骨水泥修復頸椎前路椎體螺釘釘道的生物力學研究

陳利幫，陳 春，顧 韜

骨水泥修復頸椎前路椎體螺釘釘道的生物力學研究

陳利幫，陳 春，顧 韜

目的 評價聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）修復頸椎前路椎體螺釘釘道的生物力學效果。方法 防腐成人頸椎標本（C3～7）共30個，分3組：正常骨密度組（A組）、骨質疏松組（B組），骨質疏松修復組（C組），各組10個標本，測試疲勞前后的最大軸向拔出力。A、B對照組椎體二側釘孔均放置4mm的椎體螺釘，隨機選擇一側行即時最大拔出力實驗，另一側在疲勞實驗（2Hz，20000次）后行最大拔出力實驗。C組（實驗前需進行螺釘拔松實驗）注入PMMA0.6～1.0mL，并擰入螺釘，隨機選擇一側進行即時和疲勞后最大拔出力實驗。結果 A、B、C組即時拔出力明顯高于疲勞后拔出力，差異具有統計學意義（P＜0.05），C組疲勞后與A組即時拔出力比較，差異無統計學意義（P＞0.05），但高于B組即時拔出力，差異具有統計學意義（P＜0.05）。即時拔出力C組＞A組＞B組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。疲勞后拔出力C組＞A組＞B組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。PMMA注射后未發現釘道滲漏。結論 PMMA釘道修復能夠明顯增強椎體螺釘的即時穩定性和抗疲勞能力，并且安全有效，適用于螺釘松動和拔出的修復固定。

頸椎；聚甲基丙烯酸類；生物力學；內固定器

JSpinalSurg，2015，13（4）：238-242

頸椎前路椎間融合術（anteriorcervicalinterbody fusion，ACIF）是治療頸椎退行性病變的常用術式，以能夠提供堅固的內固定并能獲得自然融合而得到廣泛應用［1-2］。然而對于骨質疏松或需要多節段融合的患者，椎體螺釘要獲得足夠的把持力仍然比較困難。近年來，利用椎弓根的釘道強化技術治療和修復胸腰椎損傷已經有了大量的研究，并且在臨床上得到廣泛應用［3-4］。本研究嘗試使用聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）骨水泥修復頸椎前路椎體螺釘釘道，分析在修復前后、疲勞前后等不同狀態下螺釘的生物力學特點，以期為臨床實施螺釘松脫翻修術提供生物力學依據，為頸椎鋼板前路固定術的技術改良提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 實驗標本

選擇甲醛浸泡10具人尸體頸椎椎體標本（3例健康志愿者，7例老年女性標本），均攝X線片，排除椎體骨折、腫瘤、結核、炎癥和先天性畸形。每具標本取C3～7共5個椎體，采用雙能X線骨密度測量儀（DEXA，LunarProdogy型GE公司美國）測定每具標本C3～7椎體的骨密度（bonemineraldensity，BMD）。分離成單個椎骨，去除纖維環及髓核，使棘突和椎板與牙托粉緊密粘附，保留椎體，制成50個單椎體標本。依據骨密度隨機選擇30個椎骨編號置密封塑料袋中待用。

1.2 實驗材料與儀器

1.2.1 螺釘

頸椎前路單皮質骨自攻實心螺釘（佛山施泰寶外科植入物有限公司），材質為鈦合金。螺釘長12.8mm，螺紋長10mm，螺紋深0.6mm，螺距1.5mm，螺釘尾部直徑4.5mm。按照頸椎前路鋼板置入要求先進行絲攻，然后置入螺釘，置釘角度與頭尾側成15°，置釘深度12mm［5］。

