骨質疏松癥患者強化內固定穩定的研究進展

經椎弓根螺釘內固定技術在脊椎外科領域應用逐步廣泛，傳統上對于骨質疏松癥患者的治療采用普通的內固定方法，缺少針對性的處理措施，由于骨質疏松患者骨骼變脆弱，錨著力和骨的支撐力不夠堅固，術后承載過大的負荷，內固定-骨界面間的彈性模量較大，造成微骨折和內固定松動、拔出，導致內固定失敗，假關節形成[1] ；影響椎弓根釘把持力的因素主要有螺釘的直徑、長度[2]，螺紋結構[3]、置釘位置[4]、椎體骨密度以及術后承載負荷等，其決定因素是釘-骨界面的強度。對于骨質疏松癥患者，如何提高釘-骨界面強度己成為骨科臨床醫生所面臨的主要難題之一，針對這一項的研究，總結國內外的最新報道做一綜述。

1手術過程中采用的辦法和技巧

術前常規骨密度、X線檢查，顯示有明顯骨量減少，術中會采用適當的措施加強內固定的穩定性，避免內固定松動；例如可增加椎弓根螺釘的長度和直徑，或者調整椎弓根螺釘在椎弓根內位置，這些措施能在一定程度上增加椎弓根螺釘的即刻穩定性，由于椎弓根本身解剖結構的限制，其強化椎弓根螺釘穩定性的效果有限。Brantley等[5]研究指出，在一定范圍內，椎弓根螺釘直徑越大，把持力越強，受椎弓根自身解剖特點的限制，螺釘直徑最大不應超過椎弓根橫截面積80%，否則，椎弓根爆裂骨折的風險將增大。Weinstein等[6]研究發現隨著椎弓根螺釘長度的增加，螺釘內固定的穩定性越好，椎弓根螺釘的長度至椎體前方骨皮質但未穿透時，固定強度增加17%，穿透椎體前方骨皮質1到2個螺紋，固定強度可增加22%～26%，但穿透椎體前緣皮質后損傷椎體前方的血管的機率將大幅度增加，尤其在胸椎應避免選擇過長的螺釘。王正等[7]比較了長度45 mm的螺釘與35 mm的螺釘抗拔出性能及抗側方壓力性能，結果表明，45 mm的螺釘比35 mm的螺釘最大軸向拔出力增加了11%，抗側方壓力增加了16%。在置釘過程中，螺釘的植入角度不同，穩定性也有所差異。螺釘與矢狀面成角植入同平行植入相比較，前者的最大拔出力較后者增加20%，拔出位移減少7%，能量吸收值增加了18%。相反，Sterba等[8]通過試驗測量并比較與椎體矢狀面成不同角度植入的螺釘的穩定性，研究結果表明，在周期載荷試驗中，螺釘植入方向與椎體矢狀面平行時，產生的位移最小，與矢狀面平行置釘的穩定性優于成角度置釘。Barber等[9]和Cook等[10]測試并評價了螺釘植入角度與軸向拔出力之間的關系，結果表明，螺釘與矢狀面成一定的角度，最大軸向把持力明顯提高。一定范圍內向上、下傾斜靠近椎體的終板，能夠提高把持力，并且可降低螺釘承受的彎曲剪力。Suzuki等[11]認為，腰椎內固定系統加用橫聯可提高最大軸向拔出力，此方法僅適用于骨密度（Bone mineral density BMD）>90ms/cm2的椎體。嚴重骨質疏松時，使用橫聯效果不明顯，證實橫聯在重度骨質疏松椎體上強化穩定作用有待進一步實驗證實。

2 改善釘-骨界面強度

釘道周圍骨質疏松時，在釘道內添加自體骨、異體骨碎塊或其他骨替代物來增強螺釘的瞬時穩定性，由于螺釘的活動，植骨容易被吸收，遠期強化效果不滿意。聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA），釘道內填充PMMA，椎弓根螺釘的抗拔出力和抗屈強度能顯著提高，增強OP條件下椎弓根螺釘內固定的穩定性，是目前臨床上常用的固化材料之一[12，13]。PMMA在應用過程中也存在一些缺陷：① 、PMMA硬度遠遠高于骨質硬度，和周圍骨質力學性能的不匹配，臨界部位的微骨折風險機率增加，遠期效果不理想；②、PMMA不能降解，無骨誘導活性，不能被新生骨替代，體內長期置留產生毒性反應和致癌作用；③、PMMA與骨組織間有一層結締組織膜，形成二次界面，長期負荷下造成螺釘的松動和移位；④、PMMA在固化時發熱反應，容易損傷周圍組織，如脊髓、神經、大血管等風險[14～16]，漏至骨折部位可導致骨折不愈合；因此PMMA在臨床應用受到一定程度限制。

