镁合金与钛合金螺钉在枢椎实体标本中的生物力学检测对比研究

曾兴栋，王志坤，谢文伟，李再学，余颖锋

(东莞市石龙医院骨科，广东东莞523000)

镁合金与钛合金螺钉在枢椎实体标本中的生物力学检测对比研究

曾兴栋，王志坤，谢文伟，李再学，余颖锋

(东莞市石龙医院骨科，广东东莞523000)

目的通过对比镁合金与铝合金螺钉在枢椎实体标本中的生物力学检测结果，探讨不同材料螺钉内固定对齿状突Ⅱ型骨折稳定性的影响。方法取10具尸体枢椎标本，创建齿状突Ⅱ型骨折的生物力学测试模型。按照随机数字表法分成两组(镁合金螺钉组、钛合金螺钉组)各5例，上好螺钉内固定。行载荷-位移测定和拔出试验。结果加载100 N、200 N、300 N时两组的骨折位移程度差异无统计学意义(P＞0.05)，加载400 N、500 N负荷时镁合金螺钉组骨折位移明显小于钛合金螺钉组，且镁合金螺钉失效时最大负荷明显大于铝合金螺钉组，差异均具有统计学意义(P＜0.05)；加载100 N、200 N拔出力时两组螺钉的拔出长度差异无统计学意义(P＞0.05)，加载300 N、400 N、500 N拔出力时镁合金螺钉组螺钉拔出长度明显短于钛合金螺钉组，且镁合金螺钉组的最大拔出力明显大于钛合金螺钉组，差异均具有统计学意义(P＜0.05)。结论镁合金齿状突中空螺钉在枢椎齿状突骨折实体标本中的生物力学检测结果优于钛合金螺钉。

齿状突骨折；镁合金；钛合金；内固定材料；生物力学

枢椎齿状突Ⅱ型骨折是临床常见的上位颈椎骨折类型，目前颈前路中空螺钉内固定是最佳的治疗方法。钛合金是目前最常用的中空螺钉材料，但是钛合金中空螺钉存在不能降解，需要长期留置于体内，并且钛的弹性模量较高，应力遮挡效应较强，导致骨骼的强度降低，新骨生长和组织愈合速度减缓等问题[1]。镁合金材料具有良好生物相容性、可降解性、优良的物理性等优点，可以解决钛合金材料存在的问题，但是镁合金医用生物材料最终要应用于临床，必须满足三个基本条件，即足够的生物力学性能、材料的安全性和降解速率的可控性[2]。其中足够的生物力学性能是最重要的条件，目前尚没有研究将镁铝合金加工成螺钉等成品，通过生物力学方面研究评价镁铝合金螺钉在固定骨折端方面的稳定性。本课题已经于去年采用CT进行镁合金中空螺钉治疗枢椎齿状突Ⅱ型骨折三维有限元分析实验，本研究将进一步在枢椎实体标本中进行生物力学检测，并与钛合金螺钉进行对比，旨在探讨镁合金中空螺钉的生物力学性能。

1 材料与方法

1.1 实验材料选取新鲜冷冻尸体10具，均为意外死亡，排除颈椎外伤、变性、肿瘤及骨质增生等颈椎问题。截取枢椎，将椎旁的软组织去除干净，仅保留骨性结构，保存于-20℃的冰箱中，于实验前12～18 h将标本取出室温下自然解冻。实验所用镁合金中空拉力螺钉共5枚，螺钉为圆柱形，中空，螺帽为内六角，长度为38 mm，螺纹的长度为10 mm，直径为3.5 mm。所用材料为AZ31B镁铝合金(提供单位：中国科学院金属研究所，螺钉加工制作单位：山东威高骨科材料有限公司）。钛合金中空螺钉共4枚，长度为40 mm，螺纹长10 mm，直径3.5 mm，均由山东威高骨科材料有限公司提供，见图1。

图1 左侧为镁合金中空螺钉，有侧为铝合中空金螺钉

1.2 载荷-位移的测定枢椎固定于生物力学实验机。参考文献[3]的实验结果预设实验机加载速度15 N/s，最大压力1 300 N，最大位移5 mm。作用力于45°斜延伸加载在关节表面的齿状突。这种加载方法可以成功的创建Ⅱ型齿状突骨折的生物力学测试模型[4]，计算机记录加载-位移数据，记录齿突骨折最大负荷。将骨折枢椎按照随机数字表法分成两组(镁合金螺钉组、钛合金螺钉组），上好螺钉内固定。如上方法固定枢椎，与骨折造模相同方向加载作用力，加载速度15 N/s，最大拉力700 N，最大位移5 mm。分别记录螺钉固定后加载100 N、200 N、300 N、400 N、500 N负荷时齿突骨折端位移数据，螺钉失效时记最大负荷。

