骨质疏松脊柱柔性动态固定的生物力学机制及其优化研究

低骨密度妨碍了脊柱固定方法，尤其是椎弓根螺钉固定的应用。目前的策略是螺钉强化，直接或间接地增大骨-螺钉界面，增加螺钉对骨的把持力。新的方法可以从弱化脊柱坚强内固定，即采用柔性动态固定,降低螺钉所承受载荷的途径来探索。我们的研究证明：动态固定比刚性固定有更大的脊柱稳定性且承受更少的载荷；适当增加固定的柔性不影响脊柱稳定性。由此，我们提出骨质疏松脊柱固定的新概念，即柔性动态固定是优化的骨质疏松脊柱固定，能够增强脊柱稳定性、减少固定松动、降低骨-螺钉界面应力。本项目采用创新的离体脊柱模型分析细棒和钉-棒间的转动和滑动对骨质疏松脊柱固定的稳定性和松动的影响，采用三维有限元模型研究它们改善骨-螺钉界面应力的机制，进一步以最小骨-螺钉界面应力确定最优化的柔性动态固定。本项目旨在阐明柔性动态固定改善骨-螺钉界面应力、增强骨质疏松脊柱稳定性的作用机制、为建立骨质疏松脊柱固定的新方法提供科学依据。

目前骨质疏松脊柱固定的策略是螺钉强化，增大骨-螺钉界面，提高螺钉把持力。弱化脊柱的坚强内固定，即采用柔性动态固定, 在保障融合所需的脊柱稳定性的同时，可降低螺钉所承受载荷，减少固定松动或断裂，是骨质疏松脊柱固定的新概念。本课题主要研究：(1)柔性动态固定的脊柱稳定性和载荷分享；(2) 有限元分析评价螺钉-骨界面应力；(3) 经关节螺钉固定的脊柱稳定性；(4) 前路枕颈固定术的稳定性。本课题取得的主要研究结果分述如下：.1.对于腰椎后路椎弓根螺钉固定，细棒在维持脊柱在屈伸和侧弯运动方向上稳定性的同时，能更好地与前柱椎体实现载荷共享。.2.对于寰枢关节后路钉棒固定，细棒固定的稳定性与坚强固定相当。PEEK棒固定和动态固定后，其前屈、后伸和旋转的稳定性与坚强固定相当，但在侧弯上较弱。.3.对于胸腰椎前路重建的钉棒固定，PEEK棒可维持前屈及侧弯方向上的稳定性，钛棒固定在除轴向旋转以外的其方向上稳定。在负重情况下，PEEK棒固定在前屈和后伸方向与钛棒固定相近，并且增加了椎间植骨块的载荷分享。.4.前路滑动棒固定在前屈、后伸、侧弯及旋转方向上均能提供与钛棒固定相似的稳定性。在轴向跟随力作用下，滑动棒比刚性棒固定在椎间植骨沉降时有更好的前屈稳定性。.5.柔性和动态椎弓根螺钉固定的抗压缩性能。滑动棒固定与传统坚强固定的抗压缩性能相当， 球窝连接固定在侧前或前屈压缩的抗压缩性能较差，但在后伸和侧后压缩上较好。细棒固定在后伸及侧后压缩方向上抗压缩性能相对不足。..6.有限元模型研究证实腰骶椎椎弓根螺钉在矢状位与终板平行、水平位内倾有助于改善整体结构的应力水平，缓解螺钉和椎体的应力集中，避免断钉、断棒及螺钉松动的发生。有限元模型材料属性划分不宜过多或过少，10梯度划分既可以保证运算结果的精确性，也相对可以提高运算速度。.7.下颈椎经关节螺钉固定在轴向旋转和侧弯方向上与侧块钉棒固定相似，但限制屈伸运动的能力较弱。在钢板固定重建前柱的情况下，经关节螺钉固定与侧块钉棒固定的效果相当。.8.经寰枢关节一侧交叉螺钉固定与传统固定在屈伸和轴向旋转方向上的稳定性相当，在侧弯方向更好性。双侧交叉固定在屈伸方向上的稳定性相当，且在侧弯和轴向旋转方向上有更高的稳定性。.9.创新地研制了前路枕颈斜坡钢板，可重建腹侧病灶切除后的脊柱稳定性，比异形钛网的重建有更好的侧弯和轴向旋转的稳定性.