為了避免上述風險，近年來人們越累越多的關注新型可注射生物型骨水泥，它的強度與骨質的強度接近，且具有良好的生物相容性、凝固時無發熱反應；具有PMMA所沒有的骨生物活性，能隨著新骨長入逐漸被吸收替代，其中以磷酸鈣骨水泥和硫酸鈣水泥的應用較為普遍。生物型骨水泥強化效果較PMMA差，理化性能不穩定、固化時間長，延長手術時間，給臨床操作帶來不便。另外，生物骨水泥遠期穩定尚不確切，亦需進一步研究論證。

3 改進螺釘設計

Hsu等[17]研究表明，主體錐形螺釘的最大軸向拔出力比柱形螺釘的高。譚映軍等[18]比較了外錐形椎弓根螺釘和內錐形椎弓根螺釘的最大拔出力，結果表明外錐形螺釘的最大拔出力較內錐形螺釘高。McKoy等[19]設計了帶側孔的套管螺釘，經PMMA強化后其拔出力比標準螺釘的拔出力增加了278%。Herbert等[20]提出了雙螺紋螺釘的概念。Mummaneni等[21]在尸體腰椎進行相關的生物力學研究發現，與單螺紋螺釘相比，其最大軸向拔出力提高不明顯，僅旋入扭矩比普通單螺紋螺釘略有提高。通過在螺釘上添加螺紋來提高螺釘穩定性并不可行。楊述華等[22]設計了空心側孔螺釘，并進行相關力學試驗，結果表明，在最大抗折彎力、彈性模量和能量吸收值等強度指標無明顯下降的情況下，沿空心側孔螺釘的中空部分注入PMMA，最大拔出力比普通螺釘顯著提高；抗屈試驗中，添加PMMA可使空心側孔螺釘在同等負荷范圍內僅產生較小的位移，并能減少PMMA溢出的風險。此方法強化效果顯著，PMMA外溢風險降低，釘內和釘道內PMMA緊密相連，從釘內到釘外嚴密包裹，導致取釘困難。Fini等[24]Sanden等[25]、和Hasegawa等[25]設計了帶有羥基磷灰石涂層的椎弓根螺釘，羥基磷灰石涂層能誘導骨長入，可有效地提高螺釘的把持力，螺釘的旋入扭矩和拔出力都明顯增加。王祥善等[26，27]、分別設計了膨脹式椎弓根螺釘（expandable pedicle screw，EPS），行了相關力學實驗，結果表明，其最大軸向拔出力明顯高于常規椎弓根螺釘；EPS的特點是在不增加椎弓根處螺釘直徑的情況下，使椎體內的螺釘膨脹，螺釘前端膨脹與周圍骨質間相互擠壓，并增大螺釘與骨質的接觸面積，提高螺釘的穩定性，開創了增強內固定穩定的一種新思維。吳子祥等[28]在新鮮小牛椎體上，進行相關生物力學研究。證實EPS具有較好的固定可靠性，在椎體內EPS膨脹的爪與界面的骨質形成了釘-骨絞鎖固定的模式，同時EPS膨脹段對周圍骨質的擠壓共同提高了螺釘的穩定性。EPS無論是\"兩爪\"還是\"四爪式\"結構都存在術后取釘困難，容易出現螺釘外鞘的折斷，尤其是在螺釘開始膨脹的部位，這與EPS在膨脹部位螺釘的應力開始減弱有關。

綜上所述，在骨質疏松條件下，既能有效降低手術并發癥，減少不必要的損傷，又能達到理想的長期穩定性，是需要我們進一步研究解決的問題。隨著生物材料的不斷研發，新型生物材料在強化椎弓根動態穩定性將會有廣闊的前景。

參考文獻：

[1]Okuyama K，Sato K， Abe E， et al. Stability of transpedicle screwing for the osteoporotic spine.An in vitro study of the mechanical stability[J]. Spine， 1993， 18（15）：2240 - 2245.

[2]M ck inely TD，M clain RF ，Y erb y SA ，et a1.C haracteristics of pedicle screw loading.Effect of surgical technique on intravertebral anaintrapediclar bending moments [J].Spi ne， 19 99，24 （1） ： 18.

[3]Tan Y ing-jun，Pan Xian-rain，Cheng Qian- Y，.et a1.Experimental testing and comparison of variable in transpediclar screw fixation [J]. J Bone Joint Inj， 2001，16（6）； 441.

[4]Lill C A ，Schlege 1 U .W ah l K ，et a1.Comparison of the in vitro holding strength s of conical and cylindrical pedicle screw s in a fully inserted setting and back Out 180 degrees [ -In p rocess Citation[J]. J S pi ne Disord ，2000 ，13（3） ： 2 5 9.

[5]Brantley AG，Mayfield JK.The effects of pedicle screw fit.An in vitro study[J]. Spine，1994，19（15）：1752-1758.