1.3 拔出试验将镁合金、钛合金两组中空螺钉II型齿突骨折模型固定到生物力学机，预实验结果设置试验机速度1 mm/min，最大拉力1 000 N，最大位移5 mm，为确保将螺钉垂直拔出，仅产生轴向拔出力，不产生其他方向的分力，使用专门的夹具夹住螺钉头部。测试前通过软件调整夹具和螺钉之间的力，将拔出力的初始数据归零，以免产生正向及负向的初始力。加载100 N、200 N、300 N、400 N、500 N拔出力，记录拔出螺钉拔出长度，螺钉完全拔出即中止测试，记录最大拔出力。

1.4 统计学方法采用SPSS16.0版统计学软件对所获数据进行处理，本研究位移及负荷等数据均采用均数±标准差(±S)表示，组间比较采用t检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 两组载荷-位移测定结果比较加载100 N、200 N、300 N时两组的骨折位移程度差异无统计学意义(P＞0.05)，加载400 N、500 N负荷时镁合金螺钉组骨折位移明显小于铝合金螺钉组，且镁合金螺钉失效时最大负荷明显大于铝合金螺钉组，差异均具有统计学意义(P＜0.05)，见表1。

2.2 两组拔出试验结果比较加载100 N、200 N拔出力时两组螺钉的拔出长度差异无统计学意义(P＞0.05)，加载300 N、400 N、500 N拔出力时镁合金螺钉组螺钉拔出长度明显短于铝合金螺钉组，且镁合金螺钉组的最大拔出力明显大于铝合金螺钉组，差异均具有统计学意义(P＜0.05)，见表2。

表1 两组载荷-位移测定结果比较(±S)

表1 两组载荷-位移测定结果比较(±S)

组别例数螺钉失效时最大负荷镁合金螺钉组铝合金螺钉组t值P值5 5 --100 N位移程度(mm) 0.40±0.02 0.45±0.05 -1.394＞0.05 200 N位移程度(mm) 0.94±0.11 1.02±0.14 -1.203＞0.05 300 N位移程度(mm) 2.65±0.15 2.73±0.19 -1.854＞0.05 400 N位移程度(mm) 3.28±0.20 4.36±0.25 2.475＜0.05 500 N位移程度(mm) 4.40±0.21 5.56±0.34 2.643＜0.05 620.36±113.84 435.72±101.23 2.439＜0.05

表2 两组拔出试验结果比较(±S)

组别镁合金螺钉组铝合金螺钉组t值P值例数5 5 --100 N位移程度(mm) 0.52±0.04 0.55±0.06 -1.204＞0.05 200 N位移程度(mm) 0.79±0.09 0.82±0.11 -1.324＞0.05 300 N位移程度(mm) 0.90±0.12 1.18±0.13 2.643＜0.05 400 N位移程度(mm) 1.20±0.21 1.46±0.20 2.843＜0.05 500 N位移程度(mm) 1.44±0.18 1.79±0.24 2.382＜0.05螺钉最大拔出力(N) 604.83±84.83 535.72±71.23 2.485＜0.05

3 讨论

现代骨科治疗中很多情况下需要植入硬组织修复材料来辅助组织的生长和愈合。目前硬组织的材料种类繁多，主要有金属材料、陶瓷材料及有机高分子材料等[5]。但是这些材料均存在一定的局限性。例如陶瓷材料产品的韧性不佳，而有机聚合物材料的力学性能较差，难以承受较大的负荷[6]。金属及其合金材料的机械强度高、弹性好并且加工性能强，因此在骨与关节的硬组织植入材料中占据主导地位[7]。目前临床应用最广泛的金属和合金材料包括不锈钢材料、钛合金材料和钴合金材料，但这些材料均不能降解，均是永久性植入材料，需长期留置于人体组织中，成为引发炎症等问题的隐患，并且在骨折愈合后还要进行二次手术拆除固定装置，增加了患者的痛苦同时也加重了其经济负担[8]。而且这些材料的弹性模量与人骨存在较大的差异，会造成严重的应力遮挡效应，导致骨骼强度降低，抑制新骨的生长，使组织愈合迟缓[9]。所以发展具有低弹性模量的可降解骨组织修复材料才是上述问题较好的解决方案。由于镁基合金可在生理电解质环境中通过腐蚀而发生降解，其在可降解骨组织修复材料领域展示了巨大的潜在应用前景[10]。

