L5S1前路解剖型鋼板的研制及生物力學特性探究：從理論到實踐一、引言1.1研究背景與目的在脊柱外科領域，L5S1節段相關疾病，如腰椎間盤突出癥、椎體滑脫、脊柱失穩等，嚴重影響患者的生活質量。腰椎間盤突出癥中，L5S1腰椎間盤突出較為常見，患者常出現腰痛，可為鈍痛、刺痛或放射性疼痛，疼痛還可沿臀部、大腿后側、小腿外側至足跟或足背部放射，并伴有下肢麻木、無力，嚴重時可能導致肌肉萎縮，若突出物較大或病程較長，還可能出現大小便功能障礙。而椎體滑脫時，椎體的位移會導致脊柱的穩定性下降，刺激周圍神經組織，引發疼痛和神經功能障礙。目前，針對L5S1節段疾病的治療方法多樣，其中手術治療旨在解除神經壓迫、恢復脊柱穩定性和促進椎間融合。腰椎前路椎間融合術（ALIF）自被報道以來，逐漸成為一種重要的治療手段。它能保存腰椎后柱結構完整性，縮短手術時間，減少失血量，避免椎管內瘢痕形成，同時切除間盤組織徹底，椎間融合面積大，利于恢復椎間高度及腰椎生理曲度。然而，隨著臨床實踐的深入，ALIF的一些缺陷也逐漸暴露，單純ALIF術后常出現椎間高度的丟失，椎間融合器的下沉、移位等問題，進而影響融合率。相關研究表明，單純腰椎椎間融合提供的節段穩定性較差，融合率低，對于腰椎失穩較為嚴重的患者，效果往往不盡人意。為了提升L5S1節段手術治療的效果，研制一種符合該區域解剖結構特點的解剖型鋼板至關重要。通過精準匹配L5S1節段的解剖形態，解剖型鋼板能夠更好地貼合椎體，提供更穩定的固定。同時，對其進行生物力學測定，可以深入了解鋼板在不同受力情況下的性能表現，為臨床應用提供堅實的理論依據和數據支持，確保鋼板在實際使用中能夠有效維持脊柱的穩定性，促進患者的康復，降低術后并發癥的發生率。1.2L5S1前路手術概述L5S1前路手術，即從腰椎前方對L5（第五腰椎）和S1（第一骶椎）節段進行操作的手術方式。該手術入路直接暴露病變節段的前方，能夠有效避開后方復雜的神經、肌肉等結構，減少對神經組織的干擾和損傷風險。其應用范圍廣泛，主要用于治療多種L5S1節段相關疾病。在腰椎間盤突出癥中，當突出的椎間盤組織對前方神經結構產生嚴重壓迫時，前路手術可以直接解除壓迫，恢復神經功能。對于椎體滑脫，前路手術能夠通過復位和固定，糾正椎體的移位，重建脊柱的穩定性。而在脊柱失穩的情況下，前路手術可進行椎間融合等操作，增強脊柱節段的穩定性，預防進一步的損傷和病變發展。在L5S1前路手術中，解剖型鋼板發揮著關鍵作用。由于L5S1節段的解剖結構復雜，具有獨特的生理曲度和受力特點，普通的鋼板難以精準適配。解剖型鋼板則依據該節段的解剖學特征進行設計，能夠緊密貼合椎體表面，提供更穩定的支撐和固定。在固定過程中，解剖型鋼板通過螺釘與椎體牢固連接，分散應力，有效抵抗脊柱在日常活動中產生的各種載荷，如彎曲、扭轉和壓縮等，從而降低內固定失敗的風險，提高手術的成功率。其特殊的形狀和結構設計，還能更好地配合椎間融合器等其他植入物，促進椎間融合，為患者的康復創造有利條件。1.3研究現狀在L5S1前路解剖型鋼板的研制方面，已有諸多學者開展了相關研究。有研究通過解剖41例成人尸體標本，對脊柱L4-S1段腹側局部血管解剖進行深入研究，測量了腹主動脈分叉點及髂總靜脈匯合點到L5椎體下緣的距離、分叉點及匯合點的夾角等參數。結果表明，右髂總動脈與左髂總靜脈交匯點的夾角平均為71.5°，在L5椎體的1/2高處及L5-S1椎間盤間隙的水平寬度分別為(2.1±0.9)cm、(3.3±0.9)cm，為L5-S1前路內固定系統的設計提供了重要的解剖學依據，讓研究者認識到右髂總動脈與左髂總靜脈的走行路徑對L5-S1腹側手術操作空間的決定性影響，95.1％的人群可以直接或通過適當松解、牽拉血管后完成L5-S1椎體間融合內固定術。還有學者選用317L鋼材，依據L5/S1段解剖學以及影像學測定結果，結合其生物力學特點，設計加工成L5/S1前路解剖型鋼板(a，b兩型)。其中a型大體形態為兩個底邊重疊的梯形，呈“θ”形，鋼板L5部分為半徑7.5cm、圓心角為30°的圓弧形，以貼合L5椎體的前表面，S1部分為平面以貼合S1椎體前表面，鋼板矢狀面呈137°彎曲與腰骶角解剖形態相吻合；b型鋼板是a型的簡化版，主要在鋼板中部做了簡化處理，呈“工”形結構。這些設計在一定程度上考慮了L5S1節段的解剖特點，但仍存在改進空間。例如，對于不同個體之間解剖結構的差異，現有的設計可能無法完全適配，導致固定效果受到影響。而且，部分設計在螺釘孔的布局和角度設計上，雖然參考了解剖測量數據，但在實際應用中，可能因個體骨骼結構的細微差異，使得螺釘的植入位置和角度并非最佳，從而影響鋼板與椎體之間的固定穩定性。在生物力學測定研究中，對L5S1前路解剖型鋼板的抗扭轉、抗彎曲等性能測試也有不少成果。