侧前方入路椎体间融合模型的建立及过伸活动影响的实验研究
作者：杨礼庆 王海义 王欢 安春厚
单位：杨礼庆(中国医科大学第二临床学院骨科，沈阳 110003)；王海义(中国医科大学第二临床学院骨科，沈阳 110003)；王欢(中国医科大学第二临床学院骨科，沈阳 110003)；安春厚(中国医科大学第二临床学院骨科，沈阳 110003)
关键词：脊柱融合术；模型，动物；活动范围，关节；骨移植；兔
中国医科大学学报000210 摘要 目的：建立经侧前方入路椎体间融合的兔模型，并观察过伸活动对椎体间融合的影响。方法：选用56只兔分成无活动组、全程活动组及阶段活动组，经侧前方入路行椎体间融合术，移植物为自体髂骨。分别于术后2、4和8周处死动物，通过生物力学、组织学及X线观察融合情况，比较过伸活动对融合的影响。结果：无活动组中4周和8周组断裂负荷均显著高于2周组(P<0.01)；4周组与8周组断裂负荷无显著性差别(P>0.05)。全程活动组各阶段与无活动组有显著性差别(P<0.01)。全程活动8周组和阶段活动2周组无显著性差异(P>0.05)。结论：兔椎体间融合在4周时已基本完成。过伸活动阻碍椎体间融合的完成，且以术后2周阻碍作用最大。
, 百拇医药
The Affect of Excess Extension on Interbody Spinal Fusion: A Experimental Study on Rabbit
Yang Liqing, Wang Haiyi, Wang Huan, An Chunhou
(Department of Orthopedic Surgery, The Second Clinical College, China Medical University, Shenyang, 110003)
ABSTRACT Objective:To establish a rabbit model of anterolateral interbody fusion of lumbal spine and to investigate the effect of excess extension on interbody spinal fusion. Methods: Fifty-six rabbits were randomized into three groups: immobilization(Ⅰ), full-range extension(Ⅱ), stage extension(Ⅲ). All rabbits underwent anterior interbody spinal fusion with autogenous iliac crest bone graft and were killed at 2, 4 and 8 weeks after operation respectively. The process of fusion was determined through biomechanical, histologic and radiographic characteristics. Results: In group I these characteristics differed significantly in group 2 W with in group 4 W and group 8 W (P<0.01), but not differ between group 4W and group 8 W (P>0.05). They differed significantly between I and II groups in all stages (P<0.01), and not statistically differed between 8 th week of group Ⅱ and 2 nd week of group Ⅲ (P>0.05). Conclusion: The fusion of anterolateral interbody of rabbit lumbal spine complete in 4 weeks after operation. Excess extension in all stages inhabit interbody spinal fusion in rabbits and especially in 2 weeks after operation.
, 百拇医药
KEY WORDS spinal fusion; model, animal; range of motion, articular; bone transplatation; rabbit
脊柱融合术有广泛的适应证，但有很多因素影响其融合，不融合的发生率达5%～35%[1]。作者应用自体髂骨做移植物，通过经侧前方入路椎体间融合的兔模型，观察腰脊柱过伸活动对融合各阶段产生的影响，并作生物力学、组织学和X线的比较研究。
1 材料与方法
1.1 实验动物和分组
我院动物室提供6月龄骨骼发育成熟的日本大耳白兔56只，体重2.6～3.8 kg。随机分为8组，每组7只，组成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ大组。Ⅰ组为无活动组，Ⅱ组为全程活动组，分别做2、4、8周的全程活动，Ⅰ组和Ⅱ组均在相应的时间处死；Ⅲ组为阶段活动组，活动时间为2、4周，均在8周时处死。
, http://www.100md.com
1.2 手术技术
