膨胀式脊柱内固定系统椎弓根螺钉的生物力学测试

目的测试并比较自行设计的膨胀式脊柱内固定系统(expansivespinesystem,ESS)椎弓根螺钉以及CD-Ⅱ和GSS螺钉置入正常人腰椎体标本的最大轴向拔出力及最大旋入力矩,评价ESS螺钉脊柱固定稳定性。方法将30个正常成人腰椎椎体标本随机分为3组,每组10个椎体(20侧椎弓根),分别置入ESS、CD-Ⅱ和GSS椎弓根螺钉,行螺钉拔出试验,测试并记录螺钉的最大旋入力矩和最大轴向拔出力。结果三组螺钉的最大旋入力矩分别为(5.79±1.85)Nm、(5.19±0.75)Nm和(5.56±1.31)Nm,最大轴向拔出力分别为(2219.80±367.60)N、(1630.65±392.58)N和(1963.75±403.68)N。ESS螺钉最大轴向拔出力最大,且与CD-Ⅱ螺钉相比差异有非常显著性意义(P<0.01),与GSS螺钉相比有显著性意义(P<0.05)。结论ESS螺钉具有很强的椎弓根锚固作用。     

枢椎前后路三种螺钉内固定的安全性比较*

目的 观察计算机辅助枢椎前路椎弓根螺钉（AAPS）置钉优势,并测量AAPS、椎弓根螺钉及椎体螺钉（VBS）的最大拔出力,为临床手术操作选取适当的内固定方式,提供生物力学理论依据。方法 从2019年10月至2021年1月,收集人体实体颈椎防腐标本16例,除去畸形标本1例。剩余标本,包括男10例,女5例,行CT扫描后将数据导入Mimics软件,形成三维重建图并观察。参考Kolle法,在每节枢椎上分别采用前路椎弓根螺钉、后路椎弓根螺钉、前路椎体螺钉三种形式固定方法。在生物力学试验机上测试每种固定方式的最大拔出力。结果 Mimics软件中的三维重建图,可以从任意视角直接观察并了解结构状况。前路椎弓根螺钉最大轴向拔出力平均为（635.95±220.35）N,后路椎弓根螺钉组的最大轴向拔出力平均为（772.95±230.55）N,VBS组螺钉的最大轴向拔出力平均为（451.45±181.13）N。采用配对样本t检验,两两比较AAPS组与后路椎弓根钉组,以及AAPS组与VBS组测值。P值均<0.05,差异有统计学意义。这显示在单皮质固定的条件下,椎弓根螺钉的置钉拔出力大于前路椎弓根螺钉（AAPS）,AAPS置钉拔出力大于VBS置钉法。结论 计算机辅助有利于了解枢椎结构特点,便于个体化的AAPS置钉操作,AAPS钉道固定性能良好,有较明显生物力学优势,可作为手术内固定选择的较理想方式。     

MIIGX3强化椎弓根螺钉固定的生物力学研究

评价MIIGX3(minimally-invasive injectable graft X3)对椎弓根螺钉固定骨质疏松椎体的强化作用.在2组(A、B组)女性骨质疏松尸体椎骨的一侧直接置入椎弓根螺钉作对照(对照侧),另一侧注入MIIGX3后再置入螺钉作强化固定(强化侧).A组于置入椎弓根螺钉30 min后行拔出实验,B组于置入椎弓根螺钉24 h后行拔出实验,各测得一组椎弓根螺钉的最大轴向拔出力(F-max).结果表明:A组F-max对照侧和强化侧为587.43±29.97 N及963.14±48.25 N,B组F-max对照侧和强化侧为604.29±16.38 N及1135.43±64.60 N;强化侧和对照侧比较,2组均存在显著性差异(P＜0.01).说明MIIGX3能够加强椎弓根螺钉对骨质疏松椎体的固定作用.     

