一种用于评估经椎弓根螺钉的麻醉、手术与取材方法 体内 猪腰椎模型

摘要

在此，我们介绍一种通过使用经椎弓根螺钉来评估的方法 体内 猪腰椎模型

摘要

椎弓根螺钉固定术是治疗脊柱疾病的标准方法。然而，许多研究报道了脊柱手术后椎弓根螺钉松动的问题，这是一个严重的临床关切。为解决这一问题，研究人员已对多种类型的椎弓根螺钉进行了评估，以筛选出在脊柱骨中具有优良固定强度和骨整合性能的螺钉。由于猪脊柱在解剖尺寸、力学特性及成本方面与人类脊柱相似，因此是评估椎弓根螺钉性能的良好替代模型。尽管已有若干研究报道椎弓根螺钉在猪模型中具有良好的应用效果，但尚无研究详细描述利用猪模型评估椎弓根螺钉的具体实验方案。本文介绍了一种利用猪模型评估经椎弓根螺钉的详细方法 体内 猪腰椎模型。本文提供的麻醉、脊柱手术和取材技术细节将有助于经椎弓根螺钉固定模型的评估。

引言

经椎弓根螺钉固定术是治疗退行性腰椎疾病和爆裂性骨折的金标准，因其涉及脊柱的三柱结构并实现稳定^1,2。然而，接受此类手术的大多数患者同时伴有骨质疏松症^3,4。许多研究已评估了经椎弓根螺钉的固定强度及骨整合状态，因为目前使用的椎弓根螺钉在骨质疏松患者中发生松动的情况已有报道^5,6。

猪脊柱在尺寸上与人类脊柱相似，且相较于灵长类动物模型更为经济⁷。此外，一项体内力学研究表明，四足行走的猪脊柱所受载荷方式与人类脊柱基本相同⁸，因此许多研究人员采用猪脊柱开展关于预防椎弓根螺钉松动的研究。然而，由于需要评估椎弓根螺钉的长期稳定性，利用猪脊柱研究椎弓根螺钉通常需要数月时间。为了在椎体中比较不同类型的螺钉，必须将螺钉植入相似的位置。因此，研究人员在开展任何实验之前，应充分掌握合适的麻醉技术、标准化的外科手术流程以及组织取材方法。本文中，我们详细描述了使用猪脊柱模型评估椎弓根螺钉固定的麻醉、手术及取材方法，包括离体成像、组织学分析和力学强度测试。

方案

全北国立大学机构动物护理与使用委员会批准了本研究。动物的处理、使用和操作遵循所有相关指南和政策。将手术室温度维持在 24 °C。

1. 麻醉

1. 将12月龄的迷你猪在实验单元中适应至少一周。进行临床检查，测量呼吸频率、心率和体温。在麻醉操作前12小时禁止喂食每只迷你猪。
2. 在耳后侧颈部肌肉区域注射阿托品（0.05 mg/kg）和氯胺酮（20 mg/kg）/赛拉嗪（2 mg/kg）进行术前给药。
3. 麻醉后，在耳根部紧紧绑上橡皮筋，并用局部酒精清洁耳朵。
4. 将套管针式塑料导管插入耳缘静脉，然后移除橡皮筋。确认导管位置正确，用肝素化生理盐水冲洗导管，并用胶带固定。
5. 进行气管插管时，将迷你猪置于胸卧位。在助手协助下，使用合适的吊带固定猪的下颌并打开其口腔。
   1. 将喉镜尖端插入咽腔，以使会厌脱离软腭。利用喉镜片的尖端暴露声门，并在呼气期间将气管插管推进气管内。
   2. 感受气流是否通畅以确认插管位置正确，并通过听诊检查迷你猪左右两侧胸部的呼吸音。
6. 使用10 mL注射器向气管插管的气囊内注入适量空气 ，并用胶带将插管固定于吻部。
7. 通过气管插管持续输送2.0% 浓度 的异氟烷（一种吸入性麻醉剂）以维持长时间麻醉。检测角膜反射和眼睑反射以确认麻醉效果，并在眼部涂抹眼膏以防干燥。
8. 在麻醉期间，至少每5分钟监测一次心血管系统、呼吸系统和体温，直至迷你猪恢复意识。
9. 脊柱手术前30分钟，缓慢静脉注射头孢唑林30 mg/kg，即第一代头孢菌素类抗生素。
10. 通过静脉通路以5–10 mL/kg/h的速度输注温热（37 °C）生理盐水以维持内环境稳定，并以50 µg/kg/min的速度输注芬太尼以控制疼痛。
11. 脊柱手术结束后，当出现明显强烈的吞咽反射时，进行拔管。
12. 将迷你猪转移至恢复室并持续监测，直至其完全从麻醉中恢复。当迷你猪完全清醒后，提供食物和饮水。
13. 术后前3天每日给予恩诺沙星3 mg/kg作为抗生素，并联合卡洛芬4.4 mg/kg用于镇痛 。
14. 每日监测迷你猪状态，直至拆线。