1.2.2 實驗分組及修復方法

按骨密度值將30個椎體平均分為3組：正常骨密度組（A組）、骨質疏松組（B組），骨質疏松修復組（C組）。A和B組（對照組）椎體兩側均絲攻后置入直徑為4mm的實心螺釘，2組椎體釘兩側隨機選擇分別進行直接軸向拔出實驗和屈曲疲勞加載實驗（2Hz，20000次）后行軸向拔出實驗。C組（實驗組）椎體置入實心螺釘進行拔松（BOSE3510-AT顯示達到最大拔出力，馬上停止負荷）后，其中一側用5mL注射器經穿刺針向破壞的釘道注入按比例混合的PMMA（粉：液=3：2）0.3～0.5mL，5min后擰入實心螺釘，為了防止PMMA滲漏到椎孔或椎管里，注射過程均采用手動灌注。室溫下（25℃）放置2h（PMMA在室溫下自行固化的時間約為30min，1h后達最大強度），行拔出實驗。另一側也是按照上述步驟進行，放置1h后先進行屈曲（2HZ，20000次）疲勞實驗后再進行軸向拔出實驗，循環載荷由位移控制以避免產生過大的剪切力。左右側釘道進行處理方式的概率同上［6］，此實驗是為了模擬術后對松動的椎體進行翻修實驗，減少人為誤差，所有標本左右側釘道的處理隨機選擇并保證概率相等。

1.2.3 自制螺釘拔出夾具

制作一個圓柱型雙層套筒（前端弧口直徑4mm，與螺釘尾部正好吻合，高度為2.5mm），總長為80mm。長套筒長為60mm，短套筒長25mm，直徑為10mm，相當于頸椎前路鋼板的高度和螺釘的直徑。在頭端的內面攻入螺紋，然后從尾端旋入螺絲擰緊以固定螺釘尾端。長套筒尾端有兩側孔，其前端弧形豁口與屈曲壓縮連接件（長20mm）形成鉸鏈（南方醫科大學廣東省醫學生物力學重點實驗室制造，見圖1，2）。

圖1 疲勞加載圖Fig.1 Fatigue-testing

圖2 螺釘軸向拔出力圖Fig.2 Axialpullouttesting

1.2.4 循環疲勞實驗

在進行螺釘軸向拔出實驗之前先進行加固與非加固螺釘的周期性屈曲疲勞實驗，以模擬堅固固定后螺釘在體內長期的穩定性。標本固定在自制三維夾具上，使循環載荷力臂軸垂直于椎體螺釘的力臂軸［6］并向鉸鏈處經常噴灑潤滑劑以減少實驗誤差。每個螺釘均放置在長8cm的自制夾具上，通過一個鉸鏈適配器連接與加載力臂桿連接，通過BOSE3510-AT機器加載載荷做屈伸疲勞載荷（2Hz，20000次）。前期學者研究證實軸向上下1.5mm的位移能夠在螺釘尖端產生2N·m的力矩［6-8］。循環載荷以1.5mm位移控制以避免產生過大的剪切力［6］（見圖1）。

1.2.5 軸向拔出實驗

當PMMA注射完畢后，拔出實驗在BOSE3510-AT材料實驗機上通過自制的軸向拔出力裝置進行，單個椎體后部用牙托粉包埋固定于特制的固定臺鉗上，調整固定椎體后部臺鉗的角度，使椎體釘的長軸與實驗機的拉伸方向一致。沿椎體螺釘的長軸方向以0.25mm/min的恒定速度拔出，繪制拔出力—位移曲線，曲線的頂點值定義為螺釘的最大軸向拔出力。當螺釘在拔出過程中拔出力達到最高點并開始下降時即停止拉伸。以載荷變形曲線出現最高點為椎體螺釘拔出破壞的標準，即螺釘的最大軸向拔出力出現下降［6］（見圖2）。

1.2.6 統計學處理

采用SPSS13.0統計軟件進行統計學分析，各組同一標本內即時或疲勞后最大軸向拔出力作配對t檢驗；3組之間疲勞前后的最大軸向拔出力實驗做單因素方差分析（One-WayANOVAN）。所有數據資料以 xˉ±s表示，檢驗水準為α= 0.05。

2 結果

各組疲勞前后拔出力見圖3。A組的BMD值為（0.80±0.09）g/cm2，B組為（0.41±0.16）g/cm2，C組為（0.45±0.11）g/cm2。A組與其他2組相比差異均有統計學意義（P＜0.05）。C組疲勞后拔出力與A組即時拔出力比較，差異無統計學意義（P＞0.05），但高于B組即時拔出力，差異有統計學意義（P＜0.05）。即時拔出力C組＞A組＞B組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。疲勞后拔出力C組＞A組＞B組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。PMMA注射后未發現椎體釘道滲漏（見圖4）。