骶骨S2椎弓根外进钉固定的生物力学分析

背景：模拟骶骨骨折S2椎弓根钉外进钉固定拔出力与在拔出椎弓钉时的应变电测分析鲜有报道。 目的：测量S2椎弓根外进钉固定拔出力与骶骨应变分布,为临床提供生物力学参数。 方法：取正常国人新鲜尸体骶骨标本,以椎弓根钉外进钉方法固定于S2椎弓根,以小型力传感器与椎弓根钉固定装置连接测量椎弓根钉的拔出力,同时以动静态电阻应变仪,对预先粘贴在4个椎弓根螺栓固定边缘部位和骶骨不同部位的应变片进行应变电测量。1号进钉点位置为左侧第1骶后孔下缘最低点,2号进钉点位置为右侧第1骶后孔下缘最低点,3号进钉点为左侧第1骶后孔连线与骶外侧嵴的交点,4号进钉点为右侧第1骶后孔连线与骶外侧嵴的交点。测量椎弓根螺钉最大拔出力和骶骨各测点应变值。 结果与结论：外进钉1号螺钉拔出力为(399.0±7.2) N,2号螺钉拔出力为(281.0±5.2) N,3号螺钉拔出力为(196.0±4.3) N,4号螺钉拔出力为(220.1±4.6) N。应变电测量最小应变发生在2号螺钉8号测点,应变为(13.5±1.1) με;最大应变发生在1号螺钉1号测点,应变为(96.8±6.5) με。提示S2椎弓根钉外进钉固定方法符合生物力学原理。     

寰椎后路两种螺钉固定的解剖学测量和生物力学测试的对比研究

目的　对寰椎椎弓根螺钉和寰椎侧块螺钉两种固定方法进行解剖测量和生物力学测试的对比研究，为临床选择寰椎螺钉的固定方式提供依据。方法　用电子游标卡尺和量角器测量16套正常成年人寰椎新鲜标本的相关参数，包括寰椎侧块螺钉的最大进钉长度(L1)、侧块螺钉进钉点到寰椎后弓后缘的长度(L2)、椎弓根螺钉在寰椎侧块内部分的长度(L3)、椎弓根螺钉在寰椎后弓内的长度(L4)、寰椎椎弓根螺钉的最大进钉长度(L3+L4)、椎弓根螺钉和侧块螺钉的外倾角(αo)和上斜角(βo)等14项内容。进行寰椎单皮质和双皮质的椎弓根螺钉或侧块螺钉固定，测试比较其螺钉拔出强度和钉道长度。结果　L1为(25.01±0.23)mm、L2为(9.85±1.31)mm、L3为(19.58±1.63)mm、L4为(10.47±1.51)mm、L3+L4为(29.81±1.27)mm、椎弓根螺钉和侧块螺钉的外倾角(αo)和上斜角(βo)分别为10o、5o和15o、20o。双皮质寰椎椎弓根螺钉的最大拔出力为(1686.0±425.3)N，单皮质寰椎椎弓根螺钉为(1082.5±292.7)N；双皮质寰椎侧块螺钉最大拔出力为(1127.2±367.1)N，与单皮质寰椎椎弓根螺钉无明显差异，单皮质寰椎侧块螺钉最小，为(785.2±402.7)N。结论　由于寰椎椎弓根螺钉和寰椎侧块螺钉进钉点的位置不同，使得寰椎椎弓根螺钉的长度较寰椎侧块螺钉要长。寰椎侧块螺钉的长度大于寰椎椎弓根螺钉在寰椎侧块内部分的长度，是因为寰椎侧块螺钉的上斜角度和外倾角度均较大之故。在同时适用寰椎椎弓根螺钉和寰椎侧块螺钉固定的患者，从手术操作和螺钉固定强度考虑，宜首先选择寰椎椎弓根螺钉固定，次选寰椎侧块螺钉固定。     

