專利名稱：骨質疏松椎體體外模型的建模方法及配套灌注固定器的制作方法
技術領域：
本發明屬于脊柱外科的基礎研究及配套器械領域，涉及骨質疏松椎體體外模型建 模方法及一種可經椎弓根擰入椎體標本內的配套灌注固定器，該灌注固定器作為脫鈣液向 椎體內部灌注的橋接裝置，使得椎體標本內外同步脫鈣，通過調整脫鈣時間，從而建立不同 骨密度的骨質疏松椎體體外模型，為脊柱外科新器械、新技術的研究提供可靠的實驗平臺。
背景技術：
自1959年Boucher首次采用長螺釘經椎板、椎弓根達椎體固定腰骶關節取得良好 的臨床效果以來，椎弓根螺釘內固定技術取得了迅速的發展，并被廣泛的應用于脊柱外科 的常見臨床疾病。目前，椎弓根螺釘內固定技術已經成為脊柱外科領域最常用的脊柱后路 內固定方法。研究發現椎弓根螺釘的穩定性取決于骨質螺釘界面的把持力。然而，椎弓根 螺釘內固定技術在臨床的應用中發現，隨著患者骨質疏松程度的加重，椎弓根螺釘松動率 顯著增高。為解決這一問題，目前臨床上常用的方法包括改進椎弓根螺釘設計；應用的釘 道固化技術。然而，針對各種新型螺釘以及釘道固化技術的臨床前實驗研究，由于獲取骨質 疏松標本比較困難，大多限于在正常骨質的動物或健康的成人椎體上進行研究，較少應用 骨質疏松或嚴重骨質疏松的動物或人椎體。因此，建立用于生物力學研究的骨質疏松模型是進行各種新型螺釘以及釘道固化 技術的臨床前實驗研究的基礎。研究發現骨質的骨密度、骨強度以及骨生物力學性能降低 均與骨礦質、骨基質有很大的關系。而目前關于建立骨質疏松動物模型的研究方法，均是通 過干擾體內的骨質代謝，最終導致骨質流失，引起骨質疏松。然而，體內建模的方法都需要 至少6個月以上才能夠形成可操作性的骨質疏松動物模型，限制了進行動物實驗的次數， 延長了研究時間。因此，尋找一種快速、有效的骨質疏松椎體體外模型的建模方法成為廣大 研究工作者所努力的方向。目前，研究發現通過對骨質脫鈣的方法亦能導致其骨密度、骨強 度及骨生物力學性能下降。然而，存在著以下缺點①骨質疏松程度可控性差；②整個脫鈣 過程完全手工操作，誤差較大，無法建立骨質疏松程度可控、精確的力學模型。所以，如何能 夠建立骨質疏松程度可控且能有效的模擬體內骨質疏松狀態的骨質疏松椎體體外模型成 為骨質疏松生物力學研究亟待解決的問題。
發明內容
針對上述現有技術存在的缺陷或不足，本發明目的在于建立一種骨質疏松椎體體 外模型的建模方法——運用微量注射泵向椎體內灌注鹽酸，同時輔助將椎體前壁浸泡于鹽 酸溶液內，以達到椎體內外同步脫鈣的建模方法以及配套灌注固定器。建立骨質疏松椎體體外模型的脫鈣裝置由微量注射泵、注射器、玻璃容器、帶或不 帶孔洞的方形玻璃蓋及配套的灌注固定器組成，其中灌注固定器作為微量注射泵將脫鈣液 泵入椎體標本內部的橋接裝置。當灌注固定器經雙側椎弓根擰入椎體標本后，脫鈣液可經 套筒外螺紋段流入，并從灌注固定器帶側孔的中空圓柱體的側孔及其末端流至椎弓根及椎體標本內，與椎體標本內的骨質發生反應，其反應液從椎體標本的滋養孔及靜脈竇流出。同 時椎體標本前壁浸泡于脫鈣液中，使得椎體標本前壁的骨質亦出現骨量丟失現象。從而保 證椎體標本內外達到同步脫鈣。通過調整脫鈣時間，可以分度建立不同骨密度水平的骨質 疏松椎體體外模型，為新器械及新技術的研究提供可靠的實驗平臺。為了實現上述任務，本發明提出采取如下的技術解決方案 一種骨質疏松椎體體外模型的建模方法，其特征在于，包括下列步驟
