新型雙螺心/雙螺紋椎弓骨釘之生物力學研究-中空、擴張及合併骨水泥施用與否之影響

本研究擬開發實心、中空及擴張等三款不同設計概念之新型雙螺心/雙螺紋椎弓骨釘，評估其應用於脊椎固定手術的力學表現。椎弓骨釘已被廣泛應用於腰椎固定手術，但術後常發生椎弓骨釘鬆脫或斷裂。過去雖有甚多文獻證實骨釘外型（螺紋、螺距、直徑）、骨釘型態（中空或擴張式骨釘）、預鑿孔、鎖入力距及骨質密度等諸多因素均會影響骨釘固定效果，卻未見有文獻針對實心、中空或擴張式雙螺心/雙螺紋骨釘分別在有、無施加預鑿孔、施用骨泥固定與否及不同骨質密度情況下，系統化探討骨釘拉出、抗彎強度及疲勞特性的力學表現。本研究乃基於不同的設計觀念，擬開發三款有別於傳統骨釘的新型雙螺心/雙螺紋椎弓骨釘（實心、中空及擴張）。雙螺心/雙螺紋骨釘的設計理念是在傳統骨釘的螺紋近端接續一個較遠端螺紋更為細致的第二螺紋（適於硬質骨）。我們假設如果骨釘近端細螺紋鎖於椎弓硬質骨，而遠端傳統粗螺紋鎖於椎體內疏鬆骨將有助於提升骨釘的固定效果。基於實心雙螺心/雙螺紋骨釘的設計基礎，進一步施以中空及擴張機構的設計，希望更能提升術後骨釘的固定效果。為此，本研究規劃以三年時間，針對前述三款雙螺心/雙螺紋骨釘分別進行靜態拉出、抗彎及動態疲勞測試。借由研究結果，評估實心、中空及擴張式等三款雙螺心/雙螺紋骨釘、骨水泥固定與否、預鑿孔、植入扭距及骨質密度等諸多因素對於骨釘應用於脊椎固定手術力學表現的影響。茲簡述三年研究內容如下：第一年度研究內容：新型椎弓骨釘之設計、製造設計製造實心、中空及擴張等三款新型雙螺心/雙螺紋骨釘。製造完成後，將借由後續之體外力學實驗，探討上述設計參數對於骨釘固定效果的影響。第二年度研究內容：新型椎弓骨釘之靜態力學實驗（骨釘拉出及骨釘抗彎測試）利用已廣泛被認可之人造骨材(Test Block) 取代人類骨做為實驗模型，採用7.5 lbm/ft3, 15 lbm/ft3 及20lbm/ft3 三種不同密度之人造骨材來模擬不同骨質密度之椎骨。前述三種新型椎弓骨釘，分別於骨水泥固定及預鑿孔施加與否情況下，記錄骨釘植入椎骨的最大旋轉扭距，依循ASTMF543-02、ASTMF2193-02 等相關測試規範，利用現有之MTS 材料試驗機分別進行骨釘拉出、骨釘抗彎測試。第三年度研究內容：新型椎弓骨釘之動態力學實驗（骨釘元件組合後疲勞測試）於前述不同條件下分別將骨釘植入椎體後，採用相同之螺帽與固定棒等元件進行脊椎內固定器之結合組裝。依循ASTM 1717-04測試規範，進行固定器元件結合組裝後之動態疲勞力學測試，藉以瞭解並比較不同幾何條件之骨釘分別在骨水泥使用與否的情況下，所有元件結合組裝後，其使用壽限及力學行為之差異性。

系統編號:PB10507-2959
原計畫編號:MOST105-2221-E182-005