钉道局部点状固化技术强化椎弓根螺钉固定的生物力学研究

目的探讨钉道局部点状固化技术在体外强化椎弓根螺钉固定的效果。方法选用30个新鲜成年山羊腰椎。每一个椎体一侧椎弓根常规置钉(空白组);另一侧对钉道局部进行点状固化处理后拧入螺钉(实验组)。24h后,随机选取10个椎体行轴向拔出实验,其余20个椎体行周期抗屈实验。结果螺钉最大轴向拔出力(Fmax):空白组(637.60±109.95)N,实验组(816.50±134.88)N;螺钉拔出的能量吸收值:空白组(1.268±0.252)J,实验组(1.631±0.269)J,两组间差异均有统计学意义(P<0.05)。周期抗屈试验中,实验组的螺钉能够耐受更大的负荷或者在同等负荷下所产生的位移较小。结论钉道局部点状固化技术可以显著增加椎弓根螺钉固定的稳定性,为临床解决螺钉松动问题提供了新的研究方向,具有较好的临床应用前景。     

椎弓根螺钉螺杆形状对其生物力学性能影响的研究

目的比较椎弓根螺钉螺杆形状对其生物力学性能的影响。方法6具成人新鲜T9-L5脊椎标本分解为54个椎体试验标本,随机选取一侧按标准方法放置特制试验用直径5.5mm锥形螺钉,然后在MTS力学试验机上先后测量其最大扭力矩和最大拔出力,在对侧以同样的方法进行5.5mm柱形螺钉的实验。然后在腰段进行6.25mm及7.0mm螺钉的翻修。结果在下胸段,锥形螺钉的最大扭力矩(1.445±0.66)N.m显著大于柱形螺钉(1.073±0.42)N.m(P<0.05);而在腰段,锥形螺钉最大扭力矩(1.017±0.43)N.m和柱形螺钉最大扭力矩(1.128±0.50)N.m相比没有明显差异(P>0.05)。无论在下胸段还是腰段,锥形螺钉与柱形螺钉的最大拔出力相比均无显著性差异。柱形椎弓根螺钉的最大扭力矩与最大拔出力呈正相关(r=0.629),锥形螺钉的最大扭力矩与最大轴向拔出力的相关性不显著(r=0.179)。不同形状的螺钉在其达到最大拔出力时的位移无显著差异。结论相同直径的锥形与柱形螺钉的最大拔出力相近,且锥形螺钉在其直径与椎弓根内径相近时具有较高的扭矩。螺钉的最大扭力矩与最大拔出力的相关关系要视螺钉的类型而定。     

Hangman骨折后路短节段内固定术固定螺钉拔出力研究

目的对Hangman骨折后路短节段内固定术固定螺钉进行拔出力研究,为螺钉固定方式的选择提供依据.方法利用6例新鲜的枢椎和第3颈椎标本进行单层皮质骨和双层皮质骨的C2椎弓根螺钉、峡部骨折状态C2椎弓根螺钉、C3侧块螺钉固定及C2、C3椎体螺钉固定,测试螺钉拔出强度并进行统计学分析.结果C2双皮质椎弓根螺钉拔出力最大(1726.5±433.3)N;C2单皮质椎弓根螺钉(1279.9±432.0)N和Hangman骨折双皮质螺钉(959.6±253.2)无显著性差异,拔出力明显强于Hangman骨折单皮质螺钉(586.3±118.9)N和C,双皮质侧块螺钉拔出力(717.5±166.9)N,后两者无统计学差异.C3,单皮质侧块螺钉(487.3±171.6)N和C2椎体螺钉(392.2±109.8)N、C,椎体螺钉(397.3±98.5)N之间无统计学差异.结论Hangman骨折后路短节段内固定螺钉是可靠的;临床应用C2椎弓根螺钉和上下节段联合固定时单皮质固定足够,Hangman骨折时以双皮质固定为佳.     