1)預先使用兩個灌注固定器經雙側椎弓根緩慢擰入椎體標本內，其中所述灌注固定器 由套筒和內芯組成，所述套筒由帶側孔的中空圓柱體、無側孔的中空圓柱體、中空連接部、 中空六方體和外螺紋段連接成一體，所述內芯由前端的錐形頭、中間的圓柱體和尾端相互 連接組成，所述內芯可擰入所述套筒中，并且其錐形頭露出套筒外；
2)將所述內芯從所述套筒中旋出，用一注射器吸取5ml蒸餾水，經套筒的外螺紋段快 速推注入椎體標本內部，沖刷灌注固定器擰入雙側椎弓根過程中堵塞套筒的所述側孔的骨 質；
3)將兩個注射器延長線帶有內螺紋結構的一端分別與兩個套筒的外螺紋段緊密連接， 確保無滲漏；
4)將兩個注射器延長線的另一端分別穿過帶有兩處直徑為IOmm孔洞的方形玻璃蓋， 然后分別與雙側微量注射泵上含有60ml質量濃度為3%鹽酸脫鈣液的第二和第三注射器連 接；
5)將椎體標本呈后前位放置于盛有500ml濃度3%鹽酸脫鈣液的玻璃容器中，容器內脫 鈣液液面的高度剛好淹沒至椎體標本的前柱；
6)在玻璃容器上蓋上所述方形玻璃蓋，再在所述兩處孔洞的上方放置一小塊方形玻璃 遮蓋，最大限度的防止鹽酸揮發，減小實驗誤差；
7 )啟動雙側微量注射泵，并設定注射泵的推速為60ml/h，推力為三級，通過微量注射泵 的推桿將第二和第三注射器的活塞柄向前推動，從而使得鹽酸脫鈣液經注射器延長線通過 套筒的側孔流入椎體標本內部，以進行脫鈣處理。由于骨質疏松常常發生于松質骨比較集中的部分，如脊椎。椎體大部分由松質骨 所組成，當椎體發生骨質疏松后，脊椎的松質骨及皮質骨均出現骨量流失現象。因此，本發 明利用灌注固定器固定于椎弓根及椎體內，可將脫鈣液定向、定量注入椎弓根及椎體標本 內部，導致椎體標本內部骨量丟失。同時將椎體標本前壁浸泡于脫鈣液當中，脫鈣液與椎體 標本表面的骨質發生化學反應，導致椎體標本表面的皮質骨亦出現骨量減少。所以，經該建 模方法處理后，椎體標本的皮質骨及松質骨均出現骨質疏松樣的結構變化，以達到椎體標 本內外骨質同步脫鈣的目的。上述方法涉及的配套灌注固定器，由套筒和內芯兩部分組成。其特征在于，套筒是 由帶側孔的中空圓柱體、無側孔的中空圓柱體、中空連接部、中空六方體和外螺紋段E連成 一體，其中帶側孔中空圓柱體、無側孔的中空圓柱體、中空連接部與中空六方體之間均光滑 連接，它們的中空部分形成第1空腔；外螺紋段為一中空的結構，其形成第2空腔；帶側孔 中空圓柱體的遠端為一圓形孔道，近端與無側孔的中空圓柱體光滑過渡連接，從圓形孔道 壁邊緣開始，每隔一段距離，依次平行打有與第1空腔相通的側孔；
內芯由前端的錐形頭、中間的圓柱體和尾端相互連接組成；所述尾端的側壁為帶內螺紋的圓柱體結構，該內螺紋與套筒的外螺紋段的外螺紋吻合，所述尾端的中央為一實心圓 柱體，該實心圓柱體的直徑及長度均與第2空腔S2相同； 當內芯完全擰入套筒時，其錐形頭露出套筒外；