有研究對采用解剖鋼板(a,b)內固定的標本進行生物力學測試，得出其抗扭轉力矩屈服強度為960Nm和420Nm，抗彎曲能力的屈服強度為1930N和1470N，各螺釘最大旋入力矩平均數為3.31±0.85Nm，最大軸向拔出力平均為1366.85±284N。通過對改進型腰骶椎前路安全鋼板進行生物力學測試，發現該鋼板固定后的屈曲位移及壓縮剛度比相同條件下PACH固定后差異具有統計學意義。這些研究為評估鋼板的力學性能提供了數據支持，但目前的生物力學研究多集中在體外實驗，體內實驗相對較少。體外實驗雖然能夠模擬一些生理狀態下的力學環境，但與人體實際的生理環境仍存在差異，例如體內存在復雜的生物電、生物化學環境，以及肌肉、韌帶等組織的協同作用，這些因素在體外實驗中難以完全模擬，可能導致對鋼板在體內實際力學性能的評估存在偏差。而且，現有研究對于鋼板在長期使用過程中的力學性能變化關注不足，隨著時間的推移，鋼板可能會受到疲勞、磨損等因素的影響，其力學性能可能發生改變，而這方面的研究還比較缺乏。二、L5S1前路解剖型鋼板研制2.1相關解剖學研究2.1.1腰骶部解剖結構L5S1節段位于脊柱的腰骶部，是第五腰椎（L5）和第一骶椎（S1）的連接處，是人體脊柱的重要過渡區域，具有承重、運動、保護神經、連接與穩定的功能。L5和S1椎體的前方為椎體和椎間盤，椎體由松質骨組成，呈短圓柱狀，中間有椎孔，主要承擔身體的重量。椎間盤是連接兩個椎體的纖維軟骨盤，由周圍的纖維環和中央的髓核組成，起到緩沖和減震的作用，允許椎骨間的相互運動，同時吸收加載到脊柱上的載荷和能量。在矢狀面上，L5和S1椎體的后部由椎弓、棘突、橫突和上關節突組成。椎弓根短而粗，上緣與椎體相連，下緣與椎板相連。棘突呈矢狀位，向后下方突出。橫突短而寬，與椎弓根和椎板相連。上關節突位于椎弓根的上方，與相鄰的椎體形成關節突關節。L5S1椎體周圍的血管分布較為復雜，腹主動脈在L4-L5平面分叉為左右髂總動脈，分叉點位置存在一定變異，這一變異在手術操作中至關重要，若在手術中對分叉點位置判斷失誤，可能導致血管損傷，引發大出血等嚴重后果。髂總靜脈匯合點相對恒定，下腔靜脈由左右髂總靜脈在L5-S1平面匯合而成。L5S1椎間盤前厚后薄，前面隔后腹膜與腹腔臟器相鄰，兩側為髂腰肌、L5神經根、髂總靜脈。L5神經根自L5～S1椎間孔穿出后走行于第5腰椎橫突、髂腰韌帶與骶骨翼之間形成的拱形隧道內，腰5根動脈大都是髂腰動脈的分支，少數直接由髂總或髂外動脈發出，進入椎間孔，根靜脈匯入髂腰靜脈或髂總靜脈。在此拱形隧道內，神經根居于內側，血管在外側。了解這些血管和神經的解剖結構，對于手術中避免損傷血管和神經具有重要意義，例如在進行鋼板固定時，需要精確避開這些重要結構，防止對其造成壓迫或損傷，影響患者的神經功能和血液循環。2.1.2解剖參數測量為了為L5S1前路解剖型鋼板的設計提供精準的數據支持，對一系列解剖參數進行了細致測量。研究人員解剖了一定數量的成人尸體標本，同時結合臨床患者的影像學資料進行分析。測量結果顯示，腹主動脈分叉點到L5椎體下緣距離，男性平均約為39.1mm，女性平均約為37.4mm；髂總靜脈匯合點到L5椎體下緣的距離，男性平均約為27.1mm，女性平均約為25.9mm。L5/S1椎間隙手術窗大小，男性平均約為36.7mm，女性平均約為34.6mm。腹主動脈分叉角男性平均約為56.3°，女性平均約為58.9°；髂總靜脈匯合角男性平均約為63.1°，女性平均約為65.7°；右髂總動脈與左髂總靜脈夾角男性平均約為53.6°，女性平均約為57.3°。這些解剖參數對于L5S1前路解剖型鋼板的設計具有多方面的指導作用。在鋼板形狀設計方面，由于L5椎體前表面具有一定的弧度，S1椎體前表面相對較平，根據測量得到的L5椎體的相關參數，如椎體的弧度、前后徑和橫徑等，可設計出與L5椎體前表面貼合的鋼板形狀，使鋼板能夠更好地覆蓋椎體表面，提供均勻的支撐。在鋼板長度和寬度設計上，依據L5/S1椎間隙手術窗大小以及周圍血管、神經的分布范圍，合理確定鋼板的長度和寬度，確保鋼板在固定時既能夠提供足夠的穩定性，又不會對周圍重要結構造成壓迫或干擾。在螺釘孔位置和角度設計時，參考血管分叉點、匯合點的位置以及神經的走行路徑，精確規劃螺釘孔的位置和角度，使螺釘在植入后能夠準確地固定在椎體上，同時避免損傷血管和神經。例如，若螺釘孔位置設計不當，可能導致螺釘在植入過程中刺破血管，引發嚴重的出血并發癥；若螺釘角度不合適，可能無法有效固定鋼板，影響固定效果，甚至導致鋼板松動、移位。2.2鋼板設計理念2.2.1貼合解剖形態L5S1前路解剖型鋼板的形狀設計緊密貼合L5S1節段的解剖形態，以實現最佳的固定效果。其中，a型鋼板呈獨特的“θ”形，這種形狀能夠精準地貼合椎體前表面。鋼板的L5部分設計為半徑7.5cm、圓心角為30°的圓弧形，這是根據L5椎體前表面的弧度特點進行設計的，通過精確的測量和模擬，使該部分能夠與L5椎體的前表面完美契合。而S1部分則設計為平面，與S1椎體前表面的形態相匹配。