新型PCS椎弓根螺钉的锚定强度生物力学测试和有限元分析研究

摘要

近年来，椎弓根螺钉固定系统在各种脊柱疾患的外科治疗中应用日渐广泛，但部分患者也出现了螺钉松动、脱出等并发症，究其原因，螺钉对骨的把持力不足是导致螺钉松动和轴向脱出的主要因素。目前，椎弓根螺钉与骨界面的结合强度，即螺钉的抗拔出强度已成为学者研究的重点。前期研究已经证实椎弓根皮质下骨质骨密度较骨小梁高，椎弓根螺钉固定纵向负载强度的80％，拔出强度的60%取决于椎弓根而不是椎体，而目前常用的椎弓根螺钉（如CCD螺钉）的螺纹为自上而下螺距一致，椎弓根部分与椎体部分的螺纹并无差别。我们根据中国汉族人种椎弓根的解剖特点及生物力学原理，设计了一套专门适用于中国患者的新型PCS(Part Concentrated Screw)椎弓根内固定系统。螺钉颈部即椎弓根部分改进为螺距更小，更为致密的螺纹，以期增加螺钉与椎弓根骨质的啮合面积，进而增加椎弓根螺钉的把持力，达到增强椎弓根螺钉固定系统稳定性的目的。
　　 目的:
　　 本研究拟利用实体生物力学实验比较新型PCS螺钉与常用CCD螺钉的骨质锚定牢固程度，并利用有限元分析方法测量PCS螺钉致密螺纹部分对螺钉锚定能力的贡献比值，为PCS螺钉的下一步开发与应用提供理论依据。
　　 方法:
　　 自成年汉族男性尸体获取15个椎体标本（30侧椎弓根），利用骨密度仪测定各标本椎体部分和椎弓根部分的骨密度值。随后将30侧椎弓根随机分为3组，采用Magerl法分别拧入PCSI螺钉、PCSⅡ螺钉和普通CCD螺钉，拧入深度标准为螺钉所有螺纹均旋入骨质，且钉尾钛棒固定部分前表面与椎板紧密接触，利用力矩扳手读出各螺钉的最大拧入扭矩。然后在CSS-22100型材料试验机上进行拔出试验，观察3种不同形状螺纹的椎弓根螺钉的最大轴向拔出力和屈服位移，了解两种的椎弓根螺钉在椎体中的松动生物力学规律。利用UG软件分别建立三种螺钉和骨质的三维模型，在ANSYS有限元分析环境中装配后，模拟拔出过程.利用有限元方法计算螺钉拔除时各个螺纹处骨质所提供的最大把持力值，分析致密部分螺纹对螺钉整体锚定强度的贡献率。
　　 结果:
　　 1．各标本椎体部分和椎弓根部分骨密度值分别为0.494±0.058g/cm2和0.783±0.134g/cm2，统计学显示两组间存在显著性差异(p＜0.05)。对两组间进行正态性检验，显示两组内各值均来源于各自的正态分布总体，组间各数据无显著性差异，说明各椎体间骨密度差异对实验结果无显著性影响。
　　 2．生物力学试验测定PCSI螺钉、PCSⅡ螺钉的最大轴向拔出力、屈服位移和最大拧入扭矩均显著高于CCD螺钉，采用SNK检验和最小显著差检验分别进行两两比较，结果显示结果均有显著性差异(p＜0.05)。PCSI螺钉的最大轴向拔出力和最大拧入扭矩较PCSⅡ螺钉明显提高，结果具有显著性差异。两种PCS螺钉的屈服位移无显著性差异。
　　 3．每一椎弓根骨质螺纹所提供的把持力值是椎体骨质螺纹所提供的3倍以上.椎弓根内骨质所能提供的总把持力值要远远超过椎体内骨质所提供的总把持力，其比重可以占到螺钉所获得总把持力的85%以上，对螺钉总把持力力起到了主要加强作用。
　　 结论:
　　 设计新型PCS椎弓根螺钉较普通CCD螺钉具有更高的生物力学锚定强度，椎弓根部分的致密螺纹对螺钉拔除力起到了主要加强作用，其强度提高程度和椎弓根部分螺纹致密程度成正比。本实验证实了PCS螺钉设计的合理性与先进性，为其下一步开发和临床应用奠定了理论基础。