模拟前路植骨及植入TFC对颈椎粘弹性影响的实验性研究
【摘要】 目的 研究前路间盘摘除椎间融合术分别植入髂骨块和植入新型氮化纯钛椎间植骨融合器(TFC)对颈椎粘弹性的影响。方法 在12具新鲜颈椎标本上模拟前路间盘摘除椎间融合术，分别植入髂骨块和TFC，测试其应力松弛和蠕变效应，得出在恒应变、应力条件下的应力、应变—时间曲线及数据。回归分析处理实验数据，得出归—化应力松弛函数、蠕变函数及曲线。结果 与植入髂骨块组相比，植入TFC组粘弹性降低较小，位移也较小，说明前路间盘摘除椎间融合术植入TFC具有较好的稳定性。结论 前路间盘摘除椎间融合术植入TFC是一种可靠的方法。
关键词 模拟前路植骨 TFC 粘弹性 颈椎
【文献标识码】 A 【文章编号】 1609-6614(2003)24-2221-03
Experimental study on effects of anterior-bone-grafting
, http://www.100md.com
and inserting TFC on the viscoelastic properties of cervical vertebra
Wang Xiyuan，Zhang Daguang，Cui Lin，et al.
Department of Osteology，The First Hospital of Jilin University，Changchun130021.
【Abstract】 Objective Investigate the effect of simulating anterior-bone-grafting and inserting a new titaˉnium threaded fusion cage after removal of intervertebral disc on viscoelastic properties of cervical vertebra.Methods Simulating operations with anterior-bone-grating and inserting titanium threaded fusion cag were performed on twelve cervical human spines In vitro.The operated cervical vertebra were tested with stress relaxation and creep efˉfects，and the stress-time，strain-time curves were obtained under the condition of constant stress and strain.Regresˉsion analysis was used to get the reduced stress relaxationand creep function in mathematics and curves.Results There were more viscoelastic properties left and less displacement happened in group of insertingTFC than in groups of anterior-bone-grafting.The results showed that inserting TFC after removal of intervertebral disc is more stable than anterior-bone-grafting.Conclusion Titanium threaded fusion cage inserted in anterior intervertebral fusion is areˉliable method.
, 百拇医药
Key words anterior-bone-grafting TFC viscoelastic properties cervical vertebra