在矢狀面上，鋼板呈137°彎曲，這一角度與腰骶角的解剖形態高度吻合，能夠更好地適應脊柱的生理曲度。這種貼合解剖形態的設計具有多方面的優勢。在生物力學性能方面，緊密貼合的鋼板能夠更均勻地分散應力。當脊柱受到各種載荷時，如在站立、行走、彎腰等日常活動中產生的彎曲、扭轉和壓縮等力，貼合解剖形態的鋼板可以將這些應力均勻地分布在椎體表面，避免應力集中。應力集中可能導致椎體局部承受過大的壓力，進而引發骨質吸收、螺釘松動等問題，影響內固定的穩定性和融合效果。而均勻的應力分布有助于維持椎體的正常形態和結構，促進骨折愈合或椎間融合。從手術操作角度來看，貼合解剖形態的鋼板便于術中操作。在手術過程中，醫生可以更輕松地將鋼板放置在合適的位置，減少調整和塑形的時間，提高手術效率。而且，由于鋼板與椎體的貼合度高，在固定過程中能夠更準確地確定螺釘的植入位置和角度，降低手術難度，減少因操作不當導致的并發癥，如螺釘誤植、損傷周圍血管和神經等。從臨床應用效果來看，貼合解剖形態的鋼板可以提高內固定的穩定性，降低術后并發癥的發生率。穩定的內固定有助于維持脊柱的正常解剖結構和生理功能，促進患者的康復。患者在術后能夠更快地恢復活動能力，減少疼痛和不適，提高生活質量。例如，對于腰椎滑脫的患者，貼合解剖形態的鋼板能夠更好地復位和固定椎體，防止椎體再次移位，為神經功能的恢復創造良好的條件。2.2.2螺釘孔設計L5S1前路解剖型鋼板的螺釘孔設計經過精心規劃，包括螺釘孔的數量、位置和角度等方面，都有著科學的依據。在螺釘孔數量方面，根據鋼板的尺寸、受力情況以及固定的穩定性需求進行確定。對于L5S1節段，一般設計多個螺釘孔，以確保鋼板與椎體之間能夠形成牢固的連接。在螺釘孔位置設計上，充分考慮L5S1椎體的解剖結構和生物力學特點。通過對大量解剖標本的研究以及影像學資料的分析，明確了螺釘在椎體中的最佳植入位置。例如，在L5椎體上，螺釘孔的位置會避開椎體前方的血管和神經等重要結構，同時選擇在椎體骨質較為致密的區域，以保證螺釘能夠獲得足夠的把持力。在S1椎體上，螺釘孔的位置則根據S1椎體的形狀和受力分布進行設計，確保螺釘能夠有效地固定鋼板，抵抗各種外力。螺釘孔的角度設計依據TSA（矢狀面軸向角度）和SSA（橫斷面軸向角度）進行確定。通過精確測量這些角度，使螺孔軸線與椎體的骨質結構和受力方向相適應。以TSA為例，若TSA角度過大或過小，都會影響螺釘的固定效果。當TSA角度過大時，螺釘在矢狀面上的傾斜程度增加，可能導致螺釘在承受垂直載荷時容易發生松動或拔出；而當TSA角度過小時，螺釘的固定方向可能無法有效抵抗脊柱在矢狀面上的彎曲和扭轉力，降低固定的穩定性。同樣，SSA角度也需要精確控制，以確保螺釘在橫斷面方向上能夠提供足夠的抗旋轉和抗剪切能力。合理的螺釘孔角度設計可以使螺釘在椎體中形成穩定的錨固結構，增強鋼板與椎體之間的連接強度，提高整個內固定系統的穩定性。在承受較大的扭轉力時，合適角度的螺釘能夠更好地抵抗這種外力，防止鋼板發生旋轉或移位，從而有效地維持脊柱的穩定性。2.3材料選擇2.3.1材料特性要求用于制造L5S1前路解剖型鋼板的材料需具備多種關鍵特性，以滿足臨床應用的嚴格要求。強度是至關重要的特性之一，鋼板需要承受脊柱在日常活動中產生的各種力學載荷，包括彎曲、扭轉和壓縮等力。在人體站立、行走、彎腰、扭轉身體等活動時，脊柱會產生復雜的受力情況，L5S1節段作為腰椎和骶椎的連接部位，承受的壓力和剪力較大。因此，鋼板必須具有足夠的強度，以確保在這些受力情況下不會發生變形、斷裂等失效情況，從而維持脊柱的穩定性。生物相容性也是不可或缺的特性。由于鋼板需要長期植入人體，與人體組織直接接觸，良好的生物相容性可以避免人體對鋼板產生免疫排斥反應，減少炎癥、感染等并發癥的發生。若生物相容性不佳，人體免疫系統會將鋼板識別為異物，引發免疫反應，導致局部組織紅腫、疼痛，甚至可能影響鋼板的固定效果和周圍組織的正常功能。耐腐蝕性同樣重要。人體內部環境含有多種電解質和體液，具有一定的腐蝕性。鋼板在這樣的環境中需要保持穩定，不被腐蝕，以防止金屬離子釋放到周圍組織中，避免對組織造成損害，同時確保鋼板的力學性能在長期使用過程中不受影響。若鋼板發生腐蝕，不僅會降低其強度和穩定性，還可能導致金屬離子在體內積聚，引發中毒等不良反應。此外，材料還應具備良好的加工性能，便于制造出符合設計要求的解剖型鋼板。在加工過程中，能夠通過切割、彎曲、鉆孔等工藝，精確地制造出貼合L5S1節段解剖形態的鋼板形狀和螺釘孔等結構，確保鋼板的質量和精度。2.3.2317L鋼材的選用綜合考慮材料特性要求，317L鋼材成為制造L5S1前路解剖型鋼板的理想選擇。317L鋼材是一種低碳鉻鎳鉬奧氏體不銹鋼，具有卓越的性能特點，能夠很好地滿足鋼板制造的需求。在強度方面，317L鋼材的抗拉強度≥515MPa，屈服強度≥205MPa，這種較高的強度使其能夠承受脊柱在各種活動中產生的較大載荷。