腰椎后路椎弓根螺钉动态固定的生物力学研究及临床研究

腰椎后路椎弓根螺钉动态固定的生物力学研究及临床研究

陈林林慰光

陈林林慰光（汕头市中心医院外七科515000）

【摘要】理论上来说，动态固定技术能限制限制病变椎体的异常运动与异常负荷分配，从而稳定病变节段并减少邻近节段衰变（ASD）的发生率。椎弓根钉后路动态固定（PDS）技术具有各种类别，本文将针对其中最典型的3种装置(1)PEEK弹性棒装置，(2)Graf人工韧带装置，(3)Dynesys装置，探讨每一种的生物力学研究和临床试验研究。

【关键词】椎弓根钉PDS；生物力学研究；临床试验研究【中图分类号】R2【文献标号】A【文章编号】2095-7165（2015）06-0020-021

后路椎弓根螺钉非融合固定的原理与脊柱融合术不同的是，脊柱运动保护技术的目标是使脊柱单位中（包括椎间盘、小关节、椎体和终板）的压力负荷分配重新变得均匀，同时在椎体的整个运动范围内限制活动。这种技术能提供一个有益于受损软组织恢复的环境，也能减慢椎间盘的衰变过程。脊柱运动保护技术分为假体技术和动态稳定技术（PDS）。假体技术包括全椎间盘置换、髓核置换、小关节置换等。动态稳定技术指的是控制退变节段的运动或/和压力分配，从而解决脊柱的不稳定以及由此导致的腰背疼痛。包括棘突间动态稳定装置和椎弓根间动态稳定装置。椎弓根PDS在最近十年受到了大量脊柱外科医生和研究者的欢迎。椎弓根PDS设备具备一个优点：它的植入过程与脊柱融合术相同，只是把刚性金属棒换为具有弹性的结构。这使得椎弓根PDS在临床上应用得相当广泛。

PDS的生物力学原理如下：1）限制节段运动，2）改善节间压力负荷的传导及分配。而PDS现阶段主要面对的问题是1）疲劳损坏，2）椎弓根间距离的偏移。

融合术植入物与PDS设备在设计原则上的一个主要区别，是融合术植入物只是在节段间的骨桥形成前提供一个暂时性的稳定作用，而PDS设备却要在病人的终身生活中提供一个动态稳定作用。设备与手术节段之间任何的动力学差错，都会导致设备的损坏，不能重建正常的压力负荷分配。

本文将集中介绍(1)PEEK弹性棒装置，(2)Graf人工韧带装置，(3)Dynesys装置3种椎弓根钉PDS装置的生物力学研究及临床应用研究现状。

2PEEK弹性棒装置PEEK材料（聚醚醚酮高分子材料）的弹性模量（与材料刚度正相关）较钛或不锈钢低，而且具有化学及生物的稳定性，不被人体所排斥。理论上来说PEEK弹性棒具有以下优点：1、增加脊柱前柱的压力分配，2、减少骨钉表面的压力，3、不会像金属植入物一般容易腐蚀及损坏。

生物力学研究Ponnapan[1]的一项尸体脊柱实验发现，施行PLF或PLIF手术时，选用同等直径的PEEK棒与钛棒，在稳定性上并没有显著差别。而静态和动态的动力学测试进一步揭示PEEK弹性棒能够承受比生理状态下ROM所能接受的，更多的角度位移。

Sengupta[2]通过新鲜人体脊柱标本的生物力学实验发现，钛棒组手术节段的脊柱前柱应力负荷比弹性棒组减少，说明钛棒组应力遮挡作用更明显。Gornet等[3]发现，6.35X7.2mm规格的PEEK棒的压缩弯曲疲劳极限为施加135N的力进行5百万个循环，前后剪切疲劳极限则为施加225N进行1千万个循环。

临床实验研究PEEK棒的第一个临床报道是由Highsmith[4]完成的，他观察了3个经过PEEK棒弹性固定手术的病人，发现3个病人术后都立即有满意的临床效果。DeIure[5]等随访了30例经过PEEK棒弹性固定手术的病人，运用X线片评估，表明PEEK棒增加脊柱前柱的压力分配这一特点，可能会加快椎间融合的速度。Ormond[6]等为了研究再次手术率和融合率，随访了42个经过后路PEEK棒弹性固定手术的病人，发现PEEK弹性棒相比钛棒并没有显著降低ASD这一并发症的可能性，实际上更可能因为断棒断钉等而需要再次手术。

虽然生物力学实验已经证明PEEK棒能够减少骨钉表面的压力和增加脊柱前柱的压力分配，但PEEK棒是否能够降低ASD的发生率，临床上仍有待考察。

3Graf系统Graf系统是最早投入临床的弹性固定装置，由HenryGraf在1992年发明的。Graf系统由周长约8mm的高分子聚乙烯非弹力带和5～7mm的钛椎弓钉构成。非弹力带围绕椎弓钉尾部，通过拉紧起到稳定节段、限制前屈的作用。关节?_P?|_?é?_突关节的异常旋转活动可致椎节不稳从而引起疼痛，本系统通过锁定关节突关节，限制异常旋转活动，保证一定范围内的屈伸运动，起到缓解疼痛的作用。