应用2.5%戊巴比妥钠静脉麻醉(50 mg/kg)，以L4、L5为中心，在骶棘肌外侧缘行长5 cm纵行切口，达L4、L5椎间盘。切除部分纤维环和髓核，刮净髓核，用骨刀做一跨越椎间隙及软骨板5 mm×3 mm×3 mm的长方体骨槽。取髂骨，保留部分皮质骨和大部分松质骨，修成略长于骨槽之长方体骨块，植入骨槽。缝合L4、L5椎旁软组织。术后立即肌注青霉素40万单位。
1.3 动物处置
术后兔均单养于体积为40 cm×15 cm×20 cm的笼中。兔在笼中只能俯卧，不能转身和行走，前腿亦不能抬起。过伸活动操作过程为：揭开笼盖，右手抓兔颈，左手按平其髂骨，使兔前脚离地，前半身抬高45°，每天上下午各连续抬起4次，每次抬起时间为2 s，放下时间为1 s。
1.4 融合的生物力学检查
, 百拇医药
动物处死并行X线检查后，立即作生物力学检查。剪除椎板、棘突和邻近肌肉、韧带等软组织，只留下椎体间融合块和上下椎体，用骨水泥固定上下椎体端，置于CSS-110生物力学实验机上拉伸，速度为0.5 cm/min，直至将标本拉断，记录断裂负荷(N)并作t检验。
1.5 组织学检查
标本沿矢状面切片，HE染色，光镜下观察。
1.6 X线检查
动物均行正侧位X线检查。按Boden等方法[2]，有骨痂通过融合块并与上下椎体相连为融合，X线融合率行χ2检验。
2 结果
2.1 术后一般情况
, 百拇医药
术后兔24 h内清醒并正常进食水。Ⅰ组的2周组中1只兔因手术损伤脊髓致双后肢瘫痪，后因尿潴留并发尿路感染死亡。Ⅰ组的4周组和II组的2周组中，各有1只兔在取材时发现融合块周围有感染。此3例未统计在内。
2.2 生物力学
Ⅰ组中，4周和8周组断裂负荷均显著高于2周组(P<0.01)，4周组与8周组间断裂负荷无显著性差别(P>0.05)。Ⅱ组中各组断裂负荷均无显著性差别。Ⅲ组中，2周组断裂负荷高于4周组，但无显著性差别。Ⅰ组中各组断裂负荷均显著高于Ⅱ组(P<0.01)。Ⅲ组和Ⅱ组的8周组相比较无显著性差别(P>0.05)，见表1。
表1 椎体间融合的生物力学、X线检查结果
Table 1 Biomechanical and radiographic results
, http://www.100md.com
of interbody fusion 组别
亚组
n
断裂负荷
(N,
±s)
X线融合数
(例,%)
Ⅰ
2 W
6
183.0±10.0
, http://www.100md.com 0
4 W
6
298.6±15.4
3(50)
8 W
7
292.6±14.9
6(85.71)
Ⅱ
2 W
6
145.3±10.7
, http://www.100md.com
0
4 W
7
160.4±12.8
0
8 W
7
172.0±8.7
0
Ⅲ
2 W/8 W
7
190.1±9.25
, http://www.100md.com
2(28.57)
4 W/8 W
7
173.3±10.6
0
2.3 组织学
2.3.1 Ⅰ组中，2周组镜下可见多量软骨成分。移植骨的骨小梁被破坏吸收，部分已形成透明软骨。4周组可见软骨内成骨活跃，形成新生的骨小梁。8周组几乎全部为新生骨小梁填充在椎体间，小梁间可见造血细胞。
2.3.2 Ⅱ组中，2周组可见残余骨小梁间有大量纤维组织，软骨成分少。4周组残余骨小梁几乎全部被吸收，有大量纤维软骨和少量纤维组织，见不到新生骨小梁。8周组仍以纤维软骨为主，见不到新生骨小梁。
, 百拇医药
2.3.3 Ⅲ组中，2周组见融合部位有大量纤维软骨，局部可见少量新生骨小梁。4周组中见不到新生骨小梁，植骨块已被吸收，由大量纤维软骨取代。
2.4 X线片
各组X线融合率见表1。
3 讨论
3.1 动物模型的目的及选择
最早的脊柱融合动物模型是Albee在1913年建立的狗的后路棘突融合模型[3]。目前已应用的动物有狗、兔、豚鼠和大鼠，融合类型有前后路椎体融合、棘突融合、椎板融合、关节突融合及侧后方横突融合等[4]。兔是与人有相似的腰脊柱解剖和有足够自体移植用髂骨的最小动物。建立该模型以便了解生物学因素和生物力学因素对融合的影响。
, 百拇医药 3.2 融合的生物力学、组织学和X线比较
生物力学和组织学结果一致，无活动组4周组和8周组断裂负荷显著高于2周组，4周与8周组间无显著性差别；在光镜下，2周时为透明软骨取代融合块，4周和8周时新生骨小梁已占半数以上，表现出断裂负荷明显增高，椎体间融合在4周时已基本完成。X线结果显示，4周组有3例无X线融合，8周组有1例无X线融合。X线判断与生物力学和组织学判断结果不符合率为30.78%(4/13)，X线表现晚于融合的实际过程。
3.3 过伸活动对椎体间融合的影响
在研究脊柱融合段的生物力学环境对融合的影响上，很多学者将注意力放在抑制融合段的活动上。McAfee等应用固定器械减少融合段的活动，表现出较高的融合率[5]。我们从增加融合部位局部活动的角度出发，观察过伸活动所产生的影响。结果过伸活动在各阶段均阻碍骨性融合的完成，且以术后2周内影响最大。其机制是干扰融合的成骨过程。从组织学上看，无活动组的融合过程是一个软骨成骨过程，通过软骨化骨而形成新生骨小梁。过伸活动使融合块不能形成透明软骨，而是形成了纤维软骨及纤维组织，不能形成骨性融合。
, 百拇医药
3.4 临床意义
临床上，椎体间融合术后患者的制动是必要的，早期严格的制动是能否达到骨性融合的关键，不宜早期进行背伸活动来练习腰背肌功能。在应用X线来判断融合时，应考虑融合的X线表现晚于融合的实际过程这个因素，以减少卧床时间，防治并发症，进行合理的腰背肌和肢体的功能锻炼。
参考文献
1，Steinmann JC, Herkowitz HN. Pseudarthrosis of the spine. Clin Orthop, 1992, 284: 80-90