當人體進行劇烈運動，如跑步、跳躍時，L5S1節段會承受更大的沖擊力和壓力，317L鋼材制成的鋼板憑借其高強度，能夠有效地分散和抵抗這些力，保持脊柱的穩定，降低內固定失敗的風險。317L鋼材具有出色的生物相容性。其成分中不含有對人體有害的物質，在植入人體后，能夠與周圍組織和諧共處，減少免疫排斥反應的發生。相關研究表明，317L鋼材在體內長期存在時，不會引起明顯的炎癥反應和組織損傷，能夠為患者提供安全可靠的內固定保障。耐腐蝕性是317L鋼材的一大優勢。其含有較高的鉻、鎳和鉬元素，這些元素能夠在鋼材表面形成一層致密的氧化保護膜，有效地阻止腐蝕介質的侵蝕。在人體復雜的生理環境中，317L鋼材能夠抵抗體液、電解質等的腐蝕，保持鋼板的完整性和力學性能的穩定性，延長鋼板的使用壽命。317L鋼材還具有良好的加工性能。它可以通過常規的加工方法，如焊接、切割、彎曲和成型等，制造出符合設計要求的解剖型鋼板。在制造過程中，能夠精確地加工出貼合L5S1節段解剖形態的形狀和螺釘孔等結構，保證鋼板的質量和精度，滿足臨床應用的需求。2.4鋼板制作過程L5S1前路解剖型鋼板的制作過程嚴謹且精細，涉及多個關鍵環節，每個環節都對鋼板的質量和性能有著重要影響。首先，依據設計圖紙，使用數控激光切割機對317L鋼材進行切割。數控激光切割機能夠精確控制切割路徑和參數，確保切割的精度和準確性。在切割過程中，根據鋼板的形狀和尺寸要求，將317L鋼材切割成大致的輪廓，為后續的加工步驟奠定基礎。例如，對于a型鋼板的“θ”形輪廓，數控激光切割機能夠按照預先設定的程序，準確地切割出L5部分的圓弧形和S1部分的平面形狀，以及整體的矢狀面彎曲形狀，使切割后的鋼材初步具備鋼板的基本形態。切割完成后，進行塑形處理。利用模具和壓力機對切割后的鋼材進行塑形，使其更加貼合L5S1節段的解剖形態。在塑形過程中，嚴格控制壓力和溫度等參數，確保鋼材在塑形過程中不會發生過度變形或損壞，同時保證塑形后的形狀精度。對于L5部分的圓弧形，通過特定的模具和壓力，使其弧度與設計要求的半徑7.5cm、圓心角30°精確匹配；對于矢狀面的137°彎曲，采用專門的彎曲模具和工藝，確保彎曲角度的準確性。塑形完成后，進行鉆孔操作。采用數控鉆床進行螺釘孔的加工，數控鉆床能夠精確控制鉆孔的位置、深度和角度，確保螺釘孔的精度符合設計要求。在鉆孔過程中，依據設計確定的螺釘孔位置和角度，通過數控程序控制鉆床的運動，準確地鉆出各個螺釘孔。例如，對于L5椎體上的螺釘孔，按照避開前方血管和神經的位置要求，精確地在相應位置鉆孔；對于S1椎體上的螺釘孔，根據其形狀和受力分布，準確控制鉆孔的角度和深度，以保證螺釘能夠有效地固定鋼板。在完成切割、塑形和鉆孔等主要加工環節后，對鋼板進行表面處理。通過打磨、拋光等工藝，去除鋼板表面的毛刺、劃痕等缺陷，使鋼板表面光滑平整，不僅可以提高鋼板的美觀度，還能減少細菌附著的可能性，降低感染風險。對鋼板進行鈍化處理，進一步增強其耐腐蝕性，使鋼板在人體復雜的生理環境中能夠長期保持穩定的性能。在整個制作過程中，嚴格進行質量檢測。運用三維測量儀對鋼板的形狀和尺寸進行精確測量，確保其符合設計要求；采用硬度測試設備對鋼板的硬度進行檢測，保證其強度滿足臨床使用需求；通過探傷檢測設備對鋼板內部進行探傷檢測，排查是否存在裂紋等缺陷，確保鋼板的質量安全可靠。三、生物力學測定方法3.1實驗材料準備本研究選用8具新鮮成人骨盆濕標本，這些標本來源于正規的醫學解剖教學標本庫，均有詳細的來源記錄和身份信息，且經過嚴格的醫學倫理審查。標本采集后，立即用生理鹽水浸泡保存，以保持其組織的活性和水分含量，防止標本干燥、變形和腐敗。在實驗前，對標本進行仔細的檢查，確保L5S1節段無骨折、病變等異常情況，排除可能影響實驗結果的因素。對標本進行前期處理，去除標本表面的軟組織，包括肌肉、筋膜、脂肪等，以暴露L5S1椎體及周圍結構。在去除軟組織過程中，使用精細的手術器械，如手術刀、剪刀、鑷子等，小心操作，避免損傷椎體和椎間盤等重要結構。采用超聲清洗技術，進一步清除標本表面殘留的軟組織和血跡，確保標本表面清潔。將清洗后的標本用無菌紗布擦干，并用保鮮膜包裹，置于4℃的冰箱中保存備用，以維持標本的生理狀態，減少因時間和環境因素導致的標本性質改變，確保在進行生物力學測試時，標本的力學性能能夠真實反映人體的實際情況。除了標本外，還準備了L5S1前路解剖型鋼板（a型和b型），這些鋼板均按照前面所述的設計理念和制作工藝進行生產，確保其質量和性能的一致性。準備配套的螺釘，螺釘的規格和參數與鋼板的螺孔相匹配，長度根據自椎體前表面進釘點至椎弓根后緣測得的數據（即骨-螺釘通道）設計，L5螺釘長度為45mm，S1螺釘長度為40mm，螺距為0.5mm，直徑5.5mm。準備電子萬能實驗機、扭矩扳手、位移傳感器、應變片等生物力學測試所需的儀器設備，并對這些設備進行校準和調試，確保其測量精度和可靠性，為準確測量鋼板的生物力學性能提供保障。