Steffee椎弓根钢板疲劳特性的生物力学研究
作者：朱青安 欧阳钧 赵卫东 钟世镇
单位：510515 广州，第一军医大学全军医学生物力学实验室
关键词：
中华外科杂志/980828 Steffee椎弓根钢板广泛应用于治疗胸腰椎不稳。尽管已有研究证实Steffee椎弓根钢板具有较好的即刻三维稳定性，但对于其在整个骨椎体间期间是否能维持足够的稳定性尚缺少全面的研究。我们在MTS双轴液压伺服生物材料试验系统上对安放在L1～L3的Steffee椎弓根钢板，摹拟在体载荷的周期性作用，分析Steffee椎弓根钢板固定脊柱的稳定性和椎体间高度随周期性载荷作用次数的变化。
一、材料和方法
研究标本取自4例生前无胸腰椎疾患的青年男性新鲜尸体。截取T12～L4，剔除肌肉组织，保留骨和韧带，标本上下两端椎骨包埋于聚甲基丙烯酸甲酯中，双层塑料袋密封后于-20℃下保存。测试前标本在室温下自然解冻。所用器械为张家港医疗器械厂金鹿牌Steffee椎弓根钢板。在L1和L3打入直径为5 mm的椎弓根钉，安放2孔椎弓根钢板，然后切除L2椎体前2/3，摹拟L2爆裂性骨折。
, 百拇医药
将腰椎标本放置在MTS 858 双轴液压伺服生物材料试验系统上(Minneapolis,USA)，对标本施加压缩载荷，力的作用点在T12椎体前中1/3。在L1椎体下缘与L3椎体前缘之间放置引伸计，测量椎体间高度变化。所施加载荷为500 N±300 N，循环加载频率为1 Hz，循环加载次数为30 000次。首先测试正常和疲劳前L1～L3节段的刚度，所加载荷为-650 N，然后每循环加载1 000次后记录3个加载周期的峰-谷值并测试疲劳刚度。
二、结果
4例标本正常L1～L3节段刚度平均为5.55 kN/mm。L2椎体前2/3切除并安放Steffee椎弓根钢板后，L1～L3节段刚度平均为0.29 kN/mm。在循环加载10000次之前，相对刚度随疲劳次数的增大明显，之后相对刚度基本保持不变。循环加载30000次后，刚度上升为0.552 kN/mm，刚度相对平均增加80%；椎体间高度平均缩短3.7 mm。椎体间高度随循环加载次数的增加而减少，尤其在最初的3000次中，椎体间高度下降明显。循环加载30000次后，取出椎弓根螺钉，均发现在钉-板交界处螺钉有少许的折弯，螺钉-骨界面牢靠，Steffee钢板正常，L1～L3椎体间高度明显降低。
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三、讨论
1.脊柱内固定疲劳模型：在脊柱标本上进行的脊柱内固定器械的疲劳能较好地反映疲劳周期性载荷作用后的疲劳效应，但由于生物材料变性，一般都将疲劳载荷次数限制在20 000～100000次[1]。由于骨密度对脊柱内固定疲劳有很大的影响，故以高龄尸体标本为对象的研究结果分散性较大。由于小牛椎骨的生物力学性能特性接近人类青壮年，有学者研究了其特定载荷类型下的脊柱内固定疲劳特性[1]。本实验采用青壮年男性脊柱标本研究Steffee椎弓根钢板疲劳特性，较之前者有更好的针对性和可比性。
本研究采用L2椎体前2/3截骨，腰椎承受的载荷主要通过Steffee椎弓根钢板向下传递，是器械承受最多载荷的情况。采用前屈-压缩疲劳载荷模拟人日常活动时所受到的反复受力，压缩载荷350 N～650 N，为步行时腰椎承受的最小载荷[2]。作为离体试验，本研究试图评价器械疲劳后的远期效果，未计疲劳期间脊柱本身的修复能力。
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2.Steffee椎弓根钢板的疲劳特性：Steffee钢板固定腰椎后，若椎体不能承受载荷，载荷将通过器械由前柱向后柱、再由后柱向前柱传递。此时，Steffee钢板承受了很大的前屈力矩，其抗压能力大大减少。本实验结果证实，Steffee椎弓根钢板抵抗压缩载荷的能力大大低于正常腰椎，仅为正常腰椎的5.4%。
在整个疲劳期间，L1～L3节段椎间高度随疲劳次数的增加而下降，即单纯依靠器械维持的高度不断减少。疲劳