[6]Weinstein JN，Spratt KF，Spengler D，et a1.Spinal pedicle fixation：reliability and validity of roentgenogram-based assessment and surgical factors on successful screw placement[J]. Spine，1988，13（9）：1012-1018.

[7]王正，沈國平，陳偉兵，等.椎弓根螺釘內固定穩定性的生物力學測試[J].醫用生物力學，2002，17（2）：80.84.

[8]Sterba W，Kim DG， Fyhrie DP，et al.Biomechanical analysis of differing pedicle screw insertion angles[J]. Clin Biomech，2007，22 （4）：385-391.

[9]Barber JW，Boden SD，Ganey T，et a1.Biomechanical study of lumbar pedicle screws does convergence affect axial pullout strength[J].J Spinal Disord Tech，1998，11（3）：215-220.

[10]Cook SD，Salkeld L，Whitecloud III S，et a1.Biomechanical evaluation and preliminary clinical experience with an expandable pedicle screw design[J]. J Spinal Disord Tech，2000，13（3）：230-236.

[11]Suzuki T，Abe E，Okuyama K，et a1.Improving the pullout strength of pedicle Screws by screw coupling[J]. J Spinal Disord，2001，14（5）：399-403.

[12]Chang MC，LiuCL，Chen TH.Polymethylmethacrylate augmentationof pedicle SCreW for

Osteoporotic spinal surgery：a noveltechnique[J]. Spine，2008，33（10）：317-324.

[13]BurvalDJ，McLalnRF，Milks R，e1.e1.Primary pedicle screw augmentation in osteoporotic lumbar vertebrae：biomechanieal analysis of pedicle fixation strength[J]. Spine，2007，32（10）：1077-1083.

[14]Konno S，lrmrker K，Byrod G，et al. The European Spine Society AcroMed Prize1994.Acute thermal nerve root injury[J]. Eur spine J，1994，3（6）：299-302.

[15]Wilkes RA，Mackinnon JG，Thomas WG.Neurological deterioration after cement injection into a vertebral body[J].The Journal of Bone and Joint Surgery（Br），1994，76（1）：155-155.

[16]吳子祥，雷偉，等.膨脹式椎弓根螺釘脊柱后路內固定生物力學測試[J].醫用生物力學，2004，19（2）：98-102.

[17]Hsu CC，Chao CK，Wang JL，et a1.Increase of putout strength of spinal pedicle screws with conical core：biomechanical tests and finite element analyses[J]. J Orthop Res，2005.23（4）：788-794.

[18]譚映軍.潘顯明，陳乾，等.內錐及外錐形椎弓根螺釘的生物力學研究[J]骨與關節損傷雜志，2001.16（6）：44l-443

[19]McKoy BE，An YH.An injectable cementing screw for fixation in osteoporotic bone[J]. J Biomed Mater Res.2000.53（3）：216-220.

[20]HerbertTJ，Fisher WE.Management of the fractured scaphoid using a new bone screw[J]. J Bone Joint Surg [Br]，1984，66（1）：114-123.

[21]Mummaneni PV，Hnddock SM，Liebschner MA，et a1.Biomechanical evaluation of a double-threaded pedicle screw in elderly vertebrae.J Spinal Disord Tech，2002，i5（1）：64-68.

[22]楊述華.胡勇，陳中海，等.空心側孔椎弓根螺釘添加聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥的生物力學研究[J].中華創傷雜志，2002，18 （1）：17-22.

[23]Fini M，Giavaresi G，Greggi T， et a1.Biological assessment of the bone.Screw interface

After insertion of uncoated and hydroxyapatite-coated pedicular screws in the osteopenic sheep.J Biomed Mater Res，2003，66（1）：176-183.

[24]Sanden B，Olerud C，Petren-Mallmin M，et a1.Hydmxyapatite coating improves fixation 0f pedicle screws.A clinical study.J Bone Joint Surg [Br]，2002，84（3）：387-391.

[25]Hasegawa T，lnufosa A，Imai Y.et al.Hydroxyapatite-coating of pedicle screws improves Resistance against pull-out force in the osteoporotic canine lumbar spine model：a pilot study[J]. Spine J，2005，5（3）：239-243.

[26] 王祥善，孫保國，劉建民，等.膨脹式椎弓根螺釘在骨質疏松椎體的生物力學研究[J].實用診斷與治療雜志，2005，19（8）：552-554.

[27] 王祥善，鮑朝輝。趙衛東.等.膨脹式脊柱內固定系統椎弓根螺釘翻修作用的生物力學研究[J].中國脊柱脊髓雜志，2005，15（7）：436-439.

[28] 吳子祥，雷偉，李明全。等.膨脹式脊柱椎弓根螺釘固定的生物力學研究[J].中國脊柱脊髓雜志，2004，14（11）：669-672.

編輯/王海靜