新型同种异体骨腰椎椎间融合器的力学研究和初步临床观察

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背景与目的椎间融合器(Cage)是脊柱融合手术中的关键装置,其可以有效的撑开椎间隙,使周围的韧带、肌肉处于紧张状态,将上下椎体与Cage构成相对稳定的力学整体并提供融合所需的早期轴向支撑,从而显著提高融合率,防止术后椎间隙的丢失及保持脊柱的生理弯曲。目前市售的椎间融合器多由金属、碳纤维、聚醚醚酮(PEEK)和生物可吸收材料等人工合成材料制成。但上述材料在生物学、生物力学等方面都存在一定的缺点,主要体现在弹性模量过大、生物相容性差、无法吸收等方面。同种异体骨是公认的成骨效果仅次于自体骨的骨移植材料,其具有与自体骨最为接近的理化性质、结构基础和活性蛋白组成,富含成骨所需的多种细胞因子,具有骨传导和骨诱导特性,常常被用于人体骨组织的修复重建手术,是制作椎间融合器最理想的天然材料。目前没有适于腰椎后路手术的单枚斜置同种异体骨椎间融合器。针对上述问题,本课题组设计了一种适于腰椎后路融合术的解剖型同种异体骨腰椎椎间融合器。该融合器使用独特的拼接方式,可以单枚斜行植入。作为一个应力分担装置,椎间融合器需要提供足够强大的轴向支撑而拼接方式可能会对Cage的力学性能产生一定影响。本研究的目的在于探究不同设计和加工方式对新型腰椎后路同种异体骨椎间融合的生物力学性能的影响,并对其初步临床效果进行随访观察。材料与方法1、使用人股骨制备同种异体骨椎间融合器;2、依据ASTM F2077标准测试同种两种拼接方式对异体骨椎间融合器力抗压能力的影响;3、使用有限元分析方分析融合器几何形状对结构刚度和应力集中的影响;4、随访西南医院骨科2012年9月至2013年9月使用同种异体骨椎间融合器的患者,使用平片和CT三维重建两种方式评价术后融合率,测量并比较相对椎间隙高度变化,使用ODI评分和VAS评分评价患者临床功能恢复情况。结果1、采用燕尾槽拼接方式的融合器极限抗压强度(11801.8±1822.0N)高于直角拼接方式(5795.6±1311.9N)。2、有限元分析结果显示应力集中主要发生于侧孔周围;2mm的侧孔直径可以获得相对较低的结构刚度(30.0MPa)和应力集中(333333.3N/mm)。3、35人(43个节段)获得随访,随访率83.3%,平均随访时间8.1月,平均年龄52.2岁,男性16人,女性19人。4、依据腰椎平片评判结果,术后3个月融合率90.2%,术后6融合率92.7%,末次随访时融合率92.7%。依据CT三维重建评判结果,术后3个月融合率92.7%,术后6个融合率95.1%,末次随访融合率95.1%。5、术前平均相对椎间隙高度0.71±0.21,术后3天内平均相对椎间隙高度0.94±0.63。术后相对椎间隙高度高于术前(p=0.000)。末次随访时相对椎间隙高度0.90±0.16,高于术前(p=0.000),与术后3天内相比无统计学意义(p=0.607)。6、术前平均ODI评分28.3±13.9,末次随访平均ODI评分11.3±6.8。末次随访ODI评分明显低于术前(p=0.000)。术前平均VAS评分7.2±1.3,末次随访时平均VAS评分2.6±1.0。末次随访时VAS评分低于术前(p=0.000)。7、术后所有患者未发现神经根损伤、切口深部感染、严重椎间隙下沉等严重并发症。无一例患者出现椎间融合器移动、碎裂。结论1、采用拼接方式制成的同种异体骨椎间融合器具有独特的创新性,弥补了市场空白。2、燕尾槽拼接方式可以获得更大的力学强度。2mm的侧孔直径可以得到相对较小的刚度和避免应力集中。3、采用拼接方式加工的同种异体骨椎间融合器不会在终板损坏前发生破坏,可以被用于腰椎椎间融合。4、新型后路腰椎同种异体骨椎间融合器具有融合时间早、融合率高、下沉率低等优点,初步临床使用具有较好的安全性和有效性。5、长期临床疗效需要更大样本量和长时间随访证实。
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