2，Boden SD, Schimandle JH, Hutton WC. An experimental lumbar intertransverse process spinal fusion model. Radiographic, histologic, and biomechanical healing characteristics. Spine, 1995, 20(4): 412-420
, 百拇医药
3，Albee FH. An experimental study of bone growth and the spinal bone transplant. JAMA, 1913, 60: 1044-1049
4，Schimandle JH, Boden SD. Spine update: The use of animal models to study spinal fusion. Spine, 1994, 19(17): 1998-2006
5，McAfee PC, Farey ID, Sutterlin CE, et al. The effect of spinal implant rigidity on vertebral bone density: A canine model. Spine, 1991, 16(Suppl): 190-197
(1999-03-02收稿), 百拇医药
单位：杨礼庆(中国医科大学第二临床学院骨科，沈阳 110003)；王海义(中国医科大学第二临床学院骨科，沈阳 110003)；王欢(中国医科大学第二临床学院骨科，沈阳 110003)；安春厚(中国医科大学第二临床学院骨科，沈阳 110003)
关键词：脊柱融合术；模型，动物；活动范围，关节；骨移植；兔
中国医科大学学报000210 摘要 目的：建立经侧前方入路椎体间融合的兔模型，并观察过伸活动对椎体间融合的影响。方法：选用56只兔分成无活动组、全程活动组及阶段活动组，经侧前方入路行椎体间融合术，移植物为自体髂骨。分别于术后2、4和8周处死动物，通过生物力学、组织学及X线观察融合情况，比较过伸活动对融合的影响。结果：无活动组中4周和8周组断裂负荷均显著高于2周组(P<0.01)；4周组与8周组断裂负荷无显著性差别(P>0.05)。全程活动组各阶段与无活动组有显著性差别(P<0.01)。全程活动8周组和阶段活动2周组无显著性差异(P>0.05)。结论：兔椎体间融合在4周时已基本完成。过伸活动阻碍椎体间融合的完成，且以术后2周阻碍作用最大。
, 百拇医药
The Affect of Excess Extension on Interbody Spinal Fusion: A Experimental Study on Rabbit
Yang Liqing, Wang Haiyi, Wang Huan, An Chunhou
(Department of Orthopedic Surgery, The Second Clinical College, China Medical University, Shenyang, 110003)
ABSTRACT Objective:To establish a rabbit model of anterolateral interbody fusion of lumbal spine and to investigate the effect of excess extension on interbody spinal fusion. Methods: Fifty-six rabbits were randomized into three groups: immobilization(Ⅰ), full-range extension(Ⅱ), stage extension(Ⅲ). All rabbits underwent anterior interbody spinal fusion with autogenous iliac crest bone graft and were killed at 2, 4 and 8 weeks after operation respectively. The process of fusion was determined through biomechanical, histologic and radiographic characteristics. Results: In group I these characteristics differed significantly in group 2 W with in group 4 W and group 8 W (P<0.01), but not differ between group 4W and group 8 W (P>0.05). They differed significantly between I and II groups in all stages (P<0.01), and not statistically differed between 8 th week of group Ⅱ and 2 nd week of group Ⅲ (P>0.05). Conclusion: The fusion of anterolateral interbody of rabbit lumbal spine complete in 4 weeks after operation. Excess extension in all stages inhabit interbody spinal fusion in rabbits and especially in 2 weeks after operation.
