引用本文： 肖斌, 李健, 蔡厚洪, 林绍仪. 跨骨折椎体固定联合单侧伤椎植钉治疗胸腰椎爆裂骨折的生物力学研究. 中国修复重建外科杂志, 2016, 30(5): 580-584. doi: 10.7507/1002-1892.20160117 复制
目前，临床常用经后路跨节段短节段椎弓根钉内固定术治疗胸腰椎爆裂骨折，但术后存在矫正角度丢失、迟发性后凸畸形等不足。为解决以上问题，我们提出在传统跨节段椎弓根钉固定基础上，于一侧附加伤椎螺钉固定，经临床应用取得了较好疗效[1]，但缺少相关生物力学试验研究结果支持。为此，我们进行了生物力学试验，为该术式在临床应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 实验标本及器械
实验用新鲜小牛脊柱胸腰段（T11～L3）标本18具，由南方医科大学解剖实验室提供。所有标本均摄正侧位X线片，排除变异、肿瘤及其他脊柱病变，剔除椎体周围所有肌肉，保留椎间盘、韧带、小关节及椎骨完整。标本用保鲜膜及双层塑料袋包裹后置于—20℃低温冰柜密封保存，测试前24 h取出，室温下（20～25℃）解冻。
脊柱通用椎弓根钉固定系统（general spine system，GSS；江苏金鹿集团医疗器械有限公司）。GSS螺钉为锥形，通过自攻与骨嵌合，椎弓根螺钉规格：直径5 mm、长45 mm。三维激光扫描仪（精度0.01°）由南方医科大学生物力学实验室提供。MTS-858型生物材料试验机（MTS公司，美国）；Geomagic软件系统（Geomagic公司，美国）。
1.2 实验分组及方法
将18具脊柱标本根据内固定方式不同，随机分为A、B、C组（n=6）。首先制备骨折模型，将各组标本上、下端采用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥包埋，制备骨水泥平台（图 1）。按照Panjabi落锤实验原理[2]，将标本下端用夹具固定于自制的落锤实验装置上，标本上端骨水泥平台前屈10°，用10 kg砝码从距标本上端骨水泥平台约1 m处垂直下落，撞击标本上端包埋块，将L1预先钻孔，部分骨质破坏后，导致L1椎体及上、下终板损伤；行X线片及CT扫描，确定爆裂骨折程度，至少一侧伤椎椎弓根完整以及一侧终板完好视为爆裂骨折模型制备成功。见图 2。18具标本骨折模型均制备成功后行骨折内固定。A组：采用GSS行跨骨折椎体固定（即4钉固定）；B组：在A组固定基础上联合单侧伤椎固定（即5钉固定）；C组：在A组固定基础上联合双侧伤椎固定（即6 钉固定）。见图 3。
图1
标本上、下端采用骨水泥包埋后 图 2 CT扫描三维重建示L1爆裂骨折 图 3 各组内固定后X线片 ⓐA组 ⓑB组 ⓒC组
Figure1.
The upper and lower ends of thorocolumbar spine specimen embedded with bone cement Fig. 2 CT scan three dimensional reconstruction for L1 burst fracture Fig. 3 X-ray films after internal fixation ⓐGroup A ⓑGroup B ⓒGroup C
1.3 观测指标
于3组标本正常、骨折以及固定状态下分别进行以下测量。
1.3.1 椎间活动度测量
将6个双维标志物插入标本T12、L1、L2椎体前端及椎体前缘，L3椎体包埋端固定于加载盘底座，对标本实施一对大小相等、方向相反、相互平行的力，形成作用于标本的纯力矩，以4 N·m载荷加载，调整加载盘方向，使标本产生前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转6个方向的运动。应用三维激光扫描仪摄取在零载荷和最大载荷时的运动图像，用Geomagic软件系统进行图像分析及数据转换，计算伤椎上、下相邻节段椎间活动度。每次测试重复3次加载/卸载循环，间隔30 s，只记录第3次结果，以减少标本黏滞性作用的影响。测试过程中间歇性喷洒生理盐水，以保持受试标本湿度。