颈间盘突出症是多发于中老年的脊柱退行性疾患。前路减压、椎间植骨融合是传统治疗方法，即切除病变部位的椎间盘及部分骨质，然后取自体髂骨或胫骨上段骨块植入缺损区。由于植骨区缺乏应力刺激影响骨性愈合，松质骨骨块强度有限，骨块形状不规则使植骨界面缺乏可靠的稳定性，均可导致日后颈椎不稳和畸形。为解决上述问题，国内外学者进行了大量的研究工作。1993年Kuslich发明了应用于腰椎的椎间融合器(Threaded Fusion Cage，TFC)，即著名的BaK融合器(Bagby and Kuslich TFC)，经北美脊柱外科年会和国际腰椎研究年会上报道其临床结果后，已被广泛接受和应用，并迅速发展成为最有效的脊柱界面固定技术 [1] 。目前商品化的颈椎TFC较少，材质皆为钛钢合金，术后不适合作MRI和CT检查;且价格昂贵，达上万元，一般患者难以接受。因此，笔者根据国人颈椎的生理解剖特点，比较各种金属及合金的理化性能后，设计了一种纯钛颈椎TFC，经过直线切割及表面氮化等工艺处理后，其理化性能已接近钛钢合金，加之其极低的磁导率、较低的密度和与骨相近的弹性模量，使其在生物力学方面具有一定的优越性。为明确其界面固定效果，我们在12具离体颈椎标本上进行了压缩应力松弛及蠕变测试，分别研究了植骨块及植入TFC对颈椎中下段粘弹性的影响，进而比较二者之间的差异。
, http://www.100md.com
1 材料与方法
1.1 材料 试验标本取自因急性头部外伤致死的男性尸体，共12具，年龄21～37岁，于死亡后1h之内解剖切取脊柱C 2 ～T 1 段，附带部分软组织，经X线检查明确无病变与畸形后密封于塑料保鲜袋中，置于低温冰箱内保存。另备髂骨1副。试验前取出标本，室温下解冻，去除肌肉，保留前纵韧带、棘间韧间、黄韧带、小关节突及关节囊。随机取4个作为正常组(完整颈椎)，4个为植骨组，4个为TFC组。用Φ12mm环钻在植骨组、TFC组标本的C 5～6 椎间盘正中稍偏上方垂直钻孔，直达椎体后缘。植骨组在孔内植入直径12mm，长15mm的髂骨块;TFC组则先以Φ14mm的配套丝锥在孔内攻丝，然后以十字形导入器植入纯钛TFC(14mm×14mm)。将上述标本置于试验机上，使其处于压缩状态下进行应力松弛和蠕变试验。试验装置采用AG-10TA(日本岛津)自动控制电子万能试验机，载荷通过载荷传感器传递，应变通过差动变压器式引伸计测量。将引伸计两端夹在标本两端即可测出标本应变值。试验结束后计算机自动输出试验结果。
, 百拇医药
1.2 C 2 ～T 1 段颈椎压缩应力松弛试验 用精度为0.01mm的千分尺测量正常组、植骨组、TFC组标本的长度，为132.69m～20.96mm。将原始尺寸输入到控制机器计算机内。颈椎和其它软组织一样，其弹性主要来自熵的改变，因而不存在唯一的状态，这样组织会随加载、卸载循环次数而改变，要多次重复才能达到稳定状态。本试验在最大应力为破坏应力的30%以下0.002Gpa。分别为每个标本反复加载、卸载30次，进行预调处理后进行试验。标本放入装有生理盐水(pH=7.4)的有机玻璃缸内，缸置于试验机工作台上，标本上端与试验机压头接触。试验机带有一35～250℃环境温箱。本试验模拟正常人体体温，在36.5±0.5℃的温度下进行。试验以50%/min的应变增加速度对标本施加常应变。正常组应变达到9.07%，植骨组应变达到7.4%;TFC组应变达到14%，载荷达到0.2kN，正常组应力达到0.4sMPa;试验组(1)应力达到0.377MPa;TFC组应力达到0.39MPa，使应变保持恒定，应力随时间改变不断下降。计算机程序设计从时间t(0)开始采集数据，每0.6s采集一个数据，采集10次，之后每10s采集一个数据，采集40次;之后每136s采集一个数据，采集50个数据，共采集100数据，历时7200s。达到设定时间后输出试验数据和曲线。
, 百拇医药
1.3 C 2 ～T 1 颈椎蠕变试验 颈椎标本的加载方式与试验温度等与应力松弛试验相同。本试验以0.5Gpa/min的应力增加速度对标本施加常应力，当载荷达到0.2N，正常组应力达到0.412MPa，植骨组应力达到0.371MPa，TFC组应力达到0.375MPa;正常组应变达到9.56%，植骨组应变达到7.69%，TFC组应变达到5.99%时，使应力保持恒定，应变随时间改变不断增加。
2 结果
2.1 C 2 ～T 1 段颈椎压缩应力松弛试验 正常组、植骨组、TFC组试验曲线经计算机拟合后见图1。
图1 C 2 ～T 1 颈椎正常组、植骨组及TFC组压力松弛函数曲线松弛曲线往往是以对数关系变化的，因此设:G(t)= 1 t=0C lnt+d t>0 式中c、d为待定常数令φ(c，d)=∑ n i=1 [G(t)-G 试 ] 2i则φc =0 φd =0 即: c∑ 6i=1 (ln t) 2 +d∑ 6i=1 ln t=∑ 6i=1 G 试 (1)c∑ 6i=1 ln t+∑ 6i=1 d=∑ 6i=1 G 试 (2)将试验数据代入(1)、(2)两式解出正常组，试验组(1)、(2)cd值结果如下:正常组G(t)= 1 t=0-0.09358lnt+0.9097 t>0 植骨组G(t)= 1 t=0-0.08256lnt+0.9735 t>0 TFC组G(t)= 1 t=0-0.0683lnt+0.9488 t>0