圖3 各組疲勞前后拔出力Fig.3 Pulloutforceamong3groups

圖4 X線示椎體螺釘置入后未發現PMMA滲漏Fig.4 RoentgenographshowsnoPMMAcementleakageaftervertebral screwinsertion

3 討論

ACIF是治療退行性病變、脊柱創傷、腫瘤等常用術式［9］，盡管ACIF在臨床上行之安全有效，但仍有螺釘松動、脫落或斷裂的病例報道，骨質疏松或多節段損傷患者由于其釘道環境較差更容易發生［10］。其他諸如多節段鋼板固定，翻修過程中反復攻絲或者自、異體骨內植不可靠等也易是造成以上結果的因素［11-12］。目前解決這一問題的方法有強化螺釘材料、改善螺釘內固定系統的設計、改進螺釘置入方法等，其中骨水泥釘道強化技術比較廣泛地應用于臨床［13-14］。Cho等［15］在尸體標本研究中發現，骨質疏松的椎弓根經骨水泥強化后，椎弓根釘的旋出扭矩較初始單純旋入椎弓根釘增加，但＜1N·m，不影響旋出，骨水泥強化后椎弓根釘可安全退出。Blattert等［16］在骨質疏松脊柱上置入中空帶側孔椎弓根釘，PMMA骨水泥強化后測量旋出扭矩，結果發現旋出過程中椎體內骨水泥團塊并不隨釘的旋轉而轉動，旋出扭矩約為非骨質疏松對照組的1/3，但以上所研究的只是翻修螺釘的即時生物力學效果，對于螺釘長期穩定性評價仍然不清楚。

3.1 PMMA骨水泥加固技術

有研究表明PMMA骨水泥螺釘加固技術能夠解決內固定強度不夠的難題，并且操作簡易，固定可靠，機械性能良好，能夠顯著增加椎體螺釘的穩定性，因此螺釘加固技術被廣泛應用于臨床［17］，并取得良好的生物力學效果［4］。目前PMMA加固技術是強化或修復椎體或椎弓根螺釘的常用方法。大量實驗證明PMMA能夠為骨—螺釘界面提供堅固內固定，通過向釘道內注入骨豁合劑可達到改變固定界面、強化螺釘的目的［18-19］。Zindrick等［20］研究表明，不加壓的PMMA可使已剝離的椎弓根螺釘的拔出強度恢復至剝離前的水平，而加壓強化后的拔出強度能達到剝離前的2倍，用PMMA加壓或不加壓強化椎體，最大軸向拔出力分別增加49％和196％。陳躍平等［21］采用16個新鮮椎骨標本進行修復和強化，結果發現最大軸向拔出力分別增加了45％和80％。本研究發現，從PMMA在螺釘周圍分布的形態看，PMMA在椎體內沿釘道呈棒狀分布，螺釘旋入擠壓，注入的PMMA與松質骨交互在一起，擴大了PMMA與骨的界面，增加了螺釘與骨質的拔出力，并且螺釘與PMMA緊密結合，克服了骨—釘界面連接不牢固的缺陷。

3.2 影響椎體螺釘穩定性的因素

軸向拔出實驗是評價不同螺釘把持力的常用方法［3-4，12］，但其只能反映螺釘在體內的即時穩定性，不能評價螺釘在體內長期穩定性情況。螺釘的疲勞松動次數和軸向拔出力是反映椎體螺釘穩定性的良好指標［22］。為模擬頸椎前路手術后加用外固定時的生理應力，本研究進行了周期屈伸疲勞實驗。循環疲勞實驗對骨—螺釘界面破壞很大，研究發現在屈伸循環加載20000次后，破壞實驗導致正常對照組、骨質疏松組的軸向拔出力分別減少37.50％和43.20％。PMMA修復后椎體螺釘的軸向拔出力顯著增加骨—螺釘的固定強度，雖然在疲勞后軸向拔出力減少了32.08％，但仍然高于2個對照組。本研究證實椎體螺釘修復技術與正常對照組相比能夠提供更高的固定強度，為臨床提供一種更好的內固定方法。通過加固椎體螺釘，使最大軸向拔出力增至467.60N，說明PMMA修復骨質疏松椎體螺釘系統能使螺釘穩固性達到甚至超過正常成人的穩定水平，使老年脊柱骨質疏松患者得到堅固固定。本研究前期實驗也證明PMMA加固技術能顯著增加頸椎前路鋼板螺釘系統的即時穩定性和抗疲勞能力，并且提供一種良好的生物力學環境［23］。