1.3.2 生物力学测试
将标本置于MTS-858型生物材料试验机上，L3椎体包埋端固定于仪器底座，进行轴向压缩测试，加载力为100～400 N，压缩速率为25 mm/min。由生物材料试验机测试分析软件计算加载力为300 N时标本的轴向刚度。实验重复3 次，取均值。测试过程中间歇性喷洒生理盐水，以保持受试标本湿度，防止其干燥影响测量精确度。
1.4 统计学方法
采用SPSS15.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，组间比较采用方差分析，两两比较采用SNK检验；检验水准α=0.05。
2 结果
A、B、C组标本在正常状态和骨折状态下，各方向椎间活动度比较，差异均无统计学意义（P>0.05），提示各组标本具有可比性。见表 1、2。 固定状态下，B、C组各方向椎间活动度均小于A组，比较差异有统计学意义（P<0.05）；B、C组间比较，差异无统计学意义（P>0.05）。见表 3。
生物力学测试显示，正常状态及骨折状态下各组轴向刚度比较，差异均无统计学意义（P>0.05），提示各组标本具有可比性。固定状态下，B、C组轴向刚度显著大于A组，差异有统计学意义（P<0.05）；B组小于C组，但差异无统计学意义（P>0.05）。见表 4。
表1
各组标本在正常状态下各方向椎间活动度比较（n=6，°，
表2
各组标本在骨折状态下各方向椎间活动度比较（n=6，°，
表3
各组标本在固定状态下各方向椎间活动度比较（n=6，°，
表4
各组标本正常、骨折及固定状态下轴向刚度比较（n=6，N/mm，3 讨论
胸腰椎爆裂骨折系高能量轴向压缩载荷导致的急性创伤，常伴有脊柱机械不稳及神经损伤[3]。骨折及时复位固定、重建脊柱稳定性、解除脊髓受压、为神经功能恢复创造有利条件，是此类型骨折治疗根本目的。目前，临床常采用跨节段椎弓根钉内固定术，但该术式存在远期内固定物松动或断裂、矫正高度丢失、脊柱迟发性后凸畸形等问题[4]。因此，越来越多学者在跨节段椎弓根钉内固定基础上附加伤椎植钉固定治疗胸腰椎爆裂骨折，但相关生物力学试验研究较少。
我们认为单侧伤椎植钉固定优势在于：①伤椎植钉固定符合脊柱生物力学载荷分享原则，优化内固定系统的应力分布，增加对骨折椎体的把持力[5-6]。②通过在伤椎建立支点，纵向撑开骨折椎体与邻近椎体，能更好地紧张前纵韧带，加强韧带夹持作用，从而获得更好的韧带轴向复位；同时由于伤椎建立了支点，可通过提拉使脱位椎体复位，因此对于存在骨折脱位时伤椎植钉更具优势[7]。③伤椎植钉后为3点固定，能有效降低传统4钉固定引起的平行四边形效应和悬挂效应，从而减少脊柱后凸畸形的形成。④伤椎植钉过程中，可在传统撑开复位基础上结合对伤椎的顶推作用，有利于后凸骨块的撬拨复位作用，且椎弓根与上终板靠近，也有利于对上终板的复位。⑤同时背侧加压，符合“延长前柱，缩短后柱”的复位机制，维持伤椎椎弓根与关节、横突的连续性[8]，伤椎螺钉与上、下节段椎弓根钉在撑开复位时分别形成张力带作用，使其固定作用更加坚强[9]。⑥避免了对正常椎间盘的牵张，有利于对损伤椎间节段行适度撑开，促进伤椎形态的恢复，提高融合率[10]。
脊柱内固定的生物力学特性主要基于内固定物在不同生理环境中的性能和器械对失稳脊柱的固定效果。由于胸腰椎爆裂骨折后，轴向压缩和屈曲载荷发生改变，脊柱内固定后，内固定载荷被分担，如何使载荷分布更合理，成为确保脊柱长期稳定性的重要环节。传统跨节段椎弓根钉固定中，因伤椎缺乏载荷分担，力臂加长，导致稳定性欠佳，而伤椎植钉后能更好地分担脊柱载荷，增强伤椎强度。马立敏等[11]通过构建脊柱胸腰椎压缩骨折的三维有限元模型，论证了伤椎植钉后可优化内固定载荷，减少断钉率。本研究结果显示，与传统跨骨折椎体内固定相比，伤椎植钉后各方向稳定性均更好，有效提高了脊柱刚度。