中間的圓柱體、尾端的實心圓柱體及其側壁的內螺紋分別與套筒的第1空腔、第2空腔 和外螺紋段的外螺紋完全緊密接觸，便于灌注固定器穿破骨質擰入椎體內，同時避免了在 擰入過程中骨質堵塞套筒的所述側孔及第1空腔。本發明的骨質疏松椎體體外模型的建模方法及配套灌注固定器具有三個顯著特
點 ·
一是微量注射泵具有精確、定時、定量的優點，通過微量注射泵與灌注固定器的連接， 確保脫鈣液以恒定的速度及量經灌注固定器泵入椎體內部。同時，通過調整脫鈣時間，可快 速、可控的建立不同骨密度水平的骨質疏松椎體體外模型。二是脫鈣液可勻速經灌注固定器的側孔及遠端緩慢流至椎弓根及椎體內，并逐步 的蔓延至椎體深處，從而使得整個椎體出現同步均勻脫鈣，建立起來的模型更類似于生理 狀態下的骨質疏松。三是灌注固定器作為微量注射泵將脫鈣液泵入椎體內部的橋接裝置，避免了因手 工操作無法將脫鈣液完全注射入椎體標本內，而通過灌注固定器可定量的將脫鈣液完全注 射入椎體標本內，保證了椎體內部松質骨的骨量丟失，減小了實驗誤差，提高骨質疏松模型 建立的可重復性，為分度建立不同骨密度水平的骨質疏松椎體體外模型提供可能。
圖1是本發明的骨質疏松椎體體外模型的建模方法示意如圖所示微量注射泵定時、定量的將脫鈣液經注射器延長線泵至雙側灌注固定器，再 通過灌注固定器流入椎弓根及椎體標本內，進行椎體標本內部脫鈣；同時將椎體標本放置 于脫鈣液中，椎體標本表面皮質骨脫鈣。從而達到椎體標本內外骨質同步脫鈣的目的。圖2是灌注固定器套筒的外觀如圖所示套筒由帶側孔的中空圓柱體A、無側孔的中空圓柱體B、中空連接部C、中空 六方體D和外螺紋段E連接成一體。圖3是灌注固定器內芯外觀如圖所示內芯2前端為一錐形頭F，錐形頭F長度為1.5mm，其底部直徑與中間的圓柱 體G直徑相同。中間的圓柱體G部分與套筒的中空部分匹配，尾端的側壁為帶內螺紋的圓 柱體結構。圖4是圖2的剖面結構示意如圖所示套筒由帶側孔的中空圓柱體A、無側孔的中空圓柱體B、中空連接部C、中空 六方體D和外螺紋段E連接成一體，中空部分圍成第1，2空腔。圖5是圖3的剖面結構示意如圖所示內芯尾端為一內螺紋圓柱體結構，其中央部分為一實心圓柱體H1，直徑為 4. Omm,長度為8. Omm ；后壁厚度為2. Omm,實心圓柱體Hl結構直徑為4. 0mm。與套筒1的外 螺紋段E圍成的第2空腔S2完全吻合。內芯2的總長度要大于套筒1的總長度，且所述中間的圓柱體G和所述實心圓柱體Hl的長度之和與套筒1的總長度相等。下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
具體實施例方式選用3士0.5歲正常骨質的綿羊椎體標本，去除其周圍軟組織，分離成單個椎體標 本。然后，用中空六方體套筒套住灌注固定器的套筒1的中空六方體D，按人字脊頂點法經 椎弓根緩慢擰入椎體標本，直至整個套筒1的帶側孔的中空圓柱體A完全進入椎弓根內。然 后，旋出灌注固定器的內芯2，并用一注射器抽取5ml蒸餾水，經套筒1的外螺紋段E快速 推注入椎體標本內部，沖刷擰入過程中堵塞灌注固定器側孔的骨質。對側椎弓根用相同的 方法擰入灌注固定器及沖洗套筒1。然后通過注射器延長線與套筒1的外螺紋段E連接， 并從預先制備好的方形玻璃中央直徑的兩處孔洞穿出，再與微量注射泵連接起來。