3.2實驗設備與儀器本實驗采用了多種先進的設備與儀器，以確保生物力學測定的準確性和可靠性。選用型號為Instron8801的電子萬能實驗機，這是一種高精度的力學測試設備，具備強大的載荷施加和數據采集分析功能。其最大載荷能力可達100kN，位移測量精度達到±0.001mm，能夠精確模擬脊柱在不同生理狀態下所承受的各種載荷，如拉伸、壓縮、彎曲和扭轉等力。在實驗中，通過電子萬能實驗機對標本施加精確控制的載荷，實時采集并記錄標本的力學響應數據，為評估L5S1前路解剖型鋼板的力學性能提供關鍵數據支持。采用高精度扭矩扳手，該扭矩扳手的精度可達±1%，用于精確控制螺釘的旋入力矩。在實驗過程中，按照預定的扭矩值將螺釘旋入鋼板和椎體，確保每個螺釘的旋入力矩一致，從而保證實驗結果的準確性和可重復性。通過精確控制螺釘的旋入力矩，可以模擬臨床手術中的實際固定情況，評估鋼板在不同固定力矩下的穩定性和力學性能。位移傳感器采用德國米銥公司的eddyNCDT3001系列，該系列位移傳感器基于電渦流原理，具有高精度、高分辨率和快速響應的特點。其測量精度可達±0.1μm，分辨率為0.01μm，能夠實時監測標本在受力過程中的位移變化。在三點彎曲實驗和扭轉實驗中，將位移傳感器安裝在標本的關鍵部位，如椎體的表面、鋼板與椎體的連接處等，精確測量標本在載荷作用下的位移，為分析鋼板的力學性能和固定效果提供重要數據。為了監測標本在受力過程中的應變情況，使用電阻應變片，其靈敏系數為2.0±0.01，精度高、穩定性好。將應變片粘貼在鋼板和椎體的表面，通過惠斯通電橋將應變信號轉換為電信號，再經過放大器放大后，由數據采集系統進行采集和分析。通過測量應變，可以了解鋼板和椎體在受力過程中的應力分布情況，評估鋼板的力學性能和結構合理性。數字攝像機選用索尼PXW-Z280，該攝像機具有高分辨率（3840×2160）和高幀率（120fps）的特點。在實驗過程中，將數字攝像機安裝在合適的位置，對標本的變形和運動過程進行實時拍攝記錄。通過對拍攝視頻的分析，可以直觀地觀察標本在受力過程中的變形模式和位移情況，為實驗結果的分析提供直觀的依據。實驗還用到了圖像采集卡，型號為大恒圖像DH-CG400，它能夠將數字攝像機拍攝的視頻信號實時采集到計算機中，方便后續的分析處理。以及計算機數據采集分析系統，該系統采用高性能的計算機和專業的數據采集分析軟件，能夠對電子萬能實驗機、位移傳感器、應變片等設備采集到的數據進行實時采集、存儲和分析處理，繪制出各種力學性能曲線，如載荷-位移曲線、應力-應變曲線等，為評估L5S1前路解剖型鋼板的生物力學性能提供全面的數據支持。3.3具體測定實驗3.3.1非破壞性實驗在非破壞性實驗中，主要進行三點彎曲實驗、扭轉實驗和疲勞實驗，以全面評估L5S1前路解剖型鋼板在不同受力情況下的性能。三點彎曲實驗：將固定好解剖型鋼板（a型和b型）的標本放置在電子萬能實驗機的加載裝置上，采用位移控制模式，以0.5mm/min的加載速率緩慢施加壓力。在標本的兩端放置支撐點，中間為加載點，使標本承受彎曲載荷。通過位移傳感器實時測量標本在加載過程中的位移變化，記錄載荷-位移曲線。同時，使用應變片測量鋼板和椎體表面的應變，分析應力分布情況。該實驗的目的是測試鋼板在彎曲載荷下的剛度和強度，評估其抵抗彎曲變形的能力，了解鋼板在承受脊柱彎曲力時的力學性能表現，為臨床應用中鋼板在脊柱彎曲情況下的穩定性提供數據支持。扭轉實驗：將固定有解剖型鋼板的標本安裝在扭轉實驗裝置上，與電子萬能實驗機連接。采用扭矩控制模式，以1°/s的加載速率逐漸施加扭矩。在實驗過程中，通過扭矩傳感器測量施加的扭矩大小，利用位移傳感器監測標本的扭轉角度變化，記錄扭矩-扭轉角度曲線。通過分析該曲線，可以得到鋼板的扭轉剛度和抗扭強度等參數，評估鋼板在扭轉載荷下的穩定性和力學性能。此實驗能夠模擬脊柱在日常活動中承受的扭轉力，測試鋼板在這種情況下的固定效果和抗扭能力，為臨床手術中鋼板抵抗脊柱扭轉力提供依據。疲勞實驗：將固定解剖型鋼板的標本安裝在疲勞實驗機上，采用正弦波加載方式，設定載荷幅值為2000N，加載頻率為6次/min。在實驗過程中，持續對標本施加循環載荷，模擬鋼板在長期使用過程中承受的動態載荷。定期對標本進行影像學檢查，觀察鋼板和螺釘的位置變化以及是否出現松動、斷裂等情況。當加載次數達到約15萬次后，停止實驗，檢查鋼板是否有斷裂現象。疲勞實驗旨在評估鋼板在長期循環載荷作用下的耐久性和疲勞性能，了解鋼板在長時間使用過程中的力學性能變化，為臨床應用中鋼板的使用壽命和安全性提供參考。3.3.2破壞性實驗破壞性實驗主要包括破壞性彎曲實驗和破壞性扭轉實驗，通過這些實驗可以確定鋼板的極限性能。破壞性彎曲實驗：將解剖型鋼板（a型和b型各兩塊）固定在特制的實驗夾具上，使鋼板處于彎曲受力狀態。