此外，本研究结果还显示，单侧伤椎植钉无论在稳定性还是轴向刚度方面，均与双侧伤椎植钉无显著差异，对临床选择固定方法有一定指导意义。与双侧伤椎植钉相比，单侧伤椎植钉手术时间短、术中出血少、手术费用更低。此外，由于临床上部分胸腰椎爆裂骨折患者合并一侧椎弓根毁损的情况，术中只需在椎弓根完好一侧行单侧伤椎植钉即可获得良好生物力学稳定性，因此与双侧伤椎植钉相比，也具备更广泛适应证。有学者提出伤椎植钉与传统跨骨折椎体内固定相比存在一定弊端，如手术出血量增多、伤椎螺钉把持力不佳等，但目前经实践证明，经伤椎椎弓根植钉出血量无显著增加 [12]。1992年，Weinstein报道椎弓根至少提供了60%以上抗拔出力强度及80%的轴向刚度，被认为是椎体的“力核”，并且为矫正各个椎体的旋转和矢状面提供支点，因此在经伤椎椎弓根植钉时，只要植入侧椎弓根完好，伤椎螺钉仍能保持较好的螺钉把持力[13]，当然后柱结构完整也是伤椎螺钉保持稳定的要素之一。
单侧伤椎植钉固定具备良好的生物力学稳定性，已广泛应用于临床[14]，但仍有其适应证，主要包括：①至少一侧椎弓根完好；②伤椎至少一侧终板完整；③AO分型中的A型及B1、B2型，即压缩爆裂骨折及伴后部结构的损伤（椎弓根除外），尤其是对于上终板型爆裂骨折；④椎体未完全爆裂；⑤椎体压缩<2/3，否则椎弓根植钉固定困难；⑥伤椎无明显椎管占位或椎管占位不超过50%，无神经压迫症状，无需全椎板切除减压者。
本研究通过牛脊柱标本验证了单侧伤椎植钉治疗胸腰椎爆裂骨折的稳定性，但牛脊柱负重、骨密度等生物力学特征与人存在差异。且实验中伤椎植钉只代表了内固定器械植入后早期稳定性，不能代表早期骨吸收过程[15]或循环加载过程中内固定坚强结构是否丢失。另外，实验过程中未考虑神经、肌肉、韧带等对脊柱稳定性的影响，通常临床胸腰椎损伤后的脊柱稳定性重建需要椎弓根钉结合植骨共同构建[16-17]。因此，单侧伤椎植钉优越性尚需结合更多的临床及基础研究明确。
目前，临床常用经后路跨节段短节段椎弓根钉内固定术治疗胸腰椎爆裂骨折，但术后存在矫正角度丢失、迟发性后凸畸形等不足。为解决以上问题，我们提出在传统跨节段椎弓根钉固定基础上，于一侧附加伤椎螺钉固定，经临床应用取得了较好疗效[1]，但缺少相关生物力学试验研究结果支持。为此，我们进行了生物力学试验，为该术式在临床应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 实验标本及器械
实验用新鲜小牛脊柱胸腰段（T11～L3）标本18具，由南方医科大学解剖实验室提供。所有标本均摄正侧位X线片，排除变异、肿瘤及其他脊柱病变，剔除椎体周围所有肌肉，保留椎间盘、韧带、小关节及椎骨完整。标本用保鲜膜及双层塑料袋包裹后置于—20℃低温冰柜密封保存，测试前24 h取出，室温下（20～25℃）解冻。
脊柱通用椎弓根钉固定系统（general spine system，GSS；江苏金鹿集团医疗器械有限公司）。GSS螺钉为锥形，通过自攻与骨嵌合，椎弓根螺钉规格：直径5 mm、长45 mm。三维激光扫描仪（精度0.01°）由南方医科大学生物力学实验室提供。MTS-858型生物材料试验机（MTS公司，美国）；Geomagic软件系统（Geomagic公司，美国）。
1.2 实验分组及方法
将18具脊柱标本根据内固定方式不同，随机分为A、B、C组（n=6）。首先制备骨折模型，将各组标本上、下端采用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥包埋，制备骨水泥平台（图 1）。按照Panjabi落锤实验原理[2]，将标本下端用夹具固定于自制的落锤实验装置上，标本上端骨水泥平台前屈10°，用10 kg砝码从距标本上端骨水泥平台约1 m处垂直下落，撞击标本上端包埋块，将L1预先钻孔，部分骨质破坏后，导致L1椎体及上、下终板损伤；行X线片及CT扫描，确定爆裂骨折程度，至少一侧伤椎椎弓根完整以及一侧终板完好视为爆裂骨折模型制备成功。见图 2。18具标本骨折模型均制备成功后行骨折内固定。A组：采用GSS行跨骨折椎体固定（即4钉固定）；B组：在A组固定基础上联合单侧伤椎固定（即5钉固定）；C组：在A组固定基础上联合双侧伤椎固定（即6 钉固定）。见图 3。
图1
标本上、下端采用骨水泥包埋后 图 2 CT扫描三维重建示L1爆裂骨折 图 3 各组内固定后X线片 ⓐA组 ⓑB组 ⓒC组
Figure1.
