杨毅，罗帅，刘浩*，吴廷奎，胡凌云，陈林，李广州，孟阳

(1.四川大学华西医院骨科，四川 成都 610041；2.成都市龙泉驿区第一人民医院放射科，四川 成都 610100)

钩椎关节(Uncovertebral Joint，又名Luschka关节)是颈椎的重要解剖结构：由第3颈椎至第7颈椎下位椎体后外侧上方凸起形成的钩突(Uncinate Process)与上位椎体斜下方形成的斜坡吻合以及与周围软组织连接包裹形成的“类似关节结构”[1]。本研究团队前期观察到陈旧性颈椎骨折脱位患者首先在椎间隙侧方钩椎关节区域产生骨痂，随后对颈椎前路减压植骨Zero-Profile内固定患者进行随访研究，发现钩椎关节区域植骨融合要早于传统的椎间隙中央区域，因此研究团队设计了一款钩椎关节融合器并获得了国家发明专利授权(发明专利号：ZL.2015 1 0541160.1)。钩椎关节融合器由聚醚醚酮(polyetheretherkrtone，PEEK)材料制作而成，尾端带两翼设计，前方由2枚钛合金螺钉斜向固定，体部主要起到支撑稳定作用而两翼可以防止植骨块向后脱入椎管，术中在椎间隙两侧钩椎关节区域植骨而椎间隙中央区域未进行植骨(见图1)。为了测试其初始稳定性，本研究利用山羊颈椎标本进行钩椎关节融合器生物力学测试并与完整颈椎组、髂骨植入组、零切迹融合器组进行对比，现报道如下。

1 材料与方法

1.1 标本制备 选取体重在35～45 kg的相同饲养环境的成年山羊颈椎标本20具，髂骨标本2具，山羊处死时注意保护颈椎，仔细解剖剔除附着肌肉，避免损伤韧带及关节囊结构，所有标本经大体观察及X线检查排除外伤、畸形、严重退变、肿瘤等。标本用保鲜薄膜双层封闭后置于专用-20 ℃冰箱保存。

a 上面观 b 侧面观

a 钩椎关节融合器

b 对照组零切迹椎间融合器

c 经过修剪的大小和融合器相近的三皮质髂骨块

1.2 实验分组和处理 用手工锯和骨刀将山羊髂骨修剪成和钩椎关节融合器、对照组融合器尺寸相近的髂骨块用于手术操作，见图2。最终对所有山羊颈椎标本进行编号并采用SPSS软件随机分组法分为A、B、C、D共4个测试组，A组：完整颈椎组，保持山羊颈椎C3～4间隙完整；B组：自体髂骨块植入组，切除山羊颈椎C3～4间隙椎间盘及刮除软骨终板后，植入合适高度以及大小与椎间融合器一致的三皮质髂骨；C组：钩椎关节融合器植入组，切除山羊颈椎C3～4间隙椎间盘及刮除软骨终板后，植入合适高度且体部宽度和深度与传统椎间融合器一致的钩椎关节融合器，拧紧2枚固定螺钉，在钩椎关节区域充分植骨；D组：传统椎间融合器植入组，切除山羊颈椎C3～4间隙椎间盘及刮除软骨终板后，选择合适高度的与钩椎关节融合器体部宽度和深度一致的钩椎关节融合器，在融合器中央植骨腔填充自体髂骨后植入，拧紧2枚固定螺钉。

1.3 生物力学测试过程 实验前6 h逐级解冻并在整个实验过程中用生理盐水纱布保持标本湿润[2]。对髂骨用骨刀修剪成同融合器大小一致的植骨块。根据分组要求植入合适高度的椎间融合器或髂骨植骨块，测试节段为C3～4节段(见图3)。将C3椎体上缘用自凝牙托粉(主要成分为骨水泥)固定到上位夹具，C4椎体下缘用自凝牙托粉固定到下位夹具，尽量使上下夹具保持平行，小于1°。对所有标本进行牙托粉固定后摄X线片，以观察融合器或髂骨块位置是否良好。在C3和C4椎体前后左右各安置2个特殊的标记用于测试仪捕捉运动图像信号。测试采用非破坏弹性法对山羊C3～4节段进行生物力学测试，包含过伸/过屈、左右侧屈及轴向旋转6个加载模式，加载大小为1 N·m、2 N·m、3 N·m和4 N·m，采用逐级加载的方式计算分析载荷-应变关系，当达到最大加载4 N·m的时候记录C3和C4椎的相对活动度即为活动范围(range of motion，ROM)[3]。实验测试每间隔60 s进行3个周期测试，记录最后一次测试数据。最后通过四川大学生物力学实验室专用的图像分析软件计算出活动范围对各组颈椎稳定性进行比较。