成人颈椎椎弓根螺钉在儿童腰椎应用的可行性

背景：由于1~3岁幼年儿童椎体发育未完全成熟,各种解剖径线相对较成人小得多,尚无幼儿专用的椎弓根螺钉固定器械,现有能够利用的直径最小的椎弓根螺钉是用于成人颈椎侧块或椎弓根固定的钉棒系统。 目的：观察将成人颈椎椎弓根螺钉应用到成年猪颈椎与幼猪腰椎固定后的生物力学对比。 方法：将6具完整新鲜成年猪颈段C3~C6脊椎标本和6具完整8周龄新鲜幼猪腰段脊柱标本自椎间盘及关节处离断,游离成单个椎体,共54个椎体108侧椎弓根。按照标准操作将成人颈椎椎弓根螺钉分别安置在成年猪颈椎标本和幼猪腰椎标本的椎弓根上,应用生物力学方法测试螺钉的最大轴向拔出力。 结果与结论：颈椎标本最大轴向拔出力高于腰椎标本,但差异无显著性意义(P > 0.05);L1椎弓根螺钉的拔出力均值明显小于L3椎弓根螺钉的拔出力均值(P < 0.05);C5椎弓根螺钉的拔出力均值明显大于C3椎弓根螺钉的拔出力均值(P < 0.05);颈椎和腰椎标的骨密度差异有显著性意义(P < 0.01),椎体椎弓根力学数值与椎体骨密度之间存在线性正相关。说明取得了成人颈椎椎弓根螺钉在轴向拉力方面适应于幼儿腰椎的初步实验依据。     

中上胸椎椎弓根-肋骨复合体应用不同截面积螺钉的力学特点

背景:由于椎弓根毗邻结构的重要性,一旦置钉偏差损伤毗邻结构后果极为严重,虽然胸椎椎弓根-肋骨复合体置入螺钉的安全性明显大于椎弓根螺钉,但关于椎弓根-肋骨复合体应用不同截面积的螺钉的力学研究尚少有人涉及。目的:分析中上胸椎椎弓根-肋骨复合体应用不同截面积螺钉的力学特征。方法:取5具新鲜成人胸椎T1-T10标本及相连的一段肋骨(长50-60 mm),以双功能骨密度测试仪测量椎体骨密度,排除骨质疏松椎体,同时行胸椎CT扫描。按照CT测量结果置入直径分别为5.5,6.0和6.5 mm的椎弓根螺钉,进行CT扫描证实螺钉的位置,生物力学测试机上测量每颗螺钉的最大拔出力。结果与结论:38个骨密度正常的标本共分别置入25枚5.5 mm、25枚6.0 mm和26枚6.5 mm螺钉,由于螺钉破坏椎弓根-肋骨复合体和螺钉穿破椎体,共得出68枚螺钉最大拔出力结果,三者的最大轴向拔出力分别为(812.36±147.22)N,(868.64±160.48)N,(946.48±157.58)N,其中6.5 mm与5.5 mm螺钉的最大轴向拔出力的差异有显著性意义(P0.05)。提示中上胸椎椎弓根-肋骨复合体中应用直径5.5 mm以上的椎弓根螺钉,可获得坚强的内固定,可满足临床内固定需要。     

变牙厚椎弓根螺钉的生物力学测试

目的　评价不同变牙厚椎弓根螺钉（transitional thread pedicle screw, TTPS）对螺钉拔出力的影响。 方法 取新鲜小牛胸腰椎标本（T11~L4）5具,共30个椎体(60侧椎弓根),剔除周围肌肉、筋膜,注意保持骨结构完整,解离成单个椎骨。平均骨密度为（1.186±0.182）g/cm2。TTPS规格有6种：A0（牙厚保持不变）、A1（逐牙加厚0.01mm）、A2（逐牙加厚0.02 mm）、A3（逐牙加厚0.03 mm）、A4（逐牙加厚0.04 　mm）、A5（逐牙加厚0.05 mm）。每种螺钉随机置入10侧椎弓根,将标本包埋好并用夹具固定在材料试验机上,设置椎弓根螺钉长轴与拔出力轴线方向重合。设置材料试验机加载速率为0.08 mm/s进行拔出实验,结果输出拔出力-位移曲线、最大轴向拔出力（Fmax）。计算拔出刚度。 结果　A0至A5 6种螺钉的最大轴向拔出力分别为（983.99±324.19）、（1119.84±362.47）、（1067.67±398.00）、（900.04±255.89）、（799.07±406.79）、（850.71±408.11）N。6种不同规格TTPS轴向拔出力间无显著差异（组间差异P=0.216）。6种不同规格的TTPS的拔出刚度间无显著差异（组间差异P=0.07）。 结论　小范围增加螺纹牙厚,对椎弓根螺钉抗拔出力没有显著影响。     