, 百拇医药
KEY WORDS spinal fusion; model, animal; range of motion, articular; bone transplatation; rabbit
脊柱融合术有广泛的适应证，但有很多因素影响其融合，不融合的发生率达5%～35%[1]。作者应用自体髂骨做移植物，通过经侧前方入路椎体间融合的兔模型，观察腰脊柱过伸活动对融合各阶段产生的影响，并作生物力学、组织学和X线的比较研究。
1 材料与方法
1.1 实验动物和分组
我院动物室提供6月龄骨骼发育成熟的日本大耳白兔56只，体重2.6～3.8 kg。随机分为8组，每组7只，组成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ大组。Ⅰ组为无活动组，Ⅱ组为全程活动组，分别做2、4、8周的全程活动，Ⅰ组和Ⅱ组均在相应的时间处死；Ⅲ组为阶段活动组，活动时间为2、4周，均在8周时处死。
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1.2 手术技术
应用2.5%戊巴比妥钠静脉麻醉(50 mg/kg)，以L4、L5为中心，在骶棘肌外侧缘行长5 cm纵行切口，达L4、L5椎间盘。切除部分纤维环和髓核，刮净髓核，用骨刀做一跨越椎间隙及软骨板5 mm×3 mm×3 mm的长方体骨槽。取髂骨，保留部分皮质骨和大部分松质骨，修成略长于骨槽之长方体骨块，植入骨槽。缝合L4、L5椎旁软组织。术后立即肌注青霉素40万单位。
1.3 动物处置
术后兔均单养于体积为40 cm×15 cm×20 cm的笼中。兔在笼中只能俯卧，不能转身和行走，前腿亦不能抬起。过伸活动操作过程为：揭开笼盖，右手抓兔颈，左手按平其髂骨，使兔前脚离地，前半身抬高45°，每天上下午各连续抬起4次，每次抬起时间为2 s，放下时间为1 s。
1.4 融合的生物力学检查
, 百拇医药
动物处死并行X线检查后，立即作生物力学检查。剪除椎板、棘突和邻近肌肉、韧带等软组织，只留下椎体间融合块和上下椎体，用骨水泥固定上下椎体端，置于CSS-110生物力学实验机上拉伸，速度为0.5 cm/min，直至将标本拉断，记录断裂负荷(N)并作t检验。
1.5 组织学检查
标本沿矢状面切片，HE染色，光镜下观察。
1.6 X线检查
动物均行正侧位X线检查。按Boden等方法[2]，有骨痂通过融合块并与上下椎体相连为融合，X线融合率行χ2检验。
2 结果
2.1 术后一般情况
, 百拇医药
术后兔24 h内清醒并正常进食水。Ⅰ组的2周组中1只兔因手术损伤脊髓致双后肢瘫痪，后因尿潴留并发尿路感染死亡。Ⅰ组的4周组和II组的2周组中，各有1只兔在取材时发现融合块周围有感染。此3例未统计在内。
2.2 生物力学
Ⅰ组中，4周和8周组断裂负荷均显著高于2周组(P<0.01)，4周组与8周组间断裂负荷无显著性差别(P>0.05)。Ⅱ组中各组断裂负荷均无显著性差别。Ⅲ组中，2周组断裂负荷高于4周组，但无显著性差别。Ⅰ组中各组断裂负荷均显著高于Ⅱ组(P<0.01)。Ⅲ组和Ⅱ组的8周组相比较无显著性差别(P>0.05)，见表1。
表1 椎体间融合的生物力学、X线检查结果
Table 1 Biomechanical and radiographic results
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of interbody fusion 组别
亚组
n
断裂负荷
(N,
±s)X线融合数
(例,%)
Ⅰ
2 W
6
183.0±10.0
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4 W
6
298.6±15.4
3(50)
8 W
7
292.6±14.9
6(85.71)
Ⅱ
2 W
6
145.3±10.7
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0
4 W
7
160.4±12.8
0
8 W
7
172.0±8.7
0
Ⅲ
2 W/8 W
7
190.1±9.25
, http://www.100md.com
2(28.57)
4 W/8 W
7
173.3±10.6
0
2.3 组织学
