脊椎切除重建中不同截面积钛网内植骨生长情况的实验研究

论文摘要

目的：建立一种腰椎切除脊柱融合动物模型,并观察椎体切除植入不同直径钛网后骨融合情况,对影响脊柱支撑体内骨生长情况有关因素进行分析,探寻在不影响骨愈合及生物力学情况下的最小的钛网与椎体截面积比,以指导临床在行腰椎切除融合术时选择合适直径钛网植入。自从Hibbs于1911年首次报道了脊柱融合的手术技术后,随着内固定技术及内固定材料的发展,脊柱融合技术已广泛应用于脊柱疾患的治疗。目前随着社会人口老龄化、结核发病率以及交通意外事故的增加,脊柱肿瘤、脊柱结核、脊柱爆裂性骨折等也随之增加,因此椎体切除内固定术也随之发展。一种新的骨替代材料,内固定材料及新技术等应用于人体之前,首先都需建立相应的动物脊柱融合模型进行各项指标的测试及研究,确定安全后才能进一步行临床试验。目前脊柱动物融合模型种类繁多,方式不一,其中小动物模型应用较多,大型动物相对较少,且融合效果及手术并发症不一。有报道应用新西兰白兔做动物脊柱融合模型死亡率和并发症达到20%以上,应用大型动物做脊柱融合模型会更为复杂。大型动物融合模型建立相对难度较大,应用山羊行脊柱融合模型目前较常见,但多限于颈椎,腰椎融合模型建立少见报道,难点在于手术复杂、时间较长,麻醉时间长,出血量较多,术后并发症多。动物椎体融合模型手术方式有三种,分别为前路、后路360°、后外侧入路融合。前路及后路360°造模对动物创伤较大,后外侧入路经腹膜外到达椎体,对动物创伤相对较小,并可在直视下切除椎体。为此我们探索一种有效的、重复性好的大型动物腰椎切除钛网植入融合模型。一直以来,钛网常被用于治疗骨缺损,对钛网进行合理的剪裁与塑形后将其填充骨块,并移植于目标区域提供支撑作用,该技术明显提高了脊柱植骨融合率。但临床对椎体切除后植入钛网直径没有统一规范,造成许多问题,如植入后愈合率不高,强度不够,内固定取出后再骨折,或对愈合情况判断失误,未愈合即取出内固定等。一味选择粗钛网使钛网内填充的自体骨或异体骨骨量增多,导致供骨区并发症增多及给病人造成经济浪费。反之一味选择细钛网又可能导致骨愈合率不高或愈合强度不够、钛网易沉陷等,从而达不到坚强内固定的目的,造成手术失败。本实验通过观察腰椎切除脊柱融合动物模型椎间融合器的植骨融合情况,对影响脊柱支撑体内骨生长情况有关因素进行分析,探寻在不影响骨愈合及生物力学情况下钛网与椎体最小的截面积比,并分析有效评价钛网内骨融合情况的手段。方法：我们以经后外侧腹膜外入路椎体切除钛网植入钢板内固定的方式建立腰椎切除脊柱融合动物模型。选取成熟山羊9只,雌雄不限,年龄1.5-3岁,体重35±2.5kg,山羊个体相近,以保证山羊腰椎体大小基本相同,随机分为三组,每组三只。三组均行单椎体切除,分别植入直径为10mm、12mm、16mm的钛网,10mm组为A组,12mm组为B组,16mm组为C组。术后饲养4个月。术后每月行X线检查,观察钛网位置及融合情况。羊处死后取脊柱标本行X线及三维CT检查,测量钛网-椎体接触面及钛网内不同部位CT值,观察骨愈合情况,并且根据三维CT结果计算钛网和椎体接触面截面积比值,以此来确定本实验探寻的钛网和椎体最小的截面积比。脊柱标本行前屈、后伸、侧弯、扭转等工况下生物力学检测,以评价骨愈合强度,并建立有限元模型进一步验证离体实验生物力学结果,及分析不同直径钛网植入后钛网、终板应力分布情况对融合情况的影响。标本行组织学切片观察接触面及钛网内植骨融合情况。分别于术前、术后第3天、5天、7天、2周、1个月抽静脉血,分离血清,然后用酶联免疫分析试剂盒测定骨形成调节细胞因子及代谢标志物（BMP-2、TGF-β、VEGF、BGP、BALP）血清值,观察这些指标在椎体切除并植入不同直径钛网后分泌、代谢情况,其出现高峰值时间及峰值大小与骨愈合情况是否有关,并观察这些指标之间有何关系。