L4/5棘突間植入椎間融合器的穩定性及對相鄰節段的生物力學特性和生物相容性的影響

洪志群， 葉 薇， 林國兵

(中國人民解放軍九五醫院， 福建 莆田 351100)

L4/5棘突間植入椎間融合器的穩定性及對相鄰節段的生物力學特性和生物相容性的影響

洪志群， 葉 薇， 林國兵

(中國人民解放軍九五醫院， 福建 莆田351100)

目的探討L4/5棘突間植入椎間融合器的穩定性及對相鄰節段的生物力學特性與生物相容性的影響。方法采集18組新鮮成人冰凍脊柱標本，其中模擬L4/5棘突間植入椎間融合器為研究組，而正常標本為對照組，兩組各9例，兩組標本進行編號后經棘突間彈性內植入并用固定器進行固定。結果研究組于各個植入處在前屈、中心壓縮、側屈及后伸下的應變變化均較對照組小(P均<0.05)。于施加最大載荷600N下，研究組椎體的角位移與線性位移在左側屈、左旋轉、前屈、后伸狀態下均小于對照組(P均<0.05)。結論L4/5棘突間植入椎間融合器可有效改善傷椎的活動度，保留其穩定性，有助于減輕椎間盤應力。

椎間融合器； 穩定性； 生物力學； 生物相容性

腰椎退行性變在國內外老年人群體的發生率較高，由于年齡的增長，椎間盤纖維環會引起玻璃樣變及網狀變性，導致原來的韌性與層次丟失，進一步形成各個裂痕，最終會造成完全破裂[1～3]。椎間盤髓核作為富含小分子彈性黏糖蛋白與水分的組織，亦包含纖維母細胞及軟骨細胞等，并且椎間盤內的水量在很大程度上對其彈性狀態與內在壓力水平起到決定性作用[4,5]。同時，髓核的退變過程通常于纖維環與骨關節退變的條件下形成[6]。椎間隙壓力一旦上升且椎間盤變性加快的情況下，會加深纖維環的裂隙，導致已變性的髓核會隨著其裂隙方向突至邊緣處，最終造成腰椎間盤突出[7]。近幾年來，椎間融合器逐漸應用于臨床治療腰椎退行性變患者，該融合器為一圓柱體，中空周壁多孔且呈現螺紋狀，由鈦合金制成，主要由撐開-牽拉效應產生的椎體間界面而發揮固定作用[8]。本研究即探討L4/5棘突間植入椎間融合器的穩定性及對相鄰節段的生物力學特性與生物相容性的影響，旨在為臨床提供一定的指導意義。

1 資料與方法

1.1一般資料：于2015年1月至2016年12月在我院骨科進行，采集18個新鮮成人冰凍脊柱標本，并將標本中的軟組織予以剔除，對其腰椎L4/5部分進行截取，最終完成對腰椎功能階段的制作。其次，對標本進行編號后，置于專用夾具中以固定，通過椎間融合器(來源：山東威高骨科材料有限公司)對棘突間進行彈性內植入處理。

表1 腰椎L4/5活動范圍

1.2標本入選及排除標準：標本入選標準：成人尸體腰椎，均為男性；骨密度均處在正常水平。排除標準：通過X射線檢查提示存在嚴重退行性變和腰椎疾病的標本；先天畸形；合并其他嚴重創傷及骨科疾病。研究已獲得尸體家屬同意，且通過我院倫理委員會批準實施。

1.3方 法

1.3.1分組情況：將18個標本分為兩組，其中模擬L4/5棘突間植入椎間融合器為研究組，而正常標本為對照組，兩組各9例。均對兩組標本進行旋轉運動、側屈及伸屈的測量以評估其力學性質。經電阻應變儀(來源：北京一洋應振測試技術有限公司)連接后，盡量保持兩組標本載荷、結構及性質的統一性以獲得較為統一、精確的力學模型。本研究重在L4/5腰椎節段，其旋轉運動、側屈及伸屈的活動范圍見表1。

1.3.2腰椎載荷情況：根據其體質量作用在腰椎上的質量以算出腰椎載荷程度，其生物載荷為600N，并從150N、300N、450N至600N逐級施加到標本腰椎上，施加速度調整為1.5mm/min。

1.3.3操作方法：將標本固定在應變儀上，其上端接有壓力傳感器及加載板，下端則固定在試驗臺上，利用對力矩大小的變化以測試兩組標本伸屈、側屈、前屈及后伸等情況，將左側屈所測結果為側屈結果，加載維持0.5min后對其結果進行記錄，并在最大負荷600N下測量其線性移位情況。按照上述操作方法于電子扭轉試驗儀(來源：深圳君瑞儀器設備有限公司)上加載測試左側旋轉力矩大小以獲得標本角位移情況。

1.4觀察指標：兩組標本在最大負荷600N下其L4/5腰椎左側屈、左旋轉、前屈、后伸狀態下的角位移與線性位移情況；兩組L4/5腰椎在前屈、中心壓縮、側屈及后伸下固定載荷與其應變關系。

2 結 果

2.1兩組于最大載荷時不同狀態下椎體位移情況：對比于施加最大載荷600N下，研究組椎體的角位移與線性位移在左側屈、左旋轉、前屈、后伸狀態下均小于對照組(P均<0.05)。見表2。