本研究對PMMA修復前路椎體螺釘的生物力學效果做了初步評價，但在體內的生物力學特性仍需進一步研究。雖然本研究有許多不足，但結果仍有助于指導臨床診療，且為外科醫生在是否使用PMMA或其他骨水泥上提供決策。本研究為臨床安全實施骨質疏松椎體螺釘翻修術或修復多節段骨質疏松前路鋼板螺釘提供生物力學依據，為頸椎鋼板前路固定的技術改良提供基礎理論依據。

［1］ParkJI，ChoDC，KimKT，etal.Anteriorcervicaldiscectomy andfusionusingastand-alonepolyetheretherketonecagepacked withlocalautobone：assessmentofbonefusionandsubsidence ［J］.JKoreanNeurosurgSoc，2013，54（3）：189-193.

［2］ArtsMP，BrandR，vandenAkkerE，etal.TheNEtherlands CervicalKinematics（NECK）trial.Cost-effectivenessofanterior cervicaldiscectomywithorwithoutinterbodyfusionand arthroplastyinthetreatmentofcervicaldischerniation；adoubleblindrandomisedmulticenterstudy［J］.BMCMusculoskelet Disord，2010，11：122.

［3］KinerDW，WyboCD，SterbaW，etal.Biomechanicalanalysisof differenttechniquesinrevisionspinalinstrumentation：larger diameterscrewsversuscementaugmentation［J］.Spine（PhilaPa 1976），2008，33（24）：2618-2622.

［4］LiuD，ZhangY，ZhangB，etal.Comparisonofexpansive pediclescrewandpolymethylmethacrylate-augmentedpedicle screwinosteoporoticsheeplumbarvertebrae：biomechanicaland interfacialevaluations［J］.PLoSOne，2013，8（9）：e74827.

［5］金大地，朱青安，瞿東濱，等.頸椎前路蝶形鋼板內固定系統的研制及臨床應用［J］.中華骨科雜志，2001，21（4）：205-208.

［6］BurvalDJ，McLainRF，MilksR，etal.Primarypediclescrew augmentationinosteoporoticlumbarvertebrae：biomechanical analysisofpediclefixationstrength［J］.Spine（PhilaPa1976），2007，32（10）：1077-1083.

［7］WallSJ，SoinSP，KnightTA，etal.Mechanicalevaluationofa 4-mmcancellous“rescue”screwinosteoporoticcorticalbone：a cadavericstudy［J］.JOrthopTrauma，2010，24（6）：379-382.

［8］PatelPS，ShepherdDE，HukinsDW.Theeffectofscrewinsertion angleandthreadtypeonthepulloutstrengthofbonescrewsin normalandosteoporoticcancellousbonemodels［J］.MedEng Phys，2010，32（8）：822-828.

［9］RenC，SongY，XueY，etal.Mid-tolong-termoutcomesafter cervicaldiscarthroplastycomparedwithanteriordiscectomyand fusion：asystematicreviewandmeta-analysisofrandomized controlledtrials［J］.EurSpineJ，2014，23（5）：1115-1123.

［10］FrankelBM，D'AgostinoS，WangC.Abiomechanicalcadaveric analysisofpolymethylmethacrylate-augmentedpediclescrewfixation［J］.JNeurosurgSpine，2007，7（1）：47-53.

［11］SongKJ，TaghaviCE，HsuMS，etal.Plateaugmentationin anteriorcervicaldiscectomyandfusionwithcagefordegenerative cervicalspinaldisorders［J］.EurSpineJ，2010，19（10）：1677-1683.