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2.2 由计算机绘出的正常组、植骨组、TFC组颈椎归-化应力松弛曲线 见图2。
图2 C 2 ～T 1 颈椎正常组、植骨组、TFC组归-化应力松弛函数曲线
2.3 C 2 ～T 1 颈椎蠕变试验 颈椎标本的蠕变试验数据经计算X±s结果，绘制颈椎蠕变曲线，见图3。图3 C 2 ～T 1 颈椎正常组、植骨组、TFC组蠕变函数曲线
2.4 归—化蠕变函数的建立 见图4。
归-化蠕变函数J(t)反映试样某一时刻的长度与原长之比，即J(t)=L(t)/L(0) [2] 。根据J(t)曲线，可以看出J(t)随时间的变化规定与指数函数的变化情况一致。故设:J(t)=a+be -t由最小二乘法确定a、b。令φ(a，b)=∑ n i=1 [J(t)-J 试 ] 2 证则方程:∑a+∑e -t b=∑J 试 (3) ∑ae -t +∑(e -t ) 2 b=∑e -t J 试(4)图4 C 2 ～T 1 颈椎正常组、植骨组、TFC组归-化蠕变函数曲线将试验数据代入(3)、(4)分别解出正常组、植骨组、TFC组颈椎的a、b值，所以有:正常组 J(t)=1.149+-1.022 (5)植骨组 J(t)=1.119+-0.8234 (6)TFC组 J(t)=1.094+-0.5469 (7)(5)、(6)、(7)式分别代表正常组，植骨组、TFC组颈椎的蠕变特性。
, 百拇医药
3 讨论
无论是应力松弛还是蠕变都以最初20min内应力或应变变化较大，之后应力缓慢下降，应变缓慢上升，由于身高、体重及所从事的运动方式不同，数据和曲线显示出一定的个体差异。如何考虑分析研究在压缩状态下人C 2 ～T 1 段颈椎的粘弹性质，应从颈椎的本身结构去考虑，颈椎是由椎体、间盘、椎弓、椎间关节，横突和棘突通过韧带连接所构成的活动体。当椎体做屈伸活动时以小关节为轴，椎体和间盘组织受压、棘上韧带牵张。而对椎体和棘上韧带的粘弹性质笔者进行了预试验，对标本C 2 ～T 1 段颈椎在200N力的作用下，单纯切除韧带载荷下降25%，椎体和棘上韧带蠕变率很小。这种低蠕变率应是组织结构决定的，因而可以认为颈椎的应力松弛和蠕变主要由间盘组织流变特性造成的 [2] 。 脊柱的承载功能主要由前中柱结构承担，其中椎间盘的功能是联结椎体，对抗压缩力，缓冲震荡和代偿剪力。大部分颈椎疾患的致压均来自脊髓前方，如颈椎骨折脱位、椎间盘变性和突出、退行性改变造成的后缘骨赘形成等。故颈椎前路手术已被广泛应用于临床。手术的治疗原则应为直接彻底的减压并重建病变节段的稳定性。为达到目的，病变节段的椎体间盘及相邻椎体的部分切除成为必要手段，由此对颈椎的前部结构造成了严重破坏，如何恢复其稳定性成为手术成功的关键。
, 百拇医药
自体髂骨移植患可达到减压节段的融合，但其植骨界面缺乏牢固的稳定性，加之骨块本身有限的强度，术后早期松动、滑脱、愈合不良和椎间隙塌陷的机率较高。本试验植骨组在应力作用下，由于植骨界面丧失一定的稳定性，其粘弹性降低。TFC组采用脊柱两个活动单位间的界面固定，可以恢复前中柱的强度和稳定性并能于远期达到坚固可靠的骨性融合 [3，4] 。试验结果表明，TFC组粘弹特性降低较少，说明其具有较好的稳定性。笔者设计的纯钛椎体间植骨融合器(Titnium Fusion Cage)带有螺纹，置入椎间隙后可自稳于上下椎体内，处于颈椎的最大承重轴上，接近ICR，在两椎体和cage之间构成一个三维超静定结构，因而有足够的抗弯曲、支撑抗滑移动性能，从而提高了颈椎的稳定性。
参考文献
1 Kuslich SD，Bagby G.The Bak interbody fusion system:early clinical of treatment for chronic low back pain.8th NASS Annual Meeting San Diego，USA，1993，175-176.
, 百拇医药
2 Tamotsu，Tamari.Identification of Viscoelastic Extension and Lateral Bending.Bio-Medical and Engineering，1990，203-214.
3 Yashiro K，Homma T.The steffevariable screw placement system using different methods of bone grafting.Spine，1997，16:1329-1334.
