小梁形态基本保持正常。⑤生物力学测试示:B、C、D处理组的Fmax、εult及其能量吸收值均值均低于A组( P < 0.05) ,且随脱钙时间的延长依次降低,具有统计学差异(P<0.05);2):相关性分析:经脱钙后椎体的Fmax和σult与BMD及脱钙时间的相关性最大,与骨质的空间结构参数(Tb.th、Tb.N、tb.sp、BV/TV、BS/BV、Cor.th)也有明显的相关性。这与临床骨质疏松情况下人椎体力学的变化情况类似。结论运用微量注射泵向椎体内灌注盐酸及整体浸泡的脱钙方法,可快速、有效、可控的建立近似于骨质疏松状态下的生物力学模型,为在真正骨质疏松状态下的生物力学研究提供参考依据。