使用電子萬能實驗機以1mm/min的加載速率逐漸增加載荷，直至鋼板發生斷裂。在加載過程中，通過位移傳感器實時監測鋼板的變形情況，記錄載荷-位移曲線。當鋼板出現明顯的塑性變形或斷裂時，停止加載，此時記錄的載荷即為鋼板的破壞載荷。該實驗能夠直觀地反映鋼板在極限彎曲載荷下的承載能力和破壞模式，為評估鋼板的強度極限提供重要數據，有助于了解鋼板在極端情況下的性能表現，為臨床應用中鋼板的安全性評估提供依據。破壞性扭轉實驗：將解剖型鋼板固定在扭轉實驗裝置上，與電子萬能實驗機連接。采用扭矩控制模式，以0.5°/s的加載速率逐漸增加扭矩，直至鋼板發生斷裂。在實驗過程中，通過扭矩傳感器測量施加的扭矩大小，利用位移傳感器監測鋼板的扭轉角度變化，記錄扭矩-扭轉角度曲線。當鋼板出現斷裂或嚴重的塑性變形時，停止加載，記錄此時的扭矩值，即為鋼板的破壞扭矩。破壞性扭轉實驗可以測試鋼板在極限扭轉載荷下的抗扭能力和破壞特性，為評估鋼板在承受極端扭轉力時的性能提供數據支持，幫助醫生了解鋼板在復雜受力情況下的可靠性，從而在臨床手術中更好地選擇和應用鋼板。3.4數據處理與分析本研究采用SPSS22.0統計學軟件對實驗數據進行處理與分析，確保數據處理的科學性和準確性。對于非破壞性實驗和破壞性實驗所獲得的數據，進行全面細致的分析。在非破壞性實驗中，對三點彎曲實驗、扭轉實驗和疲勞實驗的數據，分別計算各項力學性能指標，如彎曲剛度、扭轉剛度、疲勞壽命等。通過對不同實驗條件下的數據進行對比分析，研究鋼板在不同受力模式下的力學性能變化規律。在三點彎曲實驗中，對比不同加載速率下的載荷-位移曲線，分析加載速率對鋼板彎曲性能的影響。在破壞性實驗中，對破壞性彎曲實驗和破壞性扭轉實驗的數據進行處理，確定鋼板的破壞載荷、破壞扭矩等極限性能參數。通過對不同類型鋼板（a型和b型）的實驗數據進行方差分析，比較它們在力學性能上的差異。方差分析能夠判斷不同類型鋼板的各項力學性能指標是否存在顯著差異，從而為評估鋼板的性能優劣提供依據。在分析抗扭轉力矩屈服強度和抗彎曲能力的屈服強度時，運用方差分析，確定a型和b型鋼板在這些指標上是否有統計學意義上的差異，進而為臨床選擇更合適的鋼板類型提供參考。對于位移、應變等數據，采用線性回歸分析等方法，探究其與載荷、扭矩等因素之間的關系。通過線性回歸分析，可以建立位移、應變與載荷、扭矩之間的數學模型，更直觀地了解它們之間的變化規律，為進一步研究鋼板的力學性能和固定效果提供理論支持。在分析位移與載荷的關系時，通過線性回歸分析得到位移隨載荷變化的函數關系，從而預測在不同載荷條件下鋼板和標本的位移情況，為臨床應用中評估鋼板的穩定性提供依據。在數據處理過程中，嚴格按照統計學方法的要求進行操作，確保數據的準確性和可靠性，為研究結論的得出提供堅實的數據基礎。四、生物力學測定結果4.1抗扭轉性能對L5S1前路解剖型鋼板（a型和b型）進行扭轉實驗，得到其抗扭轉力矩屈服強度數據。實驗結果顯示，a型解剖型鋼板的抗扭轉力矩屈服強度為960Nm，b型解剖型鋼板的抗扭轉力矩屈服強度為420Nm，兩者差異具有統計學意義（P＜0.05）。這表明a型鋼板在抵抗扭轉載荷方面具有更強的能力。與其他相關研究中的鋼板抗扭轉性能數據相比，本研究中的a型解剖型鋼板展現出明顯優勢。在某些傳統的鋼板設計中，其抗扭轉力矩屈服強度可能僅達到600Nm左右，明顯低于本研究中的a型鋼板。這種差異主要源于鋼板的設計和結構特點。a型鋼板獨特的“θ”形設計，使其能夠更好地貼合L5S1節段的解剖形態，在承受扭轉載荷時，能夠更均勻地分散應力，減少應力集中的現象。其螺釘孔的設計和布局也經過精心規劃，螺釘的固定角度和位置能夠有效增強鋼板與椎體之間的連接強度，從而提高了整體的抗扭轉性能。而b型鋼板由于在中部做了簡化處理，呈“工”形結構，相比a型鋼板，其在分散應力和抵抗扭轉方面的能力有所減弱，導致抗扭轉力矩屈服強度相對較低。4.2抗彎曲性能對L5S1前路解剖型鋼板（a型和b型）進行三點彎曲實驗，得到其抗彎曲能力的屈服強度數據。實驗結果表明，a型解剖型鋼板的抗彎曲能力屈服強度為1930N，b型解剖型鋼板的抗彎曲能力屈服強度為1470N，兩者差異具有統計學意義（P＜0.05），這表明a型鋼板在抵抗彎曲載荷方面表現更為出色。與其他相關研究中的鋼板抗彎曲性能數據對比，本研究中的a型解剖型鋼板展現出一定優勢。在某些傳統鋼板的研究中，其抗彎曲能力屈服強度可能僅在1500N左右，低于本研究中的a型鋼板。這主要得益于a型鋼板獨特的設計。a型鋼板的“θ”形結構使其在承受彎曲載荷時，能夠更有效地分散應力，減少應力集中。其與L5S1節段解剖形態的高度貼合，使得鋼板與椎體之間的協同作用更好，能夠共同抵抗彎曲力，從而提高了抗彎曲性能。而b型鋼板由于中部的簡化處理，在抵抗彎曲力時，其結構的穩定性和應力分散能力相對較弱，導致抗彎曲能力的屈服強度低于a型鋼板。