生物力学研究Strauss等人[7]的生物力学实验表明：相比正常脊柱，Graf系统能够减少屈伸以及侧弯运动的ROM，但是在轴向转动上ROM却增加。

而另外一个实验表明，Graf系统会增加螺钉的压力负荷，这有可能导致椎间盘突出或者神经管狭窄，使得神经根症状的发病率增加[8-9]。

临床实验研究Gardner和Pande[9]经过5-10年的随访，发现Graf系统的临床效果还是满意的。但Hadlow等人[8]随访了83例经过Graf系统手术的病人，Graf系统的临床效果不如脊柱融合术。

总的来说，Graf系统虽然还有在欧洲和亚洲被使用，但它的应用正逐渐被减少。

4DYNESYS系统Dynesys系统又称为动态中和固定系统，由椎弓根钉和连接于钉尾的聚酯带以及包裹聚酯带的中空的间隔物构成，可维持或恢复腰椎节段的正常或接近正常的运动。

生物力学研究Schmoelz等[10]通过体外生物力学测试研究了DYNESYS与传统融合内固定在不同节段间的运动，发现DYNESYS能够提供与融合固定相同的稳定性；但是在轴向旋转中，Dynesys虽然也能使节段稳定，但却比传统内固定会增加ROM。Delank等[11]对9个尸体脊柱施行了脊柱融合术和Dynesys技术，发现在屈伸运动及侧弯运动中，两者都能同等程度地减少手术节段的ROM。但是在邻近节段上，融合系统的ROM会比Dynesy稍高。

临床实验研究最初，由Dynesys的发明者Stoll等[12]发表的临床报道中，称Dynesys能够提供和融合术一样好的效果。但是，他们报道的病例中，60%病人有同时行脊椎减压术过，因此很难说明临床效果好是因为进行了脊椎减压术还是由于Dynesy技术。有一项研究表明如果只是单纯进行Dynesys技术而不同时行减压术，临床满意度只有39%[13]。

Dynesys系统是应用最广泛的弹性固定系统，因此关于它的临床效果研究要比其他弹性固定系统多得多。总的来说，Dynesys能提供足够的稳定性，但是否能减缓邻近节段的衰变，由于评价方法的不同，仍然众说纷纭。

5结论正如前文所说，后路椎弓根钉PDS技术在临床上已得到很大的应用。理论上来说该项技术能够限制病变椎体的异常运动与异常负荷分配，从而稳定病变节段并减少ASD的发生率。但是临床上的应用结果众说纷纭，装置的种类也千差万别，其各自的手术适应证、手术技巧、返修率都有不同之处。生物力学研究上也存在一定的问题：（1）稳定运动节段的程度大小；（2）需要分担多少异常负荷；（3）如何防止植入物失败。这些问题都需要进一步的研究和验证。

参考文献[1]PonnappanRK,SerhanH,ZardaB,etal.Biomechanicalevaluationandcomparisonofpolyetheretherketonerodsystemtotraditionaltitaniumrodfixation[J].SpineJ,2009,3:263-267.[2]SenguptaDK,BucklenB,McAfeePC,etal.TheComprehensiveBiomechanicsandLoad-SharingofSemirigidPEEKandSemirigidPosteriorDynamicStabilizationSystems[J].AdvancesinOrthopedics,2013:1-9.[3]GornetMF,ChanFW,ColemanJC,etal.BiomechanicalassessmentofaPEEKrodsystemforsemi-rigidfixationoflumbarfusionconstructs[J].JBiomechEng,2011,8:81009..[4]HighsmithJM,TumialanLM,RodtsGJ.Flexiblerodsandthecasefordynamicstabilization[J].NeurosurgFocus,2007,1:E11.[5]DeIureF,BoscoG,CappuccioM,etal.Posteriorlumbarfusionbypeekrodsindegenerativespine:preliminaryreporton30cases[J].EuropeanSpineJournal,2012,S1:S50-S54.[6]Ormond,D.R.Albert,L.Jr.&Das,K.Polyetheretherketone(PEEK)RodsinLumbarSpineDegenerativeDisease:ACaseSeries.JSpinalDisordTech(2012).[7]StraussPJ,NovotnyJE,WilderDG,etal.MultidirectionalstabilityoftheGrafsystem[J].Spine(PhilaPa1976),1994,8:965-972.[8]HadlowSV,FaganAB,HillierTM,etal.TheGrafligamentoplastyprocedure.Comparisonwithposterolateralfusioninthemanagementoflowbackpain[J].Spine(PhilaPa1976),1998,10:1172-1179.[9]GrevittMP,GardnerAD,SpilsburyJ,etal.TheGrafstabilisationsystem:earlyresultsin50patients[J].EuropeanSpineJournal,1995,3:169-175,135.[10]SchmoelzW,HuberJF,NydeggerT,etal.Dynamicstabilizationofthelumbarspineanditseffectsonadjacentsegments:aninvitroexperiment[J].JournalofSpinalDisorders&Techniques,2003,4:418-423.[11]DelankKS,GercekE,KuhnS,etal.Howdoesspinalcanaldecompressionanddorsalstabilizationaffectsegmentalmobility?Abiomechanicalstudy[J].ArchOrthopTraumaSurg,2010,2:285-292.[12]StollTM,DuboisG,SchwarzenbachO.Thedynamicneutralizationsystemforthespine:amulti-centerstudyofanovelnon-fusionsystem[J].EuropeanSpineJournal,2002:S170-S178.[13]Wurgler-HauriCC,KalbarczykA,WiesliM,etal.Dynamicneutralizationofthelumbarspineaftermicrosurgicaldecompressioninacquiredlumbarspinalstenosisandsegmentalinstability[J].Spine(PhilaPa1976),2008,3:E66-E72.