2.3.1 Ⅰ组中，2周组镜下可见多量软骨成分。移植骨的骨小梁被破坏吸收，部分已形成透明软骨。4周组可见软骨内成骨活跃，形成新生的骨小梁。8周组几乎全部为新生骨小梁填充在椎体间，小梁间可见造血细胞。
2.3.2 Ⅱ组中，2周组可见残余骨小梁间有大量纤维组织，软骨成分少。4周组残余骨小梁几乎全部被吸收，有大量纤维软骨和少量纤维组织，见不到新生骨小梁。8周组仍以纤维软骨为主，见不到新生骨小梁。
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2.3.3 Ⅲ组中，2周组见融合部位有大量纤维软骨，局部可见少量新生骨小梁。4周组中见不到新生骨小梁，植骨块已被吸收，由大量纤维软骨取代。
2.4 X线片
各组X线融合率见表1。
3 讨论
3.1 动物模型的目的及选择
最早的脊柱融合动物模型是Albee在1913年建立的狗的后路棘突融合模型[3]。目前已应用的动物有狗、兔、豚鼠和大鼠，融合类型有前后路椎体融合、棘突融合、椎板融合、关节突融合及侧后方横突融合等[4]。兔是与人有相似的腰脊柱解剖和有足够自体移植用髂骨的最小动物。建立该模型以便了解生物学因素和生物力学因素对融合的影响。
, 百拇医药 3.2 融合的生物力学、组织学和X线比较
生物力学和组织学结果一致，无活动组4周组和8周组断裂负荷显著高于2周组，4周与8周组间无显著性差别；在光镜下，2周时为透明软骨取代融合块，4周和8周时新生骨小梁已占半数以上，表现出断裂负荷明显增高，椎体间融合在4周时已基本完成。X线结果显示，4周组有3例无X线融合，8周组有1例无X线融合。X线判断与生物力学和组织学判断结果不符合率为30.78%(4/13)，X线表现晚于融合的实际过程。
3.3 过伸活动对椎体间融合的影响
在研究脊柱融合段的生物力学环境对融合的影响上，很多学者将注意力放在抑制融合段的活动上。McAfee等应用固定器械减少融合段的活动，表现出较高的融合率[5]。我们从增加融合部位局部活动的角度出发，观察过伸活动所产生的影响。结果过伸活动在各阶段均阻碍骨性融合的完成，且以术后2周内影响最大。其机制是干扰融合的成骨过程。从组织学上看，无活动组的融合过程是一个软骨成骨过程，通过软骨化骨而形成新生骨小梁。过伸活动使融合块不能形成透明软骨，而是形成了纤维软骨及纤维组织，不能形成骨性融合。
, 百拇医药
3.4 临床意义
临床上，椎体间融合术后患者的制动是必要的，早期严格的制动是能否达到骨性融合的关键，不宜早期进行背伸活动来练习腰背肌功能。在应用X线来判断融合时，应考虑融合的X线表现晚于融合的实际过程这个因素，以减少卧床时间，防治并发症，进行合理的腰背肌和肢体的功能锻炼。
参考文献
1，Steinmann JC, Herkowitz HN. Pseudarthrosis of the spine. Clin Orthop, 1992, 284: 80-90
2，Boden SD, Schimandle JH, Hutton WC. An experimental lumbar intertransverse process spinal fusion model. Radiographic, histologic, and biomechanical healing characteristics. Spine, 1995, 20(4): 412-420
, 百拇医药
3，Albee FH. An experimental study of bone growth and the spinal bone transplant. JAMA, 1913, 60: 1044-1049
4，Schimandle JH, Boden SD. Spine update: The use of animal models to study spinal fusion. Spine, 1994, 19(17): 1998-2006
5，McAfee PC, Farey ID, Sutterlin CE, et al. The effect of spinal implant rigidity on vertebral bone density: A canine model. Spine, 1991, 16(Suppl): 190-197
(1999-03-02收稿), 百拇医药