1.4 统计分析 使用统计学软件SPSS Statistics 22.0(IBM公司，Windows版本)对数据进行分析统计，根据数据特点选用t检验、方差分析或秩和检验进行统计分析，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

髂骨块植入组、钩椎关节融合器组、零切迹融合器对照组在1～4 N·m逐级加载过程中，在前屈、后伸、左右侧屈、轴向旋转维度上角位移与正常颈椎组比较差异均有统计学意义(P<0.05)。

a 正常颈椎组，箭头处示前纵韧带和纤维环完整 b 髂骨植入组，箭头处可见植入的髂骨

c 钩椎关节融合器组，箭头处示钩椎关节融合器两侧填充了足量的自体髂骨碎骨块 d 零切迹融合器对照组，箭头示融合器侧方未进行植骨，存在空隙

图3 测试标本图

在前屈维度上进行1～4 N·m的逐级加载，髂骨块植入组在前屈的角位移均小于正常颈椎组，P<0.05。钩椎关节融合器组与零切迹融合器对照组在前屈维度上进行1～4 N·m的逐级加载中两组比较角位移差异没有统计学意义(P>0.05)，但在逐级加载中两组角位移均比髂骨块植入组的角位移小，P<0.05。四组在前屈维度上1～4 N·m逐级加载角位移详见表1。

表1 各组前屈角位移测试结果比较

在后伸维度上进行1～4 N·m的逐级加载，钩椎关节融合器组、零切迹融合器对照组、髂骨块植入组在后伸维度的角位移均小于正常颈椎组(P<0.05)。钩椎关节融合器组与零切迹融合器对照组在后伸维度上1～4 N·m逐级加载中两组比较角位移差异无统计学意义(P>0.05)，但在逐级加载中两组角位移均比髂骨块植入组的角位移小，P<0.05。四组在后伸维度上1～4 N·m逐级加载角位移详见表2。

表2 各组后伸角位移测试结果比较

在左右侧屈的维度上进行1～4 N·m逐级加载，钩椎关节融合器组、零切迹融合器对照组、髂骨块植入组在左右侧屈维度上的角位移均小于正常颈椎组，P<0.05。钩椎关节融合器组与零切迹融合器对照组在左右侧屈维度上2组角位移均比髂骨块植入组的角位移小，P<0.05。钩椎关节融合器组在左右侧屈维度上1～4 N·m的逐级加载中比零切迹融合器对照组的角位移略小，P<0.05。四组在左右侧屈维度上1～4 N·m逐级加载角位移详见表3。

表3 各组左右侧屈角位移测试结果比较

在轴向旋转的维度上进行1～4 N·m逐级加载，钩椎关节融合器组、零切迹融合器对照组、髂骨块植入组在轴向旋转维度上的角位移均小于正常颈椎组，P<0.05。钩椎关节融合器组与零切迹融合器对照组在轴向旋转维度上两组角位移均比髂骨块植入组的角位移小，P<0.05。钩椎关节融合器组在轴向旋转维度上1～4 N·m的逐级加载中比零切迹融合器对照组的角位移略小，P<0.05。四组在轴向旋转维度上1～4 N·m逐级加载角位移详见表4。

表4 各组轴向旋转角位移测试结果比较

以最大加载力矩4N·m加载所测的角位移计算ROM，共计算过伸/过屈ROM、左右侧屈ROM和左右旋转ROM(见表5)。钩椎关节融合器组、零切迹融合器对照组、髂骨块植入组过伸/过屈ROM，左右侧屈ROM和左右旋转ROM与正常颈椎组比较差异均有统计学意义(P<0.05)。钩椎关节融合器组和零切迹融合器对照组ROM均小于髂骨块植入组，P<0.05。钩椎关节融合器组和零切迹融合器对照组过伸/过屈ROM比较差异均无统计学意义(P>0.05)，但钩椎关节融合器组左右侧屈ROM和左右旋转ROM略小于零切迹融合器对照组，P<0.05。