4 Andrew J，Alexander J.Biomechanicalcamparision of posterior lumbar interbody fusion cages.Spine，1997，2375-2379.
作者单位:130021吉林大学第一医院骨科
130025吉林大学南岭校区工程力学系
130021吉林大学基础医学院病理教研室
(编辑罗 彬), 百拇医药(王溪原 张大光 崔 林 李建军)
关键词 模拟前路植骨 TFC 粘弹性 颈椎
【文献标识码】 A 【文章编号】 1609-6614(2003)24-2221-03
Experimental study on effects of anterior-bone-grafting
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and inserting TFC on the viscoelastic properties of cervical vertebra
Wang Xiyuan，Zhang Daguang，Cui Lin，et al.
Department of Osteology，The First Hospital of Jilin University，Changchun130021.
【Abstract】 Objective Investigate the effect of simulating anterior-bone-grafting and inserting a new titaˉnium threaded fusion cage after removal of intervertebral disc on viscoelastic properties of cervical vertebra.Methods Simulating operations with anterior-bone-grating and inserting titanium threaded fusion cag were performed on twelve cervical human spines In vitro.The operated cervical vertebra were tested with stress relaxation and creep efˉfects，and the stress-time，strain-time curves were obtained under the condition of constant stress and strain.Regresˉsion analysis was used to get the reduced stress relaxationand creep function in mathematics and curves.Results There were more viscoelastic properties left and less displacement happened in group of insertingTFC than in groups of anterior-bone-grafting.The results showed that inserting TFC after removal of intervertebral disc is more stable than anterior-bone-grafting.Conclusion Titanium threaded fusion cage inserted in anterior intervertebral fusion is areˉliable method.
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Key words anterior-bone-grafting TFC viscoelastic properties cervical vertebra
颈间盘突出症是多发于中老年的脊柱退行性疾患。前路减压、椎间植骨融合是传统治疗方法，即切除病变部位的椎间盘及部分骨质，然后取自体髂骨或胫骨上段骨块植入缺损区。由于植骨区缺乏应力刺激影响骨性愈合，松质骨骨块强度有限，骨块形状不规则使植骨界面缺乏可靠的稳定性，均可导致日后颈椎不稳和畸形。为解决上述问题，国内外学者进行了大量的研究工作。1993年Kuslich发明了应用于腰椎的椎间融合器(Threaded Fusion Cage，TFC)，即著名的BaK融合器(Bagby and Kuslich TFC)，经北美脊柱外科年会和国际腰椎研究年会上报道其临床结果后，已被广泛接受和应用，并迅速发展成为最有效的脊柱界面固定技术 [1] 。目前商品化的颈椎TFC较少，材质皆为钛钢合金，术后不适合作MRI和CT检查;且价格昂贵，达上万元，一般患者难以接受。因此，笔者根据国人颈椎的生理解剖特点，比较各种金属及合金的理化性能后，设计了一种纯钛颈椎TFC，经过直线切割及表面氮化等工艺处理后，其理化性能已接近钛钢合金，加之其极低的磁导率、较低的密度和与骨相近的弹性模量，使其在生物力学方面具有一定的优越性。为明确其界面固定效果，我们在12具离体颈椎标本上进行了压缩应力松弛及蠕变测试，分别研究了植骨块及植入TFC对颈椎中下段粘弹性的影响，进而比较二者之间的差异。