镁合金与其他金属内植入物相比具有如下优点：①生物相容性：镁是人体必需的常量元素，其参与了机体的各种生理过程，因此镁合金具有良好的生物相容性[11]；②物理性能[12]：镁合金材料与人体骨的物理性能较为接近，镁的密度为1 175 g/cm3，与人体密质骨的密度1 176 g/cm3极为接近，镁的弹性模量较其他金属材料更加接近人体骨骼的弹性模量，镁合金材料可有效地减轻应力遮挡效应；③可降解性[13]：镁暴露在空气中会形成Mg(OH)2，此氧化膜可以减缓镁的腐蚀速度，但其疏松多孔，不能起到完全隔绝作用，镁在含有氯离子的腐蚀性介质中显示出较高的电化学活性，逐步被降解吸收。镁的可降解性可以免除二次手术带来的痛苦，减轻患者的经济负担，同时可以避免植入物长期留置于体内造成的炎性反应等其他病变；④镁合金与其他可降解材料相比具有更强的加工性能及韧性[14]；⑤镁的资源相对丰富，价格相对低廉。

镁合金医用生物材料最终要应用于临床必须满足三个基本条件，即足够的生物力学性能、材料的安全性和降解速率的可控性，其中足够的生物力学性能是最重要的条件。目前仍没有研究将镁铝合金加工成螺钉等成品，通过生物力学方面研究评价镁铝合金螺钉在固定骨折端方面的稳定性。本实验对镁合金螺钉固定枢椎齿状突Ⅱ型骨折的生物力学性能进行研究，所用镁合金中空拉力螺钉材料为Z31B镁铝合金，由中国科学院金属研究所提供，由山东威高骨科材料有限公司加工制作。本研究结果显示镁合金螺钉固定枢椎齿状突骨折后在遭受相同程度的载荷的前提下骨折移位程度和螺钉拔出长度均明显小于采用钛合金螺钉固定，差异具有统计学意义(P＜0.05)，此外，镁合金螺钉固定骨折螺钉失效的最大负荷和螺钉大部拔出最大负荷均大于采用钛合金螺钉固定，差异具有统计学意义(P＜0.05)。本研究结果充分体现了镁合金材料的生物力学的优越性，结合本课题已经完成了三维有限元分析实验，说明镁合金中空螺钉用于固定枢椎齿突Ⅱ型骨折已经具有足够的生物力学性能，满足了三个基本条件中的一个。关于镁合金中空螺钉材料的安全性和降解速率的问题我们还将设镁合金体外细胞毒性研究等课题进行进一步的研究。

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Comparison of the biomechanical testing of magnesium alloy and titanium alloy screw in the axis specimens.

ZENG Xing-dong,WANG Zhi-kun,XIE Wen-wei,LI Zai-xue,YU Ying-feng.Department of Orthopedics,Shilong Hospital of Dongguan,Dongguan 523000,Guangdong,CHINA

ObjectiveTo discusses the stability of odontoidⅡtype fracture internal fixed by different materials of screw by comparing the biomechanical testing of magnesium alloy and aluminum alloy screw in the axis specimens.MethodsTen axis specimens of corpses were collected to create the biomechanical test model of odontoidⅡtype fracture,which were divided into magnesium alloy screw group and titanium alloy screw group according to random number table method,each with 5 cases,with screw internal fixation.Load-displacement measurement and pull-out tests were performed.ResultsThe fracture displacement degree of the two groups had no statistically significant difference,when loaded 100 N,200 N,300 N force(P＞0.05),The fracture displacement degree of magnesium alloy screw group was significantly less than titanium alloy screw group,when loaded 400 N and 500 N force;and the maximum load of screw failure of the magnesium alloy screw group was bigger than the titanium alloy screw group, with statistically significant difference(P＜0.05).There was no statistically significant difference in the screw pull out length of the two groups,when loaded 100 N,200 N withdrawal force(P＞0.05).The screw pull-out length of the magnesium alloy screw group was significantly shorter than titanium alloy screw group,when loaded 300 N,400 N,500 N withdrawal force,and the maximum withdrawal force of the magnesium alloy screw group was significantly bigger than the titanium alloy screw group(P＜0.05).ConclusionThe biomechanical testing results of magnesium alloy odontoid hollow screws in odontoid fracture specimens is better than that of titanium alloy screw.

Odontoid fracture;Magnesium alloy;Titanium alloy;Internal fixation materials;Biomechanics

R683

A

1003—6350（2014）20—3002—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2014.20.1180

2014-03-28）

广东省卫生和计划生育委员会“医学科研基金项目”（编号：B2013434）

曾兴栋。E-mail：zstone200e@126.com