30000次后，L1～L3间高度降低了3.7 mm，与临床上Steffee椎弓根钢板固定后期椎体高度丢失现象相同。疲劳作用下器械撑开高度的减少与椎弓根螺钉的折弯、螺钉-骨界面和螺钉-钢板间的松动有很大的关系。本实验观察到疲劳后椎弓根螺钉在钉板连接处有少许折弯，这是螺钉在疲劳载荷作用下产生的塑性变形，导致器械撑开高度的减少。Wittenberg等[1]在小牛腰椎标本上观察到椎弓根螺钉在钉板连接处断裂，是螺钉的疲劳断裂。本实验未对螺钉-骨界面和螺钉-钢板间的松动进行定量观测，估计上述两个界面的松动与器械撑开度共同导致受试节段高度的降低。另外，骨密度对骨-螺钉界面的松动有很大的影响，研究证实骨密度与椎弓根螺钉的拔出强度和旋入力矩呈正相关[3]。
, http://www.100md.com
参考文献
1Wittenberg RH,Shea M,Edwards WT,et al.A biomechanical study of the fatigue characteristics of thoracolumbar fixation implants in a calf spine model.Spine,1992,17:121-128.
2Ashman RB,Bechrold JE,Edward WT,et al.In vitro spinal arthrodesis implant mechanical testing protocols.J Spinal Dis,1989，2:274-281.
3Okuyama K,Sato K,Abe E,et al.Stability of transpedicle screwing for the osteoporodic spine. an in vitro study of the mechanical stability.Spine,1993,18:2240-2245., 百拇医药
单位：510515 广州，第一军医大学全军医学生物力学实验室
关键词：
中华外科杂志/980828 Steffee椎弓根钢板广泛应用于治疗胸腰椎不稳。尽管已有研究证实Steffee椎弓根钢板具有较好的即刻三维稳定性，但对于其在整个骨椎体间期间是否能维持足够的稳定性尚缺少全面的研究。我们在MTS双轴液压伺服生物材料试验系统上对安放在L1～L3的Steffee椎弓根钢板，摹拟在体载荷的周期性作用，分析Steffee椎弓根钢板固定脊柱的稳定性和椎体间高度随周期性载荷作用次数的变化。
一、材料和方法
研究标本取自4例生前无胸腰椎疾患的青年男性新鲜尸体。截取T12～L4，剔除肌肉组织，保留骨和韧带，标本上下两端椎骨包埋于聚甲基丙烯酸甲酯中，双层塑料袋密封后于-20℃下保存。测试前标本在室温下自然解冻。所用器械为张家港医疗器械厂金鹿牌Steffee椎弓根钢板。在L1和L3打入直径为5 mm的椎弓根钉，安放2孔椎弓根钢板，然后切除L2椎体前2/3，摹拟L2爆裂性骨折。
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将腰椎标本放置在MTS 858 双轴液压伺服生物材料试验系统上(Minneapolis,USA)，对标本施加压缩载荷，力的作用点在T12椎体前中1/3。在L1椎体下缘与L3椎体前缘之间放置引伸计，测量椎体间高度变化。所施加载荷为500 N±300 N，循环加载频率为1 Hz，循环加载次数为30 000次。首先测试正常和疲劳前L1～L3节段的刚度，所加载荷为-650 N，然后每循环加载1 000次后记录3个加载周期的峰-谷值并测试疲劳刚度。
二、结果
4例标本正常L1～L3节段刚度平均为5.55 kN/mm。L2椎体前2/3切除并安放Steffee椎弓根钢板后，L1～L3节段刚度平均为0.29 kN/mm。在循环加载10000次之前，相对刚度随疲劳次数的增大明显，之后相对刚度基本保持不变。循环加载30000次后，刚度上升为0.552 kN/mm，刚度相对平均增加80%；椎体间高度平均缩短3.7 mm。椎体间高度随循环加载次数的增加而减少，尤其在最初的3000次中，椎体间高度下降明显。循环加载30000次后，取出椎弓根螺钉，均发现在钉-板交界处螺钉有少许的折弯，螺钉-骨界面牢靠，Steffee钢板正常，L1～L3椎体间高度明显降低。
