腰椎前路碳纤维加强椎间融合器的研制和相关研究

【摘要】：目的：为恢复椎间高度，重建腰椎生理屈度，同时兼顾重建后腰椎即刻稳定性与远期骨性融合的需要，提高腰椎前路椎间融合术的效果，研制符合国人解剖特点的腰椎前路碳纤维加强椎间融合器，并进行相关的生物力学、动物组织学研究。 方法：研制适合国人腰椎解剖特点的前路碳纤维加强椎间融合器，并进行相关的生物力学、组织学的研究。本研究分三部分：(一)前路碳纤维加强椎间融合器和碳纤维韧带的研制。在参考相关文献的基础上，总结国人腰椎椎间盘解剖数据，并设计出适合国人腰椎椎间盘形状及大小的腰椎前路椎间融合器，阐述其材料、设计特点及性能；(二)前路碳纤维加强椎间融合器的生物力学的相关研究。以健康成人的腰椎标本为实验对象进行两部分实验：1、模拟前路部分切除腰椎间盘植入碳纤维椎间融合器联合不同固定的融合术式的即刻稳定性，进行不同植入物及联合不同固定方式的生物力学研究。8具健康成人腰椎标本分为正常腰椎对照组、髂骨植入组、单独前路碳纤维加强椎间融合器植入组、前路椎间融合器植入分别联合后路椎弓根螺钉和后路经椎板关节突螺钉固定组、前路碳纤维人工韧带固定及保留前纵韧带侧方植入椎间融合器组，分别进行应变、位移、强度、刚度、极限性能等测试，结果进行统计学处理；2、腰椎前路碳纤维加强椎间融合器的拔出力实验。将6个腰运动节段随机分为两组，分别植入髂骨块和前路碳纤维椎间融合器。测试各自的拔出力，并进行统计学分析。(三)前路碳纤维加强椎间融合器和碳纤维人工韧带的组织学观察。以12只实验犬为对象，随机分为对照组(3只)、实验组(6只)和人工韧带植入组(3只)。前两组行侧前方犬腰椎椎间盘切除后分别植入髂骨块和填充髂骨块的特制碳纤维加强椎间融合器，并行侧方钢板固定。3月和6月后，用影像学和组织学方法观察和评价前路碳纤维加强椎间融合器的组织相容性和植骨融合的情况。在人工韧带植入组中，在犬的椎旁肌组织内包埋碳纤维人工韧带，3月后行组织学检查观察碳纤维人工韧带的组织相容性。 结果：(一)前路碳纤维加强椎间融合器理化性质稳定，形状设计符合国人椎间盘解剖特点。(二)生物力学测试结果显示单独椎间融合器植入组在中心压缩、屈曲、 第二军医大学 博士论文 伸展、侧屈状态下应变较骼骨植骨组小，有显著差异伊0.01);但两者在伸展和旋 转状态下均较正常对照组应变大，提示单独使用前路椎间融合器术式在伸展和旋 转方面稳定性不足。前路碳纤维加强椎间融合器植入联合后路椎弓根螺钉内固定 后在各个状态下的强度及刚度增加且均大于其他实验组。联合后路经椎板关节突 螺钉和前路碳纤维人工韧带重建前纵韧带可减小伸展方向的应变和位移，也可增 加旋转的刚度，两者之间无显著性差异(P0.05)。保留前纵韧带侧方植入前路椎 间融合器在伸展方向的稳定性介于单独前路椎间融合器植入和前路椎间融合器联 合人工碳纤维韧带前方固定术式，三者之间比较有显著差异，但其扭转的强度明 显低于前路椎间融合器联合碳纤维人工韧带前方固定术式，有统计学差异 (P0 .05)。极限力学性能测试显示腰椎前路碳纤维椎间融合器晚于腰椎标本破 坏。拔出力实验结果显示腰椎前路碳纤维加强椎间融合器的拔出力为520牛顿， 明显高于骼骨块植入组。(三)组织学观察显示将碳纤维椎间融合器植入椎间隙后3 月，椎间融合器周围有纤维细胞及少量软骨细胞生长，植入后6月在椎间融合器 与骨界面上有大量软骨细胞及部分成骨细胞生长。在椎旁肌内包埋人工碳纤维3 月后，组织学观察未见炎症细胞浸润。 结论:前路碳纤维加强椎间融合器符合国人腰椎椎间盘解剖特点。单独植入 前路碳纤维加强椎间融合器可增加轴向、前屈和侧屈的稳定性，附加内固定可满 足力学稳定性需要。人工碳纤维韧带前路固定可增加伸展和旋转的稳定性，以伸 展方向的稳定性为著。组织学研究表明，碳纤维加强椎间融合器和人工韧带具有 良好的组织相容性。