將椎體 標本放置在盛有500ml的濃度為3%稀鹽酸脫鈣液容器內，容器內脫鈣液液面的高度剛好與 椎體標本的前柱平行，將帶有兩個孔洞的方形玻璃放置在玻璃容器上。同時在方形玻璃的 帶有兩個孔洞處上方加蓋小的方形玻璃蓋，避免鹽酸揮發，最大限度的減小誤差。將第二和 第三注射器內抽滿同樣濃度的脫鈣液60ml。設定注射泵的推速60ml/h，推力為三級。啟動 雙側微量注射泵后，脫鈣液經注射器延長線，以恒定的速度經灌注固定器套筒1的外螺紋 段E、中空六方體D，中空連接部C、無側孔的中空圓柱體B，再經帶側孔的中空圓柱體A的側 孔及其遠端流出。當脫鈣液與椎體標本內部的骨質發生反應，反應后的液體再經椎體標本 的滋養孔及靜脈竇流出椎體標本外。經一定時間的脫鈣處理后，經雙側灌注固定器各推入 200ml蒸餾水進行椎體標本內部沖洗，將殘余的鹽酸以及游離的無機物和微小的有機物沖 洗出來。然后將椎體標本從脫鈣液中取出。用清水沖洗15小時后，確保椎體標本內外的脫 鈣液被徹底清除。由于椎體出現骨質疏松時，表現為椎體內外的松質骨及皮質骨均出現骨量減少。 因此，經該建模方法處理后，椎體的松質骨及皮質骨均會出現骨質流失，使得椎體內外骨質 均出現骨質疏松樣結構改變，以建立不同骨密度水平的骨質疏松椎體體外模型。上述方法所涉及的灌注固定器，參照圖2、圖3、圖4、圖5所示，灌注固定器由套筒 1和內芯2兩部分組成。其中，套筒1由帶側孔的中空圓柱體A、無側孔的中空圓柱體B、中空連接部C、中空 六方體D和外螺紋段E連接成一體。其中，帶側孔中空圓柱體A、無側孔的中空圓柱體B、中 空連接部C與中空六方體D之間光滑過渡連接，帶側孔中空圓柱體A、無側孔的中空圓柱體 B、中空連接部C與中空六方體D內部的中空部形成等直徑的第1空腔Si，外螺紋段E的中 空結構構成第2空腔S2，第1空腔Sl和第2空腔S2相連通；在帶側孔中空圓柱體A的徑 向，每隔一段距離，依次平行打有與第一空腔Sl相通的側孔。內芯2由前端的錐形頭F、中間圓柱體G和尾端H相互連接組成；其中，所述中間圓 柱體G的直徑及長度均與套筒1的第二空腔S2相同；尾端H是帶有內螺紋的圓柱體結構， 內螺紋與套筒2上外螺紋段E的外螺紋吻合。中間的圓柱體G長度為70mm，直徑1. 5mm，與套筒1的第1空腔Sl尺寸匹配。當內芯2完全擰入套筒1時，其錐形頭F露出套筒2外。上述第1空腔Sl直徑為1. 5mm ；上述第2空腔S2的直徑為4. 0mm，側壁厚度為1. 0mm。內芯2尾端為一內螺紋圓柱體結構，其中央部分為一實心圓柱體H1，直徑為 4. Omm,長度為8. Omm ；后壁厚度為2. Omm,側壁厚度為1. Omm,實心圓柱體結構直徑為4. Omm0 錐形頭F長1. 5mm，其底部直徑與中間的圓柱體G直徑相同。在制作灌注固定器時，采用鈦合金為制備材料，鈦合金可耐強酸，避免了脫鈣液在 灌注過程中與灌注固定器發生反應，減小實驗誤差。在套筒1的帶側孔的中空圓柱體A上， 自套筒1的帶側孔的中空圓柱體遠端圓孔壁邊緣開始，每隔1. 5mm依次平行打有與第一空 腔相通的側孔1對，側孔呈平行相對排列，每個側孔直徑為1. 0mm。帶側孔的中空圓柱體A的外徑為2. 0mm，無側孔的中空圓柱體B的外徑為8. Omm, 中空連接部C的一端為直徑為8. Omm的圓，另一端為外徑為12mm的六方形，中空六方體D 為六方體，長度為20mm，外徑12mm ；外螺紋段E長度為8. Omm,外徑為8. Omm,螺紋高度為 1. Omm,螺距 1. 5mm ；