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1 材料与方法
1.1 材料 试验标本取自因急性头部外伤致死的男性尸体，共12具，年龄21～37岁，于死亡后1h之内解剖切取脊柱C 2 ～T 1 段，附带部分软组织，经X线检查明确无病变与畸形后密封于塑料保鲜袋中，置于低温冰箱内保存。另备髂骨1副。试验前取出标本，室温下解冻，去除肌肉，保留前纵韧带、棘间韧间、黄韧带、小关节突及关节囊。随机取4个作为正常组(完整颈椎)，4个为植骨组，4个为TFC组。用Φ12mm环钻在植骨组、TFC组标本的C 5～6 椎间盘正中稍偏上方垂直钻孔，直达椎体后缘。植骨组在孔内植入直径12mm，长15mm的髂骨块;TFC组则先以Φ14mm的配套丝锥在孔内攻丝，然后以十字形导入器植入纯钛TFC(14mm×14mm)。将上述标本置于试验机上，使其处于压缩状态下进行应力松弛和蠕变试验。试验装置采用AG-10TA(日本岛津)自动控制电子万能试验机，载荷通过载荷传感器传递，应变通过差动变压器式引伸计测量。将引伸计两端夹在标本两端即可测出标本应变值。试验结束后计算机自动输出试验结果。
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1.2 C 2 ～T 1 段颈椎压缩应力松弛试验 用精度为0.01mm的千分尺测量正常组、植骨组、TFC组标本的长度，为132.69m～20.96mm。将原始尺寸输入到控制机器计算机内。颈椎和其它软组织一样，其弹性主要来自熵的改变，因而不存在唯一的状态，这样组织会随加载、卸载循环次数而改变，要多次重复才能达到稳定状态。本试验在最大应力为破坏应力的30%以下0.002Gpa。分别为每个标本反复加载、卸载30次，进行预调处理后进行试验。标本放入装有生理盐水(pH=7.4)的有机玻璃缸内，缸置于试验机工作台上，标本上端与试验机压头接触。试验机带有一35～250℃环境温箱。本试验模拟正常人体体温，在36.5±0.5℃的温度下进行。试验以50%/min的应变增加速度对标本施加常应变。正常组应变达到9.07%，植骨组应变达到7.4%;TFC组应变达到14%，载荷达到0.2kN，正常组应力达到0.4sMPa;试验组(1)应力达到0.377MPa;TFC组应力达到0.39MPa，使应变保持恒定，应力随时间改变不断下降。计算机程序设计从时间t(0)开始采集数据，每0.6s采集一个数据，采集10次，之后每10s采集一个数据，采集40次;之后每136s采集一个数据，采集50个数据，共采集100数据，历时7200s。达到设定时间后输出试验数据和曲线。
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1.3 C 2 ～T 1 颈椎蠕变试验 颈椎标本的加载方式与试验温度等与应力松弛试验相同。本试验以0.5Gpa/min的应力增加速度对标本施加常应力，当载荷达到0.2N，正常组应力达到0.412MPa，植骨组应力达到0.371MPa，TFC组应力达到0.375MPa;正常组应变达到9.56%，植骨组应变达到7.69%，TFC组应变达到5.99%时，使应力保持恒定，应变随时间改变不断增加。
2 结果
2.1 C 2 ～T 1 段颈椎压缩应力松弛试验 正常组、植骨组、TFC组试验曲线经计算机拟合后见图1。
图1 C 2 ～T 1 颈椎正常组、植骨组及TFC组压力松弛函数曲线松弛曲线往往是以对数关系变化的，因此设:G(t)= 1 t=0C lnt+d t>0 式中c、d为待定常数令φ(c，d)=∑ n i=1 [G(t)-G 试 ] 2i则φc =0 φd =0 即: c∑ 6i=1 (ln t) 2 +d∑ 6i=1 ln t=∑ 6i=1 G 试 (1)c∑ 6i=1 ln t+∑ 6i=1 d=∑ 6i=1 G 试 (2)将试验数据代入(1)、(2)两式解出正常组，试验组(1)、(2)cd值结果如下:正常组G(t)= 1 t=0-0.09358lnt+0.9097 t>0 植骨组G(t)= 1 t=0-0.08256lnt+0.9735 t>0 TFC组G(t)= 1 t=0-0.0683lnt+0.9488 t>0
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2.2 由计算机绘出的正常组、植骨组、TFC组颈椎归-化应力松弛曲线 见图2。
图2 C 2 ～T 1 颈椎正常组、植骨组、TFC组归-化应力松弛函数曲线
