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研究背景:随着人口老龄化的发展以及伏案工作者数量的增加,颈椎病的发病率逐年增长,对于保守治疗无效或症状严重的患者,往往需通过手术减压以解除症状。其中,钉棒系统在颈后路手术中应用较为广泛。传统的钛合金钉棒系统被称为刚性固定,其可提供足够的术后即刻稳定性、限制痛性微动。然而其较高的弹性模量(110GPa)导致了明显的应力遮挡,改变了脊柱生理性载荷分布,引起术后相应并发症的发生,如邻近节段退行性变(adjacent segment degeneration,ASD)、假关节形成、断钉、断棒等。聚醚醚酮树脂(polyetheretherketone,PEEK)具有生物相容性好、弹性模量低(3.2GPa)、可透射线性等特点,基于PEEK棒的脊柱后路内固定系统被定义为半刚性固定。生物力学研究显示,PEEK棒可以在提供足够的稳定性的同时,维持脊柱生理性的载荷分布,减少应力遮挡导致的相关并发症的发生率。目前PEEK棒半刚性固定系统已被应用于胸、腰椎疾患固定术中,但尚未有颈椎应用PEEK棒固定的先例。用于颈椎固定的钛合金棒直径常为3.2mm,同样直径的PEEK棒是否能够满足颈椎固定需求,尚无相关研究。同时,生物力学研究指出PEEK棒能够增加前柱载荷的分布,因而有利于促进骨性融合,但相关的研究较少,尚需进一步研究以证明这一观点。目的:采用羊颈椎作为实验模型,通过体外生物力学实验,评估直径3.2mm的PEEK棒应用于颈椎的可行性并评价其生物力学特点。进一步通过动物体内实验,验证直径3.2mm的PEEK棒应用于颈椎的可行性,并比较其与传统钛合金棒固定的骨性融合效果。方法:1.体外生物力学实验:选取6具平均体重45kg羊的颈椎标本(C3-C4),标本进行CT扫描,采用Mimics软件分析数据并进行三维重建,测量羊颈椎解剖数据并设计钉道。剔除肌肉组织,保持标本韧带、椎间盘及骨性结构的完整性,使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)包埋标本两端,于C3、C4前缘对称部位黏贴应变片,使用万能实验机对标本进行轴向加载0N-150N的轴向压力,记录压缩位移、椎体前缘微应变,通过自制夹具实现在标本前屈、后伸、左右侧弯方向加载2.5 N2M的力矩,记录最大角位移。完整标本测量结束后,破坏C3-C4关节突关节以制造颈椎失稳模型,并随机采用PEEK棒或钛合金棒固定,对失稳组、PEEK棒组、钛合金棒组进行上述生物力学测试,力学实验均先预加载两个循环以消除标本粘弹性对结果的影响。组间比较采用重复测量方差分析,两两比较采用LSD法。2.动物体内实验:选取24只雌性成年小尾寒羊,体重45±5.5 kg,随机分组,通过颈前路开口于C3-C4椎间植入多孔钛合金融合器,并进一步行颈后路固定,两组分别采用PEEK棒和钛合金棒进行固定,术后12、24周取材,行X线、Micro CT以及组织学检测,以评估骨性融合效果。组间比较采用两独立样本t检验法。实验结果:1.生物力学实验结果:(1)轴向压缩实验显示,PEEK棒组及钛合金棒组的刚度较完整组显著增加(p<0.05),PEEK棒组刚度低于钛合金棒组(p<0.05);(2)颈椎前缘应变结果显示,钛合金棒组椎体前缘应变显著低于完整组及PEEK棒组(p<0.05),PEEK棒组应变与完整组未见显著差异。(3)移动度结果显示:PEEK棒组及钛合金棒组在前屈、后伸、左右侧弯方向的移动度均小于完整组及失稳组,差异具有统计学意义(p<0.05),PEEK棒组在左右侧弯方向的移动度要大于钛合金棒组,差异具有统计学意义(p<0.05)。2.动物实验结果:(1)一只羊因术中操作侵犯脊髓死亡,另做一只补充,余实验动物手术顺利,术后X线显示内固定牢靠在位,术后未出现炎症反应等手术相关并发症。(2)标本大体观察可见,融合器及后路内固定周边未见有明显炎性反应,无螺钉脱出、固定棒断裂等情况发生。(3)X线结果显示,两组均未出现断钉、断棒、融合器移位,术后12周,钛合金棒组椎间仍可见明显透亮区,其中1例融合,3例部分融合,2例未融合;PEEK棒组3例融合,3例部分融合。术后24周两组均达到骨性融合。(4)Micro CT结果显示,术后12周,融合器中可观察到骨长入,其中PEEK棒组骨体积分数高于钛合金棒组(20.26±4.36%VS 14.48±3.49%,p<0.05),骨长入量随着时间推移而增加,术后24周时PEEK棒组及钛合金棒组骨体积分数分别增加至27.95±4.82%、26.53±4.55%,两组间差异无统计学意义。(4)组织学结果显示,术后12周时融合器孔隙即可见明显骨长入,新生骨与材料结合面结合较为紧密,但仍可见显著的纤维组织,其中PEEK棒组骨长入量高于钛合金棒组(MBF:21.01±3.48%VS 16.73±2.95%,p<0.05),且PEEK棒组融合器与骨结合更为紧密,体现出更好的骨整合效果(BA:16.22±3.24%VS 11.67±3.63%,p<0.05)。术后24周时,骨长入量进一步增加,骨-材料结合面结合紧密,纤维组织少见,两组骨长入量(MBF:28.23±4.10%VS 29.11±3.19%)及骨整合效果(BA:27.21±4.42%VS 26.51±5.39%)未见显著差异。实验结论:直径3.2mm的PEEK棒可以为失稳的羊颈椎标本提供足够的力学稳定性,且较钛合金棒固定而言,使用PEEK棒固定可获得近似生理状态的脊柱刚度以及更大的前柱载荷分布。通过动物实验进一步验证了PEEK棒应用于颈椎的安全性及可行性,并发现PEEK棒固定在术后早期较钛合金棒具有更优良的骨长入及骨整合效果。