內芯2的尖端為錐形頭結構，長度為2mm。內芯2中間的圓柱體G和所述實心圓柱體 Hl長度之和與套筒總長度相等。所述尾端H中央的實心圓柱體Hl的長度與套筒的外螺紋 結構長度一致，所述尾端H的內螺紋結構與套筒的外螺紋E結構相互吻合，且所述尾端H外 徑要小于套筒的中空六方體的外徑，便于六方套筒套牢灌注固定器。
權利要求
一種骨質疏松椎體體外模型的建模方法，其特征在于，包括下列步驟1)預先使用兩個灌注固定器經雙側椎弓根緩慢擰入椎體標本內，其中所述灌注固定器由套筒和內芯組成，所述套筒由帶側孔的中空圓柱體、無側孔的中空圓柱體、中空連接部、中空六方體和外螺紋段連接成一體，所述內芯由前端的錐形頭、中間的圓柱體和尾端相互連接組成，所述內芯可擰入所述套筒中，并且其錐形頭露出套筒外；2)將所述內芯從所述套筒中旋出，用一注射器吸取蒸餾水，經套筒的外螺紋段推注入椎體標本內部，沖刷灌注固定器擰入雙側椎弓根過程中堵塞套筒的所述側孔的骨質；3)將兩個注射器延長線帶有內螺紋結構的一端分別與兩個套筒的外螺紋段緊密連接，確保無滲漏；4)將兩個注射器延長線的另一端分別穿過帶有兩處直徑為10mm孔洞的方形玻璃蓋，然后分別與雙側微量注射泵上含有60ml質量濃度為3%鹽酸脫鈣液的第二和第三注射器連接；5)將椎體標本呈后前位放置于盛有500ml質量濃度為3%鹽酸脫鈣液的玻璃容器中，容器內脫鈣液液面的高度剛好淹沒至椎體標本的前柱；6)在玻璃容器上蓋上所述方形玻璃蓋，再在所述兩處孔洞的上方放置一小塊方形玻璃遮蓋，最大限度的防止鹽酸揮發，減小實驗誤差；7)啟動雙側微量注射泵，并設定注射泵的推速為60ml/h，推力為三級，通過微量注射泵的推桿將第二和第三注射器的活塞柄向前推動，從而使得鹽酸脫鈣液經注射器延長線通過套筒的側孔流入椎體標本內部，以進行脫鈣處理。
2.一種灌注固定器，由套筒(1)和內芯(2)兩部分組成，其特征在于該套筒(1)由帶側 孔的中空圓柱體(A)、無側孔的中空圓柱體(B)、中空連接部(C)、中空六方體(D)和外螺紋 段(E)連接成一體，其中帶側孔中空圓柱體(A)、無側孔的中空圓柱體(B)、中空連接部(C) 與中空六方體(D)之間均光滑連接，它們的中空部分形成第1空腔(S1);外螺紋段(E)為一 中空的結構，其形成第2空腔(S2)；帶側孔中空圓柱體(A)的遠端為一圓形孔道，近端與無 側孔的中空圓柱體(B)光滑過渡連接，從圓形孔道壁邊緣開始，每隔一段距離，依次平行打 有與第1空腔(S1)相通的側孔；內芯(2)由前端的錐形頭(F)、中間的圓柱體(G)和尾端(H)相互連接組成；所述尾端 (H)的側壁(H3)為帶內螺紋的圓柱體結構，該內螺紋與套筒(1)的外螺紋段(E)的外螺紋 吻合，所述尾端(H)的中央為一實心圓柱體(H1)，該實心圓柱體(HI)的直徑及長度均與第2 空腔(S2)相同；當內芯(2)完全擰入套筒(1)時，其錐形頭(F)露出套筒(1)外；中間的圓柱體(G)、尾 端(H)的實心圓柱體(HI)及其側壁(H3)的內螺紋分別與套筒(1)的第1空腔(S1)、第2空 腔(S2)和外螺紋段(E)的外螺紋完全緊密接觸，便于灌注固定器穿破骨質擰入椎體內，同 時避免了在擰入過程中骨質堵塞套筒(1)的所述側孔及第1空腔(S1)。