2.3 C 2 ～T 1 颈椎蠕变试验 颈椎标本的蠕变试验数据经计算X±s结果，绘制颈椎蠕变曲线，见图3。图3 C 2 ～T 1 颈椎正常组、植骨组、TFC组蠕变函数曲线
2.4 归—化蠕变函数的建立 见图4。
归-化蠕变函数J(t)反映试样某一时刻的长度与原长之比，即J(t)=L(t)/L(0) [2] 。根据J(t)曲线，可以看出J(t)随时间的变化规定与指数函数的变化情况一致。故设:J(t)=a+be -t由最小二乘法确定a、b。令φ(a，b)=∑ n i=1 [J(t)-J 试 ] 2 证则方程:∑a+∑e -t b=∑J 试 (3) ∑ae -t +∑(e -t ) 2 b=∑e -t J 试(4)图4 C 2 ～T 1 颈椎正常组、植骨组、TFC组归-化蠕变函数曲线将试验数据代入(3)、(4)分别解出正常组、植骨组、TFC组颈椎的a、b值，所以有:正常组 J(t)=1.149+-1.022 (5)植骨组 J(t)=1.119+-0.8234 (6)TFC组 J(t)=1.094+-0.5469 (7)(5)、(6)、(7)式分别代表正常组，植骨组、TFC组颈椎的蠕变特性。
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3 讨论
无论是应力松弛还是蠕变都以最初20min内应力或应变变化较大，之后应力缓慢下降，应变缓慢上升，由于身高、体重及所从事的运动方式不同，数据和曲线显示出一定的个体差异。如何考虑分析研究在压缩状态下人C 2 ～T 1 段颈椎的粘弹性质，应从颈椎的本身结构去考虑，颈椎是由椎体、间盘、椎弓、椎间关节，横突和棘突通过韧带连接所构成的活动体。当椎体做屈伸活动时以小关节为轴，椎体和间盘组织受压、棘上韧带牵张。而对椎体和棘上韧带的粘弹性质笔者进行了预试验，对标本C 2 ～T 1 段颈椎在200N力的作用下，单纯切除韧带载荷下降25%，椎体和棘上韧带蠕变率很小。这种低蠕变率应是组织结构决定的，因而可以认为颈椎的应力松弛和蠕变主要由间盘组织流变特性造成的 [2] 。 脊柱的承载功能主要由前中柱结构承担，其中椎间盘的功能是联结椎体，对抗压缩力，缓冲震荡和代偿剪力。大部分颈椎疾患的致压均来自脊髓前方，如颈椎骨折脱位、椎间盘变性和突出、退行性改变造成的后缘骨赘形成等。故颈椎前路手术已被广泛应用于临床。手术的治疗原则应为直接彻底的减压并重建病变节段的稳定性。为达到目的，病变节段的椎体间盘及相邻椎体的部分切除成为必要手段，由此对颈椎的前部结构造成了严重破坏，如何恢复其稳定性成为手术成功的关键。
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自体髂骨移植患可达到减压节段的融合，但其植骨界面缺乏牢固的稳定性，加之骨块本身有限的强度，术后早期松动、滑脱、愈合不良和椎间隙塌陷的机率较高。本试验植骨组在应力作用下，由于植骨界面丧失一定的稳定性，其粘弹性降低。TFC组采用脊柱两个活动单位间的界面固定，可以恢复前中柱的强度和稳定性并能于远期达到坚固可靠的骨性融合 [3，4] 。试验结果表明，TFC组粘弹特性降低较少，说明其具有较好的稳定性。笔者设计的纯钛椎体间植骨融合器(Titnium Fusion Cage)带有螺纹，置入椎间隙后可自稳于上下椎体内，处于颈椎的最大承重轴上，接近ICR，在两椎体和cage之间构成一个三维超静定结构，因而有足够的抗弯曲、支撑抗滑移动性能，从而提高了颈椎的稳定性。
参考文献
1 Kuslich SD，Bagby G.The Bak interbody fusion system:early clinical of treatment for chronic low back pain.8th NASS Annual Meeting San Diego，USA，1993，175-176.
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2 Tamotsu，Tamari.Identification of Viscoelastic Extension and Lateral Bending.Bio-Medical and Engineering，1990，203-214.
3 Yashiro K，Homma T.The steffevariable screw placement system using different methods of bone grafting.Spine，1997，16:1329-1334.
4 Andrew J，Alexander J.Biomechanicalcamparision of posterior lumbar interbody fusion cages.Spine，1997，2375-2379.
作者单位:130021吉林大学第一医院骨科
130025吉林大学南岭校区工程力学系
130021吉林大学基础医学院病理教研室
(编辑罗 彬), 百拇医药(王溪原 张大光 崔 林 李建军)