对各项检测结果进行统计学分析。结果：成功构建了山羊腰椎体切除脊柱融合动物模型,实验组山羊均成活,一例切口感染,予以切口换药处理后痊愈,一例术后双后肢不全性瘫痪,3日后完全恢复。术后三维CT检查,测量钛网和椎体接触面截面积比及钛网和椎体接触面CT值,结果示10mm组钛网与椎体接触面截面积比是1/3,12mm组钛网与椎体接触面截面积比是1/2,16mm组钛网与椎体接触面面积比是2/3。钛网和椎体接触面CT值与相邻正常椎体CT值的比值结果示B组及C组无明显统计学差异,A组与B组及A组与C组统计学均有差异。B组及C组生物力学检测无明显统计学差异,A组与B组及A组与C组生物力学检测统计学有差异。组织学切片观察示B组及C组接触面处及钛网内骨小梁较A组致密、粗大,其中以C组生长最好,三组均显示距离接触面越远钛网内骨小梁越稀疏,且有无骨质区。三组血清学骨形成调节及代谢指标（BMP-2、TGF-β、VEGF、BGP、BALP）均于术后3天开始升高,且于5天—2周内达到峰值,随后开始下降,高峰值出现时间无统计学差异,但A组峰值较B组及C组均低,且A组的TGF-β、BGP和BALP高峰值出现时间较B组及C组早。结论：本实验成功构建了山羊腰椎切除脊柱融合动物模型,且操作简单,重复性好,是一种较好的脊柱融合动物模型建立方法。腰椎椎体切除钛网植入时,钛网与椎体接触面比值应达到1/2,才对骨愈合时间及强度无明显影响。骨形成调节及代谢标志物高峰值出现时间及峰值大小与骨愈合强度有一定的相关性。三维CT检查可作为评价骨融合情况的首选手段。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 英文缩略词表
• 第1章 综述
• 1 生物力学一般概况
• 2 腰椎一般解剖结构及生物力学特点
• 2.1 腰椎椎体结构及特点
• 2.2 脊柱运动的功能单位
• 3 腰椎生物力学研究现状
• 3.1 腰椎标本及模型
• 3.2 腰椎生物力学测量方式
• 3.2.1 强度实验
• 3.2.2 疲劳实验
• 3.2.3 稳定性实验
• 4 腰椎生物力学研究展望
• 第2章 腰椎切除脊柱融合动物模型的建立
• 第1节 前言
• 第2节 实验材料和方法
• 1 实验材料
• 2 实验方法
• 第3节 实验结果
• 1 模型建立及术后并发症
• 2 影像学
• 第4节 讨论
• 1 实验动物模型的种类
• 2 实验动物模型建立入路
• 3 动物麻醉药物的选择
• 第5节 小结
• 第3章 脊椎切除重建中不同截面积钛网植骨融合后生物力学对比研究
• 第1节 前言
• 第2节 实验材料和方法
• 1 实验标本采集及处理
• 2 生物力学测试仪
• 3 标本的受力状态及加载
• 4 实验方法
• 5 统计学分析
• 第3节 实验结果
• 1 山羊腰椎载荷—水平位移之间的关系:见表3.1
• 2 山羊腰椎扭矩—扭角之间的关系
• 3 有限元分析结果
• 第4节 讨论
• 1 腰椎的解剖结构及生物力学特点
• 2 不同截面积比山羊腰椎脊柱融合标本生物力学测试分析
• 第5节 小结
• 第4章 腰椎切除重建中不同截面积钛网植骨融合后钛网内骨生长情况的观察
• 第1节 前言
• 第2节 实验材料及方法
• 1 实验材料
• 2 实验方法
• 第3节 实验结果
• 1 骨融合影像学检查情况
• 2 骨融合标本病理检查结果
• 3 血清学指标检测结果
• 第4节 讨论
• 1 脊柱融合评价手段
• 2 不同截面积比动物模型植骨融合情况
• 第5节 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