The upper and lower ends of thorocolumbar spine specimen embedded with bone cement Fig. 2 CT scan three dimensional reconstruction for L1 burst fracture Fig. 3 X-ray films after internal fixation ⓐGroup A ⓑGroup B ⓒGroup C
1.3 观测指标
于3组标本正常、骨折以及固定状态下分别进行以下测量。
1.3.1 椎间活动度测量
将6个双维标志物插入标本T12、L1、L2椎体前端及椎体前缘，L3椎体包埋端固定于加载盘底座，对标本实施一对大小相等、方向相反、相互平行的力，形成作用于标本的纯力矩，以4 N·m载荷加载，调整加载盘方向，使标本产生前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转6个方向的运动。应用三维激光扫描仪摄取在零载荷和最大载荷时的运动图像，用Geomagic软件系统进行图像分析及数据转换，计算伤椎上、下相邻节段椎间活动度。每次测试重复3次加载/卸载循环，间隔30 s，只记录第3次结果，以减少标本黏滞性作用的影响。测试过程中间歇性喷洒生理盐水，以保持受试标本湿度。
1.3.2 生物力学测试
将标本置于MTS-858型生物材料试验机上，L3椎体包埋端固定于仪器底座，进行轴向压缩测试，加载力为100～400 N，压缩速率为25 mm/min。由生物材料试验机测试分析软件计算加载力为300 N时标本的轴向刚度。实验重复3 次，取均值。测试过程中间歇性喷洒生理盐水，以保持受试标本湿度，防止其干燥影响测量精确度。
1.4 统计学方法
采用SPSS15.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，组间比较采用方差分析，两两比较采用SNK检验；检验水准α=0.05。
2 结果
A、B、C组标本在正常状态和骨折状态下，各方向椎间活动度比较，差异均无统计学意义（P>0.05），提示各组标本具有可比性。见表 1、2。 固定状态下，B、C组各方向椎间活动度均小于A组，比较差异有统计学意义（P<0.05）；B、C组间比较，差异无统计学意义（P>0.05）。见表 3。
生物力学测试显示，正常状态及骨折状态下各组轴向刚度比较，差异均无统计学意义（P>0.05），提示各组标本具有可比性。固定状态下，B、C组轴向刚度显著大于A组，差异有统计学意义（P<0.05）；B组小于C组，但差异无统计学意义（P>0.05）。见表 4。
表1
各组标本在正常状态下各方向椎间活动度比较（n=6，°，
表2
各组标本在骨折状态下各方向椎间活动度比较（n=6，°，
表3
各组标本在固定状态下各方向椎间活动度比较（n=6，°，
表4
各组标本正常、骨折及固定状态下轴向刚度比较（n=6，N/mm，3 讨论
胸腰椎爆裂骨折系高能量轴向压缩载荷导致的急性创伤，常伴有脊柱机械不稳及神经损伤[3]。骨折及时复位固定、重建脊柱稳定性、解除脊髓受压、为神经功能恢复创造有利条件，是此类型骨折治疗根本目的。目前，临床常采用跨节段椎弓根钉内固定术，但该术式存在远期内固定物松动或断裂、矫正高度丢失、脊柱迟发性后凸畸形等问题[4]。因此，越来越多学者在跨节段椎弓根钉内固定基础上附加伤椎植钉固定治疗胸腰椎爆裂骨折，但相关生物力学试验研究较少。
