·综述·脊柱内固定器械的生物力学王向阳!综述池永龙"审校随着材料学和生物力学发展，传统的脊柱内固定方法不断改进，新型内固定器械不断涌现。而新的内固定器械在临床应用前应该在实验室进行生物力学综合评价，从而选出最合适的内固定器械［1］。因此，对脊柱内固定器械的生物力学研究已成为目前脊柱外科生物力学研究的重要课题。为了更好地评价某种内固定器械，必须对每种实验方法有全面的认识。本文结合有关文献，对脊柱内固定器械的生物力学研究的方法及有关问题进行阐述。!脊柱内固定器械组成在整套器械进行测试前，应当首先考虑内植物各组成部分的结构及其机械特性。目前，脊柱内固定器械的设计，依据特殊要求而形态各异，但其基本结构只有三种：长构件结构（如棒、钢板等），固定椎体构件（如椎弓根螺钉、椎板钩、椎板下钢丝或前方椎体螺钉）以及将其连接至长构件的连接部分。脊柱内固定器械的生物力学实验评价要与具体器械相结合，要考虑到各种结构设计所带来的生物力学差异，以便更好的理解每一类型器械的生物力学特性，更好地为临床服务［2］。"标本选择和模型建立新鲜、年轻、健康尸体是最理想的标本。福尔马林浸泡的尸体标本，已大大改变了标本属性。Wilke等［3］研究了16周小牛的L1!2脊柱节段标本在福尔马林浸泡前后进行三维运动范围（Rangeof3-DMotion）测试，结果表明运动范围较前增加80%，中性区增加96%，建议不能使用福尔马林标本。由于新鲜成年男尸来源少，操作时易受其体液感染，且受测试时间的限制。现已有使用小牛、羊、狗、猪等动物脊柱标本代替。Wilke等［4，5］应用羊脊柱标本与人脊柱标本进行解剖学和脊柱节段三维运动范围测试，指出两者有很大相似性，建议可代替人脊柱标本模型。Wilke等［6，7］还将牛的脊柱三维运动范围与人脊柱相比，指出两者力学性能相似，特别在轴向旋转与侧弯方向上；而腰段的前屈后伸范围比人脊柱标本运动范围小，但仍在其范围内。狗椎体偏小，但易于手术和饲养。猪与人体椎体大小相似，特别是腰椎形态与人的椎体相似，标本来源广泛，可满足各种实验的要求。还有非生物脊柱模型：人工制品脊柱模型［8］和数字力学模型［9］。人工制品模型的特点是各模型具有一致性，骨—螺钉界面稳定，不受测试时间的限制。数字力学模型不受实验诸多因素的影响，费用低，还可提供实验手段不易得到的详细数据，并可改变其中任一参数以观察其对整个结构的影响。但数字力学模型的有效性仍需要实验验证。标本准备时要注意保持长度一致并恒定［10］。标本选择以后，测试前要选择合适的失稳模型。对于生物脊柱标本，Wilke［1］认为最好由手术刀在椎间盘和韧带和由摆动锯或骨凿在骨结构内做出来，并尽量符合临床实际。#内固定器械生物力学实验方法脊柱内固定器械的生物力学特征主要基于器械在生理环境中的机械性能和器械对失稳脊柱的固定效果。前者主要研究器械承受各种生理性载荷的性能及器械的抗疲劳性能，为破坏性试验。内固定器械破坏有三种方式：部件断裂，骨-移植物界面松动，器械结构内部界面如螺钉-连接棒交界处松动。后者主要研究器械对失稳脊柱稳定性的影响，为非破坏性试验。故其实验方法主要有以下三类：#$!强度实验通过材料试验机施加负荷，直到试验对象不能耐受为止，并绘制出载荷—位移曲线，从中可得到屈服载荷、断裂吸收能量和刚度。主要有以下二类：#$!$!骨—器械界面屈服强度实验根据器械类型及所固定的部位选择不同的测试方法。可选择螺钉轴向拔出试验、棘突钢丝屈服强度实验、椎板钩屈服强度实验等。计算最大屈服载荷（载荷—位移曲线最高时的载荷数值）、屈服能量吸收（屈服载荷以左曲线下的面积）及刚度（弹性范围内曲线的斜率），其值越大表示骨—器械界面的结合越大。加载速度一般为2.5!5mm／min，以5mm／min运用最多［11，12］。主要与结合方式及结合部位的骨质有关。如Coe等［12］分别报道了椎弓根螺钉机械屈服载荷为430N和棘突钢丝的屈服载荷为380N，椎板钩屈服载荷为646N。#$!$"内固定器械屈服强度实验实验时，可将固定器械的整体或某一构件单独作为试件，或者与脊柱标本结合进行测试。模似脊柱临床疾病状态，在固定部分加...
