骶骨螺钉四种固定方式生物力学特性的有限元分析

【目的】 研究骶骨螺钉四种不同固定技术的生物力学性能并进行有限元分析，为选择最佳骶骨螺钉固定方式，指导临床复位和重建脊柱稳定性提供有力的理论和试验依据。 【方法】 1．取6具完整10％福尔马林液浸泡固定的湿润成人脊柱标本(L5～S1)，两侧分别采用螺钉经椎弓根椎体间内固定(PTSF)法、前内骶岬法(螺钉指向前内侧，矢状面上向头侧成30°～35°角，钉尖对向骶岬)和经前内单、双边皮质固定技术(螺钉指向前内侧，平行于上终板)四种骶骨固定技术。任意二种植入方式随机组合，以CD2(Sofamor—Danck)直径6.5mm骶骨螺钉植入随机选择的骶骨标本的两侧，植入螺钉时测定最大旋入扭矩，以更好地了解和比较骶骨螺钉四种不同固定方式的力学性能。 2．通过模拟生理应力进行疲劳试验，测定固定刚度变化和拔出力。所有试验均在MTS 858 Bionix多功能生物力学试验机上完成。对螺钉施加40～400N的垂直周期性载荷，载荷频率为2Hz，加载次数为20.000次。然后行螺钉轴向拔出试验，获得螺钉最大拔出力。 3．根据骶骨的螺旋CT片采用计算机辅助技术建立骶骨的三维有限元模型，分别计算指标参数，并利用骨小梁的分布密度，配合有限元法计算得到骨小梁组织真正的材料性质，模拟骶骨螺钉不同植入方式，观察应力分布，并探讨各指标参数及材料性质对骶骨螺钉固定强度的影响。 【结果】 1．PTSF法，前内骶岬法和经前内单、双边皮质固定等四种骶骨螺钉固定技术最大扭矩差异有非常显著性意义(P＜0.01)。PTSF法固定组螺钉最大扭矩为(3.32±0.63)Nm，前内骶岬法固定组螺钉最大扭矩为(3.16±0.51)Nm，经前内双边皮质固定组为(1.97±0.43)Nm，经前内单边皮质固定组为(1.28±0.65)Nm，差异有非常显著性意义(P＜0.01)。PTSF法固定组比其他三种固定组分别高出5.06％、68.5％和159.4％。 2．轴向拔出试验结果：PTSF法抗拔出力最大，平均最大抗拔出力可达(1623±327)N，明显高于前内骶岬植入方法的(1451±262)N，经前内双边皮质植入方向的(1131±314)N和经前内单边皮质植入方向的(785±392)N。差异有显著性(P＜0.05)，PTSF法固定组比前内骶岬法，经前内双边皮质固定组和经前内单边皮质固定组分别高11.85％、43.5％和106.8％。 3．在循环负载过程中，四组刚度在负载早期(前5000个循环)均明显下降，然后趋于平稳。PTSF法固定组的最后刚度高于其他三组(P＜0.05)。四组中螺钉的最大扭矩与抗拔出力均有显著相关性，相关系数分别为0.95、0.94、0.96和0.95(P＜0.01)。 4．骨小梁的数量越多、密度越高，骶骨螺钉抗拔出力的力量越大。试件的结构刚度、剪切模量及骨小梁组织的弹性模量等材料性质越高，骶骨螺钉抗拔出力的力量越大。 【结论】 骶骨螺钉PTSF法固定技术，前内骶岬固定技术，经前内双侧皮质固定技术及经前内单侧皮质植入技术相比，其力学优越性逐渐减小。PTSF法骶骨螺钉的旋入扭矩和抗拨出力最大，固定最坚强，前内骶岬法次之，经前内双侧皮质固定组第三，经前内单侧皮质固定组最差。