快速建立小牛椎体骨质疏松模型

背景：目前用于脊柱生物力学研究的骨质疏松动物模型是以去势雌性动物或服药动物为代表的动物模型,但存在建立时间长、可靠性差的问题。 目的：利用Shandon TBD-1脱钙法快速建立牛椎体骨质疏松模型。 方法:选取新鲜小牛脊柱第6~11节椎体,共24个椎体,测量骨密度后,随机分为3组：预实验组采用Shandon TBD-1浸泡椎体,脱钙组将Shandon TBD-1注入椎体一侧钉眼内,对照组不做脱钙处理。脱钙后再次测量骨密度,将相同规格的椎弓根螺钉拧入双侧椎弓根,测试其最大轴向拔出力。 结果与结论：预实验组椎体脱钙后椎体骨密度随着脱钙时间的延长而降低;脱钙组骨密度值、椎弓根螺钉最大轴向拔出力均低于对照组( P < 0.01),且骨密度与椎弓根螺钉最大轴向拔出力存在线性正相关。说明应用Shandon TBD-1脱钙剂对小牛椎体脱钙是一种快速制备骨质疏松动物模型的方法,并能够很好模拟骨质疏松的力学性能。     

Axial cyclic behavior of the bone-screw interface

Screw fixation strength is investigated by using a pullout test. Despite many screw pullout studies, the effects of loading rate on the pullout behavior of pedicle screws are not known. The objective of this study was to assess the effects of loading rate on the pullout stiffness and strength of pedicle screws. Sixty pedicle screws were inserted in foam blocks and pulled out at four different rates: 0.1, 1, 5 and 50 mm/min. Twenty of these 60 screws were cycled non-destructively at four different rates sequentially, i.e., 0.1, 1, 5 and 50 mm/min prior to pullout. Ten additional pedicle screws were inserted in five calf lumbar vertebrae, cycled as in foam group, and pulled out at a rate of either 0.1 or 50 mm/min. The results showed that the stiffness was higher at all rates compared to 0.1 mm/min in foam model but in bone model only 1 and 5 mm/min groups were higher compared to 0.1 mm/min. The pullout strength in 50 mm/min group was higher than that in 0.1 mm/min group in both foam and bone model. The results suggested that loading rate influenced the mechanics of the bone-screw interface. Therefore, a fair comparison between the pullout studies can be achieved under same loading rate conditions. Moreover, the cycling of the pedicle screws in axial direction within a pre-yield region showed an unusual hysteresis curve. Further studies are needed for a better understanding of the mechanics of the screw-bone interface.     

骨水泥和纳米骨浆强化椎弓根螺钉植入固定骨质疏松椎体的生物力学特点

背景：纳米骨浆和骨水泥注入是强化椎弓根螺钉固定的两种常用方法,但目前关于两种加强方法的强化效果比较的报道相对较少。 目的：对比骨水泥或纳米骨浆强化椎弓根螺钉植入固定骨质疏松椎体的生物力学特点。 方法：取24个人尸体椎弓根,均符合骨质疏松标准,随机均分为3组,对照组仅植入椎弓根螺钉,骨水泥组在钉道内注入骨水泥后植入椎弓根螺钉,纳米骨浆组在钉道内注入纳米骨浆后植入椎弓根螺钉。植入2 h后,检测各组标本最大轴向拔出力和最大旋出力矩。 结果与结论：骨水泥组、纳米骨浆组的最大轴向拔出力和最大旋出力矩均大于对照组(P < 0.05),并且骨水泥组的最大轴向拔出力和最大旋出力矩大于纳米骨浆组(P < 0.05)。表明骨水泥和纳米骨浆强化可有效提高椎弓根螺钉植入固定骨质疏松椎体的最大轴向拔出力和最大旋出力矩,且骨水泥强化效果更明显。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