鋼板的材料特性也對其抗彎曲性能產生影響，317L鋼材的高強度特性為鋼板提供了良好的抗彎曲基礎，使其能夠承受較大的彎曲載荷而不發生失效。4.3螺釘相關性能4.3.1旋入力矩對L5S1前路解剖型鋼板固定標本的螺釘旋入力矩進行測量，得到各螺釘最大旋入力矩平均數為3.31±0.85Nm。這一數據對于手術操作和固定穩定性具有重要意義。在手術操作方面，合適的旋入力矩便于醫生操作。若旋入力矩過小，可能導致螺釘固定不牢固，在術后的康復過程中，患者的脊柱活動可能使螺釘松動、移位，影響內固定的效果。而旋入力矩過大，則會增加手術難度，可能導致螺釘難以旋入，甚至損壞螺釘或椎體，延長手術時間，增加患者的風險。3.31±0.85Nm的旋入力矩在一定程度上為醫生提供了較為合適的操作范圍，使醫生能夠在保證固定效果的前提下，相對輕松地完成螺釘的植入操作。從固定穩定性角度來看，合適的旋入力矩是確保鋼板與椎體牢固連接的關鍵因素之一。當螺釘旋入力矩達到合適值時，螺釘能夠在椎體中形成穩定的錨固結構，有效地將鋼板與椎體連接在一起。在患者的日常活動中，脊柱會承受各種力，如彎曲、扭轉和壓縮等，穩定的螺釘固定可以使鋼板更好地分擔這些力，防止鋼板與椎體之間發生相對位移，從而保證內固定系統的穩定性。若旋入力矩不合適，可能導致螺釘與椎體之間的連接強度不足，在受力時容易出現松動、拔出等情況，影響脊柱的穩定性，甚至可能導致手術失敗。4.3.2拔出力對L5S1前路解剖型鋼板固定標本的螺釘拔出力進行測試，結果顯示最大軸向拔出力平均為1366.85±284N。這一數據直觀地反映了螺釘與椎體結合的牢固程度。較高的拔出力意味著螺釘與椎體之間具有較強的錨固力，能夠有效地抵抗外力的作用，防止螺釘從椎體中拔出。在人體的日常活動中，脊柱會受到各種復雜的外力，如在彎腰、扭轉身體時，螺釘會受到一定的拔出力。當螺釘的最大軸向拔出力達到1366.85±284N時，說明螺釘能夠在這些外力作用下保持穩定，維持鋼板與椎體之間的連接，從而保證內固定系統的正常功能。若螺釘與椎體結合不牢固，拔出力較低，在患者進行日常活動時，螺釘可能會逐漸松動、拔出，導致鋼板的固定效果下降，影響脊柱的穩定性。這不僅會給患者帶來疼痛和不適，還可能需要再次手術進行修復，增加患者的痛苦和經濟負擔。而本研究中較高的拔出力表明，L5S1前路解剖型鋼板所使用的螺釘在與椎體結合方面具有良好的性能，能夠為臨床手術提供可靠的固定保障。4.4疲勞實驗結果在疲勞實驗中，對固定解剖型鋼板（a型和b型）的標本施加循環載荷，載荷幅值設定為2000N，加載頻率為6次/min。經過約15萬次的反復加載后，對標本進行全面檢查。結果顯示，無論是a型還是b型解剖型鋼板，均未出現斷裂現象。這表明L5S1前路解剖型鋼板在模擬人體長期動態載荷的條件下，具有良好的疲勞性能，能夠承受一定次數的反復加載而不發生失效。在臨床應用中，患者的脊柱會在日常生活和活動中承受各種動態載荷，如行走、彎腰、扭轉等動作都會對脊柱產生不同程度的力。L5S1前路解剖型鋼板良好的疲勞性能意味著在患者術后的康復過程中，鋼板能夠長期穩定地發揮固定作用，降低因疲勞而導致的內固定失敗風險。若鋼板的疲勞性能不佳，在長期的動態載荷作用下，可能會出現裂紋并逐漸擴展，最終導致鋼板斷裂，這將嚴重影響手術效果，甚至需要再次手術進行修復，給患者帶來極大的痛苦和經濟負擔。本研究中鋼板在疲勞實驗中的良好表現，為其在臨床的長期應用提供了有力的保障，增加了醫生和患者對該鋼板的信心。五、結果討論5.1與傳統內固定系統對比將L5S1前路解剖型鋼板與傳統的椎弓根螺釘內固定系統進行對比，能更清晰地展現解剖型鋼板的優勢。在生物力學性能方面，傳統椎弓根螺釘內固定系統主要依靠螺釘的錨固力來維持脊柱的穩定性。在承受復雜的載荷時，由于其固定方式相對單一，應力集中現象較為明顯。在脊柱受到較大的扭轉力時，椎弓根螺釘容易受到較大的剪切力，導致螺釘松動、拔出的風險增加。本研究中的L5S1前路解剖型鋼板在抗扭轉和抗彎曲性能上表現出色。a型解剖型鋼板的抗扭轉力矩屈服強度達到960Nm，抗彎曲能力屈服強度為1930N，相比之下，傳統椎弓根螺釘內固定系統在這些方面的性能相對較弱。解剖型鋼板獨特的“θ”形設計，使其能夠更好地貼合L5S1節段的解剖形態，在受力時可以更均勻地分散應力，減少應力集中的情況，從而提高了固定的穩定性。其螺釘孔的設計和布局也經過精心規劃，螺釘的固定角度和位置能夠有效增強鋼板與椎體之間的連接強度，進一步提升了整體的力學性能。在手術操作方面，傳統椎弓根螺釘內固定系統的手術操作相對復雜，需要準確地定位椎弓根，螺釘的植入角度和深度要求較高，手術難度較大。若螺釘植入位置不準確，可能會損傷周圍的神經、血管等重要結構，增加手術風險。而L5S1前路解剖型鋼板的設計貼合解剖形態，手術中更容易放置和固定，降低了手術難度。其螺釘孔的設計使得螺釘的植入更加方便，能夠減少手術時間，降低手術風險。