表5 各组过伸/过屈ROM、左右侧屈ROM和左右旋转ROM测量值比较

3 讨 论

颈椎生物力学测试的理想标本是新鲜人体尸体颈椎标本，然而由于伦理学等原因限制，新鲜完整人体颈椎标本往往存在获取困难、来源有限的问题，并且很难对标本进行年龄、性别、体重、身高等指标的配对以使基线一致。灵长类动物为直立姿势，与人类基因具有很大同源性，解剖参数与生物力学同人体颈椎较为接近，但是同样存在获取困难来源有限的问题，很难普及进行试验[4]。羊(包括山羊和绵羊)因椎体尺寸、椎间隙高度、终板形态等解剖参数以及颈椎生物力学参数与人颈椎接近，且易于获得和饲养，是常用的颈椎实验模型[5-6]。Kandziora等[7]对20具新鲜绵羊颈椎标本与20具新鲜人体颈椎标本从解剖学、X线与CT影像学以及生物力学等方面进行多维度的对比研究后发现，绵羊颈椎同人体颈椎在多方面具有一致性，可以作为人体颈椎模型，尤其是绵羊C3～4节段同人体颈椎最具有一致性，因此本研究选用山羊C3～4节段对钩椎关节融合器进行生物力学测试与评价。

此次生物力学测试分组设计中选取完整的未做处理的山羊颈椎作为基线对照。三皮质髂骨植骨块是ACDF手术中常用的植骨物，后期的椎间融合器设计也是根据Cloward、Robinson和Smith等[8-10]早期修剪的植骨块延伸而来，众多的椎间融合器生物力学测试都设置了三皮质髂骨作为经典对照组[11]。本研究也选用一组山羊三皮质髂骨植骨块作为对照，来评价钩椎关节融合器的初始稳定性。与完整颈椎相比，髂骨块的植入能够显著降低植入节段在过伸/过屈、左右侧屈以及轴向旋转方面的活动范围，这也与其他生物力学研究结果较为一致[12-13]。髂骨块的初始稳定性主要依靠“撑开”后植入髂骨块与终板的轴向应力维持其初始稳定性，植入节段在过伸/过屈、左右侧屈以及轴向旋转方面的活动范围显著下降，但是在外部加载负荷增大的情况下，由于其强度的限制以及缺乏有效的固定，其稳定性仍然不如颈椎前路钢板螺钉固定、带螺钉或带锁片的零切迹椎间融合器[14-15]。

本次实验中钩椎关节融合器与对照组零切迹椎间融合器均能显著降低山羊C3～4节段活动度，且与髂骨组差异有统计学意义，P<0.05。与髂骨组相比，钩椎关节融合器和对照组零切迹椎间融合器均有2枚螺钉固定，可以增加其稳定性。钩椎关节融合器组与零切迹椎间融合器对照组相比在过伸/过屈方面活动度无明显差异，但在左右侧屈和轴向旋转方面有轻微差异，两组融合器主体部件均为PEEK材料，均由2枚相同规格的钛合金螺钉斜向固定，表面均为相同规格的凹凸设计，我们分析造成侧屈与轴向旋转的差异主要是因为：钩椎关节融合器的两翼设计，增加了融合器的“宽度”，从而使钩椎关节融合器在侧屈时有更长的“力臂”，这和之前的带有两翼设计Wing融合器原理类似[16]。本次生物力学测试对照组采用的零切迹椎间融合器其尺寸与固定方式均与钩椎关节融合器的尺寸、固定方式相似，相近生物力学固定强度与力学环境为后期进行山羊动物实验基线可比作出了铺垫，避免固定强度与力学环境的差异对体内实验中两组山羊的植骨融合效果产生影响。

尽管本次生物力学测试已经采用标准化测试方法，本实验研究仍然存在以下不足：a)不同性别山羊的椎体尺寸可能存在差异，在纳入山羊颈椎标本时未对山羊性别进行专门统计，采用随机分组可能会减少其对结果的影响；b)剔除了周围肌肉但在活体颈椎颈部肌肉仍然参与了颈椎的运动，这是生物力学标本测试的普遍问题之一[17]；c)本次测试所纳入的组别较少，因为设计理念与固定方式的不同，未对钩椎关节融合器与传统颈椎前路钢板联合椎间融合器、Zero-P椎间融合器等进行对比，在后期的研究中仍有待进一步研究；d)尽管众多研究已经证明山羊可以作为人体颈椎理想的生物力学测试模型，但山羊和人的颈椎在解剖和力学上仍然存在差异，其测试的结果仍然难以和人体颈椎标本测试的结果完全精确的一致[18]，仍有待人体标本研究进一步验证。