表2 兩組于最大載荷時不同狀態下椎體位移情況對比

2.2兩組L4/5腰椎在各個狀態下固定載荷-應變關系分析：研究組于各個植入處在前屈、中心壓縮、側屈及后伸下的應變變化均較對照組小(P均<0.05)。見表3。

表3 L4/5腰椎在各個狀態下固定載荷-應變關系分析

注：與對照組對比，*P<0.05

2.3相鄰節段的生物相容性情況:在椎間融合器置入2個月后，與其相鄰的節段部位存在成骨表現，其骨密度有所提升，且相鄰節段位置透亮帶呈現模糊；術后3個月其相鄰節段已形成大量高密度骨，其透亮帶有所減少，植骨界面呈模糊情況。

3 討 論

腰椎退行性變中的退行性腰椎管狹窄癥狀在腰椎L4/5的發病率居于首位[9,10]，本次研究將載荷控制與位移控制為生物力學加載形式。為減少隨機誤差，以防采取同個標本引起的標本疲勞誤差，本次研究將18個標本分為兩組標本。研究報道指出[11]，腰椎L4/5節段在側屈、伸屈及旋轉的活動范圍均值分別為6度、2度及17度，本次研究所測的活動范圍處在文獻指示的誤差范圍內，研究組的力學模型是具有可行性的，進而認為探討L4/5棘突的生物力學及其生物相容性是可信的。

本研究結果發現，研究組于各個植入處在前屈、中心壓縮、側屈及后伸下的應變變化均較對照組小。于施加最大載荷600N下，研究組椎體的角位移與線性位移在左側屈、左旋轉、前屈、后伸狀態下均小于對照組。分析其原因，植入椎間融合器可能會對椎體旋轉、伸屈等運動程度產生一定的影響，會降低其椎間盤的應變能力，但能夠增強椎體穩定性。并且，植入椎間融合器不會引起中心壓縮的變化，可見，L4/5棘突間植入椎間融合器可有效改善傷椎的活動度，保留其穩定性，有助于減輕椎間盤應力。其次，該融合器具有以下幾個特點：①大開式設計，能夠刺激有效地進行移植物的移植與融合，有助于椎體端面與植入接觸面發揮至最大化程度[12,13]。②具有抗脫出齒狀，能夠極大避免融合器脫出等情況發生，進而有效提升其穩定性。③具有防損傷圓弧形狀，能夠更方便椎體的植入操作，縮短操作時間。④具有豐富的尺寸，能夠方便臨床更好地進行選擇。⑤該融合器的前凸角能夠有效地進行徑向平衡的修正[14]。椎間融合器操作簡單可行，具有較強的壓縮力和穩定性，能夠改善椎骨生長，進而促進椎體間融合，最終有助于改善傷椎患者的生活水平。

此外，本研究結果發現，在椎間融合器置入2個月后，與其相鄰的節段部位存在成骨表現，其骨密度有所提升，且相鄰節段位置透亮帶呈現模糊；術后3個月其相鄰節段已形成大量高密度骨，其透亮帶有所減少，植骨界面呈模糊情況。可見，L4/5棘突間植入椎間融合器后其生物相容性較好。該融合器通過撐開-壓縮的作用機制，利用對其椎間隙的作用力與反作用力下能夠發揮抗旋轉扭曲的作用，同時可以利用植入骨、界面與受體骨進行結合后最終成骨。

綜上所述，L4/5棘突間植入椎間融合器可有效改善傷椎的活動度，保留其穩定性，生物相容性較佳，有助于減輕椎間盤應力。但本次研究尚有不足，因條件有限，研究的標本數量較少，今后仍需進一步擴大標本數以不斷探討與總結。

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TheStabilityofL4/5InterspinousInterbodyFusionCageanditsEffectsonBiomechanicalPropertiesandBiocompatibilityofAdjacentSegments

HONGZhiqun,YEWei,LINGuobing

(No.95HospitalofPLA,FujianPutian351100,China)

Objective: To investigate the effects of stability of the L4/5lumbar, biomechanical properties and biocompatibility of adjacent segments for interspinous fusion cage.Methods18 fresh adult frozen spine specimens were collected, including L4/5lumbar for interspinous fusion cage as the study group, and normal specimens as the control group, with 9 specimens in each group. The specimens of two groups were numbered and implanted in vivo and fixed by fixators.ResultsThe strain changes in different implantation for anteflexion, center compression, lateroflexion and rear protraction in the study group were smaller than in the control group (P all<0.05). Under the maximum load of 600 N, the angular displacement and linear displacement in left lateral flexion, levorotation, anteflexion and rear protraction in the study group were lower than in the control group (P all<0.05).ConclusionL4/5lumbar for interspinous fusion cage can effectively improve the vertebral activity and keep its stability, which is helpful to shorten the stress of the intervertebral disc.

Interspinous fusion cage; Stability; Biomechanics; Biocompatibility

1006-6233(2017)11-1776-04

莆田學院院內課題，(編號:閩莆院2014042)

林國兵

A

10.3969/j.issn.1006-6233.2017.11.005