我们认为单侧伤椎植钉固定优势在于：①伤椎植钉固定符合脊柱生物力学载荷分享原则，优化内固定系统的应力分布，增加对骨折椎体的把持力[5-6]。②通过在伤椎建立支点，纵向撑开骨折椎体与邻近椎体，能更好地紧张前纵韧带，加强韧带夹持作用，从而获得更好的韧带轴向复位；同时由于伤椎建立了支点，可通过提拉使脱位椎体复位，因此对于存在骨折脱位时伤椎植钉更具优势[7]。③伤椎植钉后为3点固定，能有效降低传统4钉固定引起的平行四边形效应和悬挂效应，从而减少脊柱后凸畸形的形成。④伤椎植钉过程中，可在传统撑开复位基础上结合对伤椎的顶推作用，有利于后凸骨块的撬拨复位作用，且椎弓根与上终板靠近，也有利于对上终板的复位。⑤同时背侧加压，符合“延长前柱，缩短后柱”的复位机制，维持伤椎椎弓根与关节、横突的连续性[8]，伤椎螺钉与上、下节段椎弓根钉在撑开复位时分别形成张力带作用，使其固定作用更加坚强[9]。⑥避免了对正常椎间盘的牵张，有利于对损伤椎间节段行适度撑开，促进伤椎形态的恢复，提高融合率[10]。
脊柱内固定的生物力学特性主要基于内固定物在不同生理环境中的性能和器械对失稳脊柱的固定效果。由于胸腰椎爆裂骨折后，轴向压缩和屈曲载荷发生改变，脊柱内固定后，内固定载荷被分担，如何使载荷分布更合理，成为确保脊柱长期稳定性的重要环节。传统跨节段椎弓根钉固定中，因伤椎缺乏载荷分担，力臂加长，导致稳定性欠佳，而伤椎植钉后能更好地分担脊柱载荷，增强伤椎强度。马立敏等[11]通过构建脊柱胸腰椎压缩骨折的三维有限元模型，论证了伤椎植钉后可优化内固定载荷，减少断钉率。本研究结果显示，与传统跨骨折椎体内固定相比，伤椎植钉后各方向稳定性均更好，有效提高了脊柱刚度。
此外，本研究结果还显示，单侧伤椎植钉无论在稳定性还是轴向刚度方面，均与双侧伤椎植钉无显著差异，对临床选择固定方法有一定指导意义。与双侧伤椎植钉相比，单侧伤椎植钉手术时间短、术中出血少、手术费用更低。此外，由于临床上部分胸腰椎爆裂骨折患者合并一侧椎弓根毁损的情况，术中只需在椎弓根完好一侧行单侧伤椎植钉即可获得良好生物力学稳定性，因此与双侧伤椎植钉相比，也具备更广泛适应证。有学者提出伤椎植钉与传统跨骨折椎体内固定相比存在一定弊端，如手术出血量增多、伤椎螺钉把持力不佳等，但目前经实践证明，经伤椎椎弓根植钉出血量无显著增加 [12]。1992年，Weinstein报道椎弓根至少提供了60%以上抗拔出力强度及80%的轴向刚度，被认为是椎体的“力核”，并且为矫正各个椎体的旋转和矢状面提供支点，因此在经伤椎椎弓根植钉时，只要植入侧椎弓根完好，伤椎螺钉仍能保持较好的螺钉把持力[13]，当然后柱结构完整也是伤椎螺钉保持稳定的要素之一。
单侧伤椎植钉固定具备良好的生物力学稳定性，已广泛应用于临床[14]，但仍有其适应证，主要包括：①至少一侧椎弓根完好；②伤椎至少一侧终板完整；③AO分型中的A型及B1、B2型，即压缩爆裂骨折及伴后部结构的损伤（椎弓根除外），尤其是对于上终板型爆裂骨折；④椎体未完全爆裂；⑤椎体压缩<2/3，否则椎弓根植钉固定困难；⑥伤椎无明显椎管占位或椎管占位不超过50%，无神经压迫症状，无需全椎板切除减压者。
本研究通过牛脊柱标本验证了单侧伤椎植钉治疗胸腰椎爆裂骨折的稳定性，但牛脊柱负重、骨密度等生物力学特征与人存在差异。且实验中伤椎植钉只代表了内固定器械植入后早期稳定性，不能代表早期骨吸收过程[15]或循环加载过程中内固定坚强结构是否丢失。另外，实验过程中未考虑神经、肌肉、韧带等对脊柱稳定性的影响，通常临床胸腰椎损伤后的脊柱稳定性重建需要椎弓根钉结合植骨共同构建[16-17]。因此，单侧伤椎植钉优越性尚需结合更多的临床及基础研究明确。