2. 脊柱外科手术

1. 根据制造商的指南，对经皮螺钉和后路固定系统进行高压灭菌消毒。
2. 将小型猪置于仰卧位，使用剃毛器剃除背部中线左右各约10 cm范围的毛发。用聚维酮碘溶液和70%酒精清洁皮肤。
3. 使用手术刀从腰椎第二棘突至第一骶中嵴做一条纵行正中切口。分离皮下组织和筋膜，暴露棘突尖端。
4. 使用Cobb剥离器在骨膜下将椎旁肌从下方的椎板上剥离。沿棘突和椎板解剖至关节突关节范围为止。
5. 使用磨钻或咬骨钳打开进针点的表层皮质（进针点位于L3至L5双侧乳突下方）。
6. 在开放的进针点插入导向针，使其平行于上终板，并与棘突成20°角。使用C型臂或便携式正位/侧位X线确定理想的进针起始点。
7. 根据X线影像插入椎弓根探针，深度达25 mm。使用椎弓根探针器械通过触诊椎弓根和椎体，确认其完全位于骨内走行路径中。
8. 将六枚椎弓根螺钉分别插入L3至L5已准备好的椎弓根内，直至螺钉头部完全就位。将植入物头部的侧向开口指向预期方向，并使水平位置与连接棒的走向对齐。
9. 将两根连接棒分别插入双侧椎弓根螺钉头部。使用通用把手将套筒和螺母安装至椎弓根螺钉头部。
10. 先使用直头套筒扳手松紧螺母，再使用反向扭矩扳手将其牢固拧紧。
11. 使用便携式正位/侧位X线确认椎弓根螺钉的位置。
    注意：等待小型猪苏醒后，观察其后肢步态模式和运动功能，以判断是否存在螺钉植入不良的情况。
12. 使用带吸引功能的球囊灌洗器，以3 L生理盐水冲洗手术区域。
13. 在手术部位放置硅胶引流管，并将硅胶管末端引出。使用1.0规格可吸收缝线缝合椎旁肌和皮下组织，使用2.0规格不可吸收尼龙缝线缝合皮肤。
14. 用聚维酮碘对缝合部位进行消毒，并使用无菌纱布和胶带覆盖敷料。

3. 收获步骤

1. 术后12周，在耳后侧颈肌区域注射赛拉嗪（2 mg/kg）和氯胺酮（10 mg/kg）进行预麻醉处理。
2. 麻醉后，通过耳缘静脉导管直接注射15 mg/kg氯化钾进行安乐死。
3. 沿既往手术瘢痕处做纵行正中切口，分离软组织及椎旁肌。
4. 暴露腰椎L3至L5节段的棘突、椎板、内固定棒、螺帽及横突结构。
5. 使用反向扭矩扳手拆除螺帽并取出内固定棒。使用摆动锯切开L2-3椎间盘间隙和L5-S1椎间盘间隙。
6. 使用科布剥离器和塔形钳解剖L3-5脊柱的中份及前部双侧结构。取材后若不能立即进行力学测试，应用生理盐水浸湿的纱布包裹标本，并于-20 °C保存。

结果

本文详细描述了一种用于评估经椎弓根螺钉的麻醉、手术及取材操作步骤，采用的是活体猪腰椎模型。in vivo 该方案适用于多种后续分析，包括力学测试（图1）、定量显微CT评估（图2）以及组织学分析（图3）。代表性力学测试结果（图1）显示了螺钉拔出时的平均扭转峰值扭矩，该数值通过力学测试仪反映椎弓根螺钉与骨组织之间的结合强度。本研究评估了三种类型的椎弓根螺钉：未涂层螺钉、羟基磷灰石（HA）涂层螺钉和钛涂层螺钉。每组共采集14枚椎弓根螺钉的数据。结果显示，钛涂层椎弓根螺钉组的平均拔出扭转峰值扭矩更高。