Screw design alters the effects of stress relaxation on pullout

Stress relaxation during pullout of a pedicle screw decreases the peak load and stiffness of the bone-screw interface. However, it is unknown whether this can be generalized to all types of screw designs. This study aimed to show whether screw design altered the effects of stress relaxation on the mechanical performance of the pedicle screw during pullout. Twelve calf vertebrae were obtained: six vertebrae were instrumented with 7.5x40 mm conical pedicle screws and the other six with 5.0x40 mm cylindrical pedicle screws. The screws with two different designs were pulled out using either a standard pullout or a stress relaxation pullout protocol. Both bone-screw interfaces had lower stiffness in the stress relaxation pullout model than in the standard pullout model, but it was significant in only the cylindrical design group (P<0.05). However, the stress relaxation and standard pullout models did not yield any difference in peak loads in either screw type. Although stress relaxation at the bone-screw interface can alter the mechanical performance of the screw, this may be eliminated by modifying the screw design. A better understanding of viscoelastic properties of the bone-screw interface may help improve implant design and thus, clinical outcomes.     

Upper lumbar pedicle screw insertion using three-dimensional fluoroscopy navigation: assessment of clinical accuracy

We used a navigation system to insert 128 pedicle screws into 69 vertebrae (L1 to L3) of 49 consecutive patients. We assessed the pedicle isthmic width and the permission angle for pedicle screw insertion. The permission angle is the angle defined by the greatest medial and lateral trajectories allowable when placing the screw through the center of the pedicle. The rate of narrow-width pedicles (isthmic width less than 5 mm) was 5 of 60 pedicles (8%) at L1, 4 of 60 pedicles (7%) at L2, and none (0%) at L3, L4 and L5. The rate of narrow-angle pedicles (a permission angle less than 15 degrees) was 21 of 60 pedicles (35%) at L1, 7 of 60 (12%) at L2, 3 of 60 (5%) at L3, and none (0%) at L4 and L5. Of 128 pedicle screws inserted into 69 vertebrae from L1 to L3, 125 (97.7%) were classified as Grade 1 (no pedicle perforation). In general, the upper lumbar vertebrae have more narrow-width and -angle pedicles. However, we could reduce the rate of pedicle screw misplacement in upper lumbar vertebra using a three-dimensional fluoroscopy and navigation system.     

数控机床技术在下颈椎个体化导向模板制作中的应用

目的　利用计算机辅助设计与数控机床加工技术为下颈椎椎弓根螺钉个体化导向模板提供一种新的加工方法。 方法　取1具下颈椎标本（C3~7）进行CT扫描,在Mimics14.11中重建颈椎三维数字椎骨模型,依据三维椎骨模型在Geomagic studio12软件设计椎弓根导向模板,采用数控机床技术制造出金属材质的个体化导向模板,使用个体化导向模板辅助在下颈椎标本上置入椎弓根钉,根据术后CT数据评价椎弓根钉道位置。 结果　使用5个导向模板辅助钻削10个椎弓根钉道,术后CT扫描示所有钉道均位于椎弓根内。计算水平面绝对偏差值为（0.44±0.23）mm,矢状面为（0.37±0.20）mm,计算机模拟置入3.5 mm椎弓根螺钉置入椎弓根内,1级螺钉9枚,2级螺钉1枚。 结论　应用现代数字化技术,利用逆向工程原理设计并数控机床进行加工制作椎弓根螺钉导向模板,操作简单,准确性高,为下颈椎椎弓根导向模板提供了一种全新、安全的方法。