研究背景椎弓根钉棒内固定系统在脊柱相关的退变、创伤、畸形、肿瘤等疾病治疗中广泛应用,对其结构和材料的改良创新一直是脊柱外科领域的研究热点。胸腰段脊柱骨折是最常见的脊柱创伤,后路椎弓根螺钉内固定术是当下胸腰椎骨折主流的手术方式。胸腰椎骨折易导致伤椎椎体压缩及局部节段的后凸畸形,但目前椎弓根螺钉复位骨折的原理仍是通过安装连接棒时借助器械进行轴向撑开或加压的方式实现矫形,有研究表明目前常用的椎弓根螺钉系统对脊柱后凸的矫正能力不佳,还有研究发现目前的椎弓根螺钉系统在术后维持伤椎高度及cobb角上存在不足。针对目前椎弓根螺钉在骨折复位中存在的问题,设计一种用于胸腰椎骨折复位矫形的新型椎弓根螺钉系统。研究目的设计制造一种可用于胸腰椎骨折复位及后凸矫形的新型椎弓根螺钉系统（后续简称新型螺钉）,并通过有限元分析、力学测试验证该螺钉设计的有效性及可靠性。研究方法1、新螺钉研制:综合分析现有椎弓根螺钉系统在胸腰椎骨折复位中存在的不足,设计一种新型椎弓根螺钉系统,可在放置连接棒时通过锁紧螺帽自动恢复骨折椎体的前柱高度,进而矫正局部节段的后凸畸形。2、有限元分析:依据病例影像资料建立胸腰椎骨折的有限元模型,并在该模型上分别装配普通螺钉系统及新型螺钉系统,在装配过程中对比观察新型螺钉的矫形效果。然后通过设置载荷,对比两种螺钉系统置入模型在前屈、后伸、侧弯、旋转等不同工况下的椎体应力、器械应力、器械位移等数据,分析新型螺钉置入后是否具有应力上的优势。3、力学测试:为验证新型螺钉的结构设计是否可行,验证其螺帽锁紧过程能够产生多大的轴向撑开力,并进一步验证螺帽固定后是否会成为力学薄弱点,在本部分通过螺帽锁紧力学强度测试,撑开力度测试以及动态压弯疲劳测试三项实验对其力学性能进行检验。研究结果1、本研究设计了一种新型胸腰椎后凸矫形椎弓根螺钉内固定系统,螺钉设计已经获专利授权。新型螺钉由螺钉体、螺钉尾、两片带有内螺纹的叶片和螺帽组成。其特点是螺钉尾端及螺帽内下压块具有对应的带有斜度的连贯坡面,可在拧紧螺帽时通过两个斜面与连接棒的结合自动产生轴向撑开力,恢复骨折椎体的前柱高度,进而矫正局部节段的后凸畸形。2、有限元分析结果:本部分建立了L1椎体骨折模型,并在此基础上分别装配普通螺钉和新型螺钉,建立了两种椎弓根螺钉系统内固术后模型,在构建模型的过程中证明新型螺钉具备后凸矫形能力。通过有限元力学分析,新型螺钉置入术后模型的伤椎应力更低,新型螺钉相比普通螺钉置入后器械可承受更多载荷,并且其内凹面设计增加了同连接棒之间的接触面,起到了分散应力的作用。新型螺钉的力学承载和传导能力具有优势,能有效降低骨折损伤椎体受力,降低二次骨折风险。3、力学测试结果:新型螺钉螺帽锁紧时的扭矩与普通螺钉无统计学差异,在平均值更大的情况下未出现结构失效,其螺帽结构能够承受锁紧连接棒所需的应力强度。新型螺钉的轴向撑开力度测试最大值为125.83Nm。通过动态压弯疲劳测试,新型螺钉的抗疲劳性能达到了临床应用的标准。结论本研究设计了一种新型胸腰椎后凸矫形椎弓根螺钉,可在安装连接棒固定时通过两个斜面与棒的结合自动产生轴向撑开力,进而实现撑开前柱、矫正后凸的效果。经有限元分析和力学测试,该螺钉矫形复位能力和力学性能与普通椎弓根螺钉相比具有优势,新型螺钉的设计是有效可靠的。