代表性显微CT图像（图2A）显示，可通过显微CT分析程序对感兴趣区域（螺钉全长的内腔空间）进行骨体积分数（图2B1）、骨表面积密度（

讨论

在猪脊柱中评估经椎弓根螺钉需要耗费大量时间和精力。首先，小型猪属于大型动物，其动物护理和麻醉需要专门的方案。其次，手术应维持与人类手术相似的环境，因为在猪脊柱中评估椎弓根螺钉的目的是开发出可用于人类的高效螺钉。第三，评估经椎弓根螺钉的长期稳定性需要在脊柱手术后约三个月进行。因此，椎弓根螺钉固定领域的研究人员需要通过精确规划来标准化实验方案。尽管已有大量关于脊柱模型中椎弓根螺钉的研究开展^9,10,11，尚无研究提供使用经椎弓根螺钉评估的详细方案 体内 猪腰椎模型

尽管目前尚无理想的脊柱人体模型，但由于本实验的性质以及猪脊柱在解剖尺寸和力学特性方面的相似性，猪脊柱模型成为一种替代选择。此外，其成本相对较低。McLain 等¹² 比较了人、猪、绵羊、羊和犬类标本的第四腰椎形态测量学特征，得出结论认为，与其他动物模型相比，...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
小型猪	OrientBio
阿托品	Jeil pharmaceutical	A04900241	麻醉
套管针式塑料导管	BD	REF382412	维持静脉通路
氯胺酮	Yuhan	A04502441	麻醉
赛拉嗪	Bayer Korea	A00800071	麻醉
喉镜	Karl storz		插管
气管内插管	Covidien		插管
异氟烷	JW pharmaceutical Co	A02104781	麻醉
眼膏	Hanlim pharma	A37851721	保护猪的眼睛
头孢唑啉	Donga pharma	A01503951	抗生素
生理盐水	JW pharmaceutical Co	A02151392	维持体液稳态
芬太尼	Hana pharm	C03200032	疼痛控制
恩诺沙星	Bayer	93106-60-6	抗生素
吗啡	Myungmoon pharma	C03700091	疼痛控制
美洛昔康	Boehringer Ingelheim	A07600711	抗生素
聚维酮碘	Hyundai pharma		伤口敷料
15号手术刀片	Braun	I1 BB515	皮肤切口
Cobb剥离器	Codman	65-2546	肌肉分离
骨钻	Medtronic		螺钉起始点制备
咬骨钳	Aesculap	FO515R	螺钉起始点制备
导向针（克氏针）	CE	01067803	螺钉路径引导
C型臂	GE	OEC 9800 plus	螺钉路径引导
便携式X光机	Siemens	Mobile XP hybrid	螺钉路径引导
椎弓根探针	OtisBiotech	SPI-02-01	螺钉路径引导
椎弓根测深装置	OtisBiotech	SPI-03-01	螺钉路径引导
椎弓根螺钉	OtisBiotech	MS-40025
后路固定系统	OtisBiotech
连接棒	OtisBiotech	ROD-60140	螺钉间的刚性固定
通用把手	OtisBiotech	SPI-08-01	将螺钉固定至连接棒
直头套筒扳手	OtisBiotech	SPI-06-01	将螺钉固定至连接棒
反扭矩扳手	OtisBiotech	SPI-07-01	将螺钉固定至连接棒
球形冲洗注射器	Hyupsug medical	HS-IR-140	冲洗
硅胶引流管	Sewon medical	2205-006	引流手术部位液体
3.0规格可吸收缝线	Ethicon	BA1673H	肌肉缝合
2.0规格不可吸收尼龙缝线	Ethicon	W1626T	皮肤缝合
纱布	Kingphar Korea	KP120-06
戊巴比妥	Hanlim pharma	645301221	安乐死
摆动锯	Zimmer		脊柱取材
塔式止血钳	Aesculap	BF461R	脊柱取材