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三、讨论
1.脊柱内固定疲劳模型：在脊柱标本上进行的脊柱内固定器械的疲劳能较好地反映疲劳周期性载荷作用后的疲劳效应，但由于生物材料变性，一般都将疲劳载荷次数限制在20 000～100000次[1]。由于骨密度对脊柱内固定疲劳有很大的影响，故以高龄尸体标本为对象的研究结果分散性较大。由于小牛椎骨的生物力学性能特性接近人类青壮年，有学者研究了其特定载荷类型下的脊柱内固定疲劳特性[1]。本实验采用青壮年男性脊柱标本研究Steffee椎弓根钢板疲劳特性，较之前者有更好的针对性和可比性。
本研究采用L2椎体前2/3截骨，腰椎承受的载荷主要通过Steffee椎弓根钢板向下传递，是器械承受最多载荷的情况。采用前屈-压缩疲劳载荷模拟人日常活动时所受到的反复受力，压缩载荷350 N～650 N，为步行时腰椎承受的最小载荷[2]。作为离体试验，本研究试图评价器械疲劳后的远期效果，未计疲劳期间脊柱本身的修复能力。
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2.Steffee椎弓根钢板的疲劳特性：Steffee钢板固定腰椎后，若椎体不能承受载荷，载荷将通过器械由前柱向后柱、再由后柱向前柱传递。此时，Steffee钢板承受了很大的前屈力矩，其抗压能力大大减少。本实验结果证实，Steffee椎弓根钢板抵抗压缩载荷的能力大大低于正常腰椎，仅为正常腰椎的5.4%。
在整个疲劳期间，L1～L3节段椎间高度随疲劳次数的增加而下降，即单纯依靠器械维持的高度不断减少。疲劳
30000次后，L1～L3间高度降低了3.7 mm，与临床上Steffee椎弓根钢板固定后期椎体高度丢失现象相同。疲劳作用下器械撑开高度的减少与椎弓根螺钉的折弯、螺钉-骨界面和螺钉-钢板间的松动有很大的关系。本实验观察到疲劳后椎弓根螺钉在钉板连接处有少许折弯，这是螺钉在疲劳载荷作用下产生的塑性变形，导致器械撑开高度的减少。Wittenberg等[1]在小牛腰椎标本上观察到椎弓根螺钉在钉板连接处断裂，是螺钉的疲劳断裂。本实验未对螺钉-骨界面和螺钉-钢板间的松动进行定量观测，估计上述两个界面的松动与器械撑开度共同导致受试节段高度的降低。另外，骨密度对骨-螺钉界面的松动有很大的影响，研究证实骨密度与椎弓根螺钉的拔出强度和旋入力矩呈正相关[3]。
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参考文献
1Wittenberg RH,Shea M,Edwards WT,et al.A biomechanical study of the fatigue characteristics of thoracolumbar fixation implants in a calf spine model.Spine,1992,17:121-128.
2Ashman RB,Bechrold JE,Edward WT,et al.In vitro spinal arthrodesis implant mechanical testing protocols.J Spinal Dis,1989，2:274-281.
3Okuyama K,Sato K,Abe E,et al.Stability of transpedicle screwing for the osteoporodic spine. an in vitro study of the mechanical stability.Spine,1993,18:2240-2245., 百拇医药