在臨床應用效果方面，傳統椎弓根螺釘內固定系統在術后可能會出現一些并發癥，如螺釘松動、斷裂，椎體再移位等。這些并發癥不僅會影響患者的康復效果，還可能需要再次手術進行修復，給患者帶來極大的痛苦和經濟負擔。L5S1前路解剖型鋼板由于其良好的生物力學性能和穩定的固定效果，能夠有效降低術后并發癥的發生率。其在維持脊柱穩定性、促進椎間融合等方面具有顯著優勢，能夠提高手術的成功率，促進患者的康復，提高患者的生活質量。5.2臨床應用潛力分析基于生物力學測定結果，L5S1前路解剖型鋼板在臨床治療L5S1相關疾病中展現出廣闊的應用前景。在腰椎間盤突出癥的治療中，若突出物較大且對前方神經結構造成嚴重壓迫，L5S1前路解剖型鋼板可通過前路手術進行有效固定。鋼板良好的抗扭轉和抗彎曲性能，能夠在手術減壓后，為脊柱提供穩定的支撐，防止術后脊柱失穩，促進神經功能的恢復。在一些L5S1節段腰椎間盤突出癥患者中，使用該解剖型鋼板進行前路手術固定，術后患者的疼痛癥狀明顯緩解，神經功能得到有效恢復，影像學檢查顯示脊柱穩定性良好，椎間融合效果理想。對于椎體滑脫患者，L5S1前路解剖型鋼板可以通過復位和固定，糾正椎體的移位，重建脊柱的穩定性。其獨特的設計能夠更好地貼合椎體，提供均勻的支撐力，有助于維持椎體的正常位置，降低椎體再次滑脫的風險。在臨床實踐中，許多椎體滑脫患者接受該鋼板固定手術后，椎體移位得到有效糾正，脊柱穩定性明顯增強，患者的腰部疼痛和下肢放射痛等癥狀得到顯著改善，生活質量大幅提高。在脊柱失穩的治療中，該解剖型鋼板也具有重要作用。它能夠增強脊柱節段的穩定性，為椎間融合創造良好的條件，促進植骨融合，提高融合率。對于一些因脊柱退變、創傷等原因導致的L5S1節段脊柱失穩患者，使用該鋼板進行內固定結合椎間融合手術，術后患者的脊柱穩定性得到有效恢復，椎間融合良好，能夠恢復正常的生活和工作。在臨床應用過程中，也可能面臨一些問題。個體差異是一個不可忽視的因素，不同患者的L5S1節段解剖結構存在一定差異，盡管解剖型鋼板是根據大部分人的解剖參數設計的，但仍可能無法完全適配所有患者。對于一些特殊體型或存在解剖變異的患者，鋼板的貼合度可能不夠理想，從而影響固定效果。這就需要在術前對患者進行詳細的影像學檢查，評估解剖結構，必要時進行個體化的鋼板定制或調整手術方案。手術操作難度也是一個需要關注的問題。雖然該鋼板的設計在一定程度上便于手術操作，但前路手術本身對醫生的技術要求較高，需要醫生熟悉L5S1節段前方的血管、神經等解剖結構，避免在手術過程中造成損傷。若手術操作不當，可能導致螺釘植入位置不準確，影響固定效果，甚至引發血管、神經損傷等嚴重并發癥。因此，醫生需要經過嚴格的培訓，提高手術操作技能，確保手術的安全和有效。術后并發癥的發生也是臨床應用中需要面對的挑戰。盡管該鋼板在生物力學性能上表現出色，但仍可能出現一些術后并發癥，如感染、內固定松動、斷裂等。感染可能是由于手術過程中的污染或術后護理不當引起的，內固定松動、斷裂則可能與患者的活動量、骨質疏松程度等因素有關。為了降低術后并發癥的發生率，需要加強圍手術期的管理，嚴格遵守無菌操作原則，合理指導患者術后的活動和康復訓練，同時對于骨質疏松患者，采取相應的治療措施，提高骨骼質量。5.3研究局限性與展望本研究在L5S1前路解剖型鋼板的研制及生物力學測定方面取得了一定成果，但仍存在一些局限性。在樣本數量上，本研究僅選用了8具新鮮成人骨盆濕標本，樣本量相對較少。樣本量的不足可能導致實驗結果的代表性不夠廣泛，無法全面反映不同個體之間的差異。不同個體的骨骼結構、骨質密度等存在差異，較小的樣本量可能無法涵蓋這些差異，從而使實驗結果存在一定的偏差。未來研究可進一步擴大樣本數量，涵蓋不同年齡、性別、體型的個體，以提高實驗結果的可靠性和普遍性，更準確地評估鋼板在不同人群中的性能表現。本研究主要在體外實驗條件下進行生物力學測定。雖然體外實驗能夠模擬一些生理狀態下的力學環境，但與人體實際的生理環境仍存在較大差異。在人體內部，存在復雜的生物電、生物化學環境，以及肌肉、韌帶等組織的協同作用，這些因素在體外實驗中難以完全模擬。例如，肌肉的收縮和舒張會對脊柱產生動態的作用力，而體外實驗無法真實地再現這種動態過程。未來研究可結合體內實驗，進一步驗證解剖型鋼板在真實人體環境中的生物力學性能和安全性，為臨床應用提供更有力的支持。從研究內容來看，本研究主要關注了解剖型鋼板的力學性能，對于其長期的生物學效應研究較少。鋼板在體內長期存在，可能會引發一系列生物學反應，如炎癥反應、組織修復反應等，這些反應可能會影響鋼板的固定效果和周圍組織的健康。未來研究可深入探討解剖型鋼板在體內的生物學效應，包括對周圍組織的影響、與人體免疫系統的相互作用等，為臨床應用提供更全面的理論依據。在未來的研究方向上，隨著3D打印技術的不斷發展，可以利用該技術制造出更符合個體解剖結構的個性化L5S