3.如權利要求2所述的灌注固定器，其特征在于，所述側孔平行相對排列，側孔的直徑 為1. 0mm，側孔的間距為1. 5mm。
4.如權利要求2所述的灌注固定器，其特征在于，所述帶側孔的中空圓柱體(A)的外徑 為2. 0mm，無側孔的中空圓柱體(B)的外徑為8. 0mm ；中空連接部(C)與無側孔的中空圓柱 體(B)連接端的截面為直徑為8. 0mm的圓，中空連接部(C)與中空六方體(D)連接端的截面為外徑為12mm的六方形。
5.如權利要求2所述的灌注固定器，其特征在于，中空六方體(D)為六方頭設計，長度 為 20mm，外徑 12mm。
6.如權利要求2所述的灌注固定器，其特征在于，所述的外螺紋段(E)為外螺紋設計， 長度為8. Omm,外徑為8. Omm,螺紋高度為1. Omm,螺距1. 5mm,第2空腔(S2)的直徑為4. Omm0
7.如權利要求2所述的灌注固定器，其特征在于，第1空腔(Si)直徑為1.5mm。
8.如權利要求2所述的灌注固定器，其特征在于，所述錐形頭(F)長度為1.5mm，其底 部直徑與中間的圓柱體(G)直徑相同。
9.如權利要求2所述的灌注固定器，其特征在于，所述中間的圓柱體(G)長度為70mm， 直徑1. 5mm,與套筒(1)的第1空腔(Si)尺寸匹配；所述尾端(H)總長度10mm，其中后壁 (H2)厚度為2. 0mm，外徑10mm，側壁(H3)厚1. 0mm，螺紋高度1. 0mm，螺距1. 5mm ；實心圓柱 體(Hl)結構直徑為4. 0mm，其與套筒(1)的外螺紋段(E)圍成的第2空腔(S2)完全吻合。
10.如權利要求2所述的灌注固定器，其特征在于，所述的內芯(2)的總長度要大于套 筒(1)的總長度，且所述中間的圓柱體(G)和所述實心圓柱體(Hl)的長度之和與套筒(1) 的總長度相等。
全文摘要
本發明公開了一種骨質疏松椎體體外模型的建模方法及配套灌注固定器。該灌注固定器結合微量注射泵將脫鈣液定向、定量的灌注入椎體標本內部，將椎體前壁浸泡于鹽酸溶液內，保證了椎體標本內外骨質的同步脫鈣。灌注固定器由套筒和內芯兩部分組成，當內芯完全擰入套筒時，其錐形頭露出套筒外，便于灌注固定器穿破骨質擰入椎體標本內，避免了骨質堵塞側孔及空腔。本發明的方法保證了椎體標本內外同步出現骨質流失、骨量減少，可通過調整脫鈣時間，快速、可控的建立不同骨密度水平的骨質疏松椎體體外模型。
文檔編號G09B23/28GK101916521SQ20101026596
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月30日 優先權日2010年8月30日
發明者嚴亞波, 劉達, 吳子祥, 崔軼, 張揚, 石磊, 雷偉 申請人:中國人民解放軍第四軍醫大學