［12］TaniwakiY，TakemasaR，TaniT，etal.Enhancementofpedicle screwstabilityusingcalciumphosphatecementinosteoporotic vertebrae：invivobiomechanicalstudy［J］.JOrthopSci，2003，8（3）：408-414.

［13］章篩林，石志才，張嘩，等.骨水泥椎體強化在骨質疏松患者行椎弓根釘內固定中的應用［J］.脊柱外科雜志，2008，6（2）：95-98.

［14］宋潔富，李利軍，常峰，等.GSS椎弓根螺釘內固定并二期傷椎骨水泥灌注治療胸腰椎骨折［J］.脊柱外科雜志，2012，10（2）：76-78.

［15］ChoW，WuC，ZhengX，etal.Isitsafetobackoutpedicle screwsafteraugmentationwithpolymethylmethacrylateorcalcium phosphatecement？Abiomechanicalstudy［J］.JSpinalDisord Tech，2011，24（4）：276-279.

［16］BlattertTR，GlasmacherS，RiesnerHJ，etal.Revision characteristicsofcement-augmented，cannulated-fenestrated pediclescrewsintheosteoporoticvertebralbody：abiomechanical invitroinvestigation.Technicalnote［J］.JNeurosurgSpine，2009，11（1）：23-27.

［17］唐永超，梁德，江曉兵，等.后路截骨聯合釘道強化術治療陳舊性骨質疏松性胸腰椎骨折并后凸畸形［J］.脊柱外科雜志，2013，11（5）：269-273

［18］ChomaTJ，PfeifferFM，SwopeRW，etal.Pediclescrewdesign andcementaugmentationinosteoporoticvertebrae：effectsof fenestrationsandcementviscosityonfixationandextraction［J］.Spine（PhilaPa1976），2012，37（26）：E1628-1632.

［19］HoppeS，LoosliY，BaumgartnerD，etal.Influenceofscrew augmentationinposteriordynamicandrigidstabilizationsystems inosteoporoticlumbarvertebrae：abiomechanicalcadavericstudy ［J］.Spine（PhilaPa1976），2014，39（6）：E384-389.

［20］ZindrickMR，WiltseLL，WidellEH，etal.Abiomechanical studyofintrapeduncularscrewfixationinthelumbosacralspine ［J］.ClinOrthopRelatRes，1986，203：99-112.

［21］陳躍平，朱勇，劉汝專.磷酸鈣骨水泥加固頸椎前路單皮質骨螺釘的生物力學研究［J］.中國矯形外科雜志，2006，14（9）：674-676.

［22］LimTH，BrebachGT，RennerSM，etal.Biomechanical evaluationofaninjectablecalciumphosphatecementfor vertebroplasty［J］.Spine（PhilaPa1976），2002，27（12）：1297-1302.

［23］陳春，趙衛東，孫培棟，等.釘道強化對頸椎前路椎間融合術式穩定性影響的生物力學研究［J］.中國修復重建外科雜志，2010，24（10）：1174-1179.

Restorationscrewchannelofpediclescrewfixationwithpolymethylmethacrylate：invitrobiomechanicalstudy

CHENLi-bang*，CHENChun，GUTao.*WestAnhuiHealthVocationalCollege，Lu'an237000，Anhui，China

Objective Toevaluatethebiomechanicalefficacyofpolymethylmethacrylate（PMMA）inrestorationscrew channelofanteriorcervicalunicorticalscrewfixation.Methods Thirtyvertebralbodies（C3-7）werefrom10formalinadult corpses（LaboratoryofAnatomy，SouthernMedicalUniversity），and30vertebralbodies（10foreachgroup）wererandomly selectedanddividedinto3groups（A：healthygroup；B：osteoporosisgroup；C：restorationgroup）.Allspecimenswere subjectedtopulloutforcestestingonBose3510-ATfatiguetestingmachine，andmeasurementsweretakenbeforeandafter fatigue.IncontrolgroupsAandB，2pilotholesoneachsideof20vertebralbodieswereimplantedwithvertebralscrews.Eachsiderandomlyreceivedeitheracutepulloutforcesorpulloutforcesbeyondfