J Orthop Surg Res：静态和动态颈椎钢板在骨融合、组织退变和植入物行为方面的生物力学比较
2024-06-24 医路坦克 MedSci原创 发表于上海
在颈椎前路椎间盘切除术和融合术(ACDF)中使用颈椎前路固定装置已经发展到各种静态和动态颈椎钢板系统(SCP和DCP)。然而，很少有研究系统地研究动态颈椎钢板的生物力学差异。
在前路颈椎椎间盘切除术和融合(ACDF)中使用前路颈椎固定装置已经发展到各种静态和动态颈椎钢板系统(SCP和DCP)。动态颈椎钢板分为三类:旋转(DCP-R)、平动(DCP-T)和混合型(DCP-H)关节。然而，很少有研究系统地研究动态颈椎钢板的生物力学差异前路。SCP已被广泛用于促进椎体间融合和减少多节段ACDF后的cage-松脱并发症。理论上，其目的是固定ACDF节段;从而提高融合率，降低手术失败率。然而，随机对照试验研究仍报道了一些SCP相关的并发症，如钢板与骨分离、螺钉拔出、螺钉断裂。
此外，SCP的高刚度可能会对ACDF节段产生应力屏蔽效应，并降低对有效接枝融合至关重要的机械负荷[5,6]。由于ACDF向相邻节段的代偿性移动和负荷，ACDF节段的固定往往会加速ASD的进展。因此，已经开发了一些DCP设计，以允许板螺钉和板-板移动，并改善上述SCP的缺点。对于DCP-R设计(例如Codman系统:Johnson & Johnson, USA)，板-螺钉接头允许半应变旋转，以提供多轴插入并防止螺钉退出。对于DCP-T设计(如:ACDSP系统)，板材厚度减半，形成板-板接缝的滑移机制。从而允许平移几乎切向板轮廓(图1A)。ACDSP系统的旋转关节由螺钉和锁紧螺母的半锁紧机构组成(图1B)。另一种DCP-T设计(例如:DOC系统)可沿连杆平移。由于旋转关节和平动关节的混合使用，一些DCP-H设计(例如Premier系统:Medtronic Sofamor Danek,)旨在为ACDF节段提供更高的螺钉和板槽孔的灵活性。
从理论上讲，转动和平移节点的特性差异会影响被测区域的移动约束能力(ASD问题)和负载屏蔽性能(笼形沉降)。从生物力学的角度来看，动态关节的几何不连续可能会使关节周围的应力集中，导致关节界面松动。对于Premier系统，槽孔处界面稳定性的丧失会使传递荷载恶化，并导致ACDF段的骨笼沉降。对于ACDSP和DOC系统，沿着板或棒轮廓的切向平移可能会提供有限的仪器区域的伸缩流动性，并且对缓解ASD问题的贡献较小。
本研究假设使用DCP系统的手术策略应考虑相邻节段的退行性状况和内固定椎体的骨质量。对于伴有/不伴有早期退变的相邻节段，术前应仔细评估DCP系统之间活动受限差异的长期变化。由于固定椎体质量较差，应控制好传递载荷，避免笼形沉降。提示谨慎选择不同的DCP刚度是治疗骨质疏松患者的关键步骤。然而，在文献中，很少有研究系统地研究旋转和平移机制对DCP节点破坏模式、ACDF节段传递荷载以及相邻节段补偿响应的短期和长期影响。本研究旨在从三个方面比较动态关节的生物力学差异:植入物行为(椎体切除构造的弹性刚度)、骨融合(ACDF节段的椎间载荷)和组织退变(相邻节段的代偿运动和应力)。前者通过生物力学试验进行评价，后者通过有限元分析进行评价。数值选择完整和SCP结构体作为比较基线，代表节间运动和荷载的正常和恶化情况。本研究结果与文献研究的临床和实验结果相关联，以深入了解SCP和DCP系统的生物力学差异。
材料与方法:首先以超高分子量聚乙烯块体为椎体试件，对SCP和DCP系统的载荷变形特性和破坏模式进行了生物力学试验。基于ct的C2-C7模型模拟了ACDF手术中颈椎钢板的策略，并进行了有限元分析。我们评估了一个完整的、一个SCP和两个DCP系统的骨融合和组织反应的生物力学特性。
本研究使用的ACDSP板的基本组成和规格。等距视图。滑板夹在两个侧板之间，由两个止动销约束。B俯视图和剖面图。板-螺钉连接处由锁紧螺母稳定。在滑移机构内，滑动板和侧板的厚度减少以容纳彼此
SCP和ACDSP的标本及生物力学试验的建立。A将钛基钢板固定在超高分子量聚乙烯块上，形成一个椎体切除结构，作为桥接钢板-螺钉系统的最坏情况。B这些结构被安装在由MTS测试系统的执行器驱动的测试夹具上
C2-C7颈椎模型的运动由从动器载荷(P)和颅力矩(MF、ME、MB和MR)驱动，以激活屈伸、弯曲和旋转。正面视图。B融合器和固定板。C侧面视图
本研究考察了三种有限元结构
单次加载两个SCP和ACDSP结构的结果。A轴压荷载-变形曲线的典型模式。B SCP(12.6, 14.5, 13.2, 14.2, 14.5)和ACDSP(2.5, 2.9, 3.0, 2.7, 2.9)的结构刚度统计结果
预测相邻节段的运动学和力学结果。A圆盘角度。B盘应力。C面力
预测运动学和力学差异
以节段间载荷作为评价融合率和ASD进展的指标。A、B相邻节段(C3/C4和C6/C7)和置入节段(C4/C5和C5/C6)的节段间负荷
从组织反应(笼子下沉和ASD进展)和ACDF节段的骨/椎间盘质量方面说明使用DCP系统的手术策略。使用DCP-H策略有两种条件:ACDSP和Premier系统。手术优先的原因是由于DCP关节的灵活性和稳定性
结果:在生物力学试验情况下，5个ACDSP构体的构体刚度平均值分别比SCP组低393.6% (p<0.05)和183.0%的首次屈服荷载平均值(p<0.05)。在有限元分析情况下，SCP的刚性诱发ASD更严重，DCP-H次之，DCP-R最小。
讨论与结论:在使用动力系统时，应考虑临近节段的退变程度和内固定节段的骨质疏松程度。旋转关节和平移关节的活动性和稳定性是影响融合率和ASD进展的关键因素。如果相邻节段已经退化，则可以采用更灵活的系统来补偿ACDF节段的受限移动性。在骨质疏松的ACDF椎体情况下，建议采用更硬的系统，以避免笼体下沉
J Orthop Surg Res：静态和动态颈椎钢板在骨融合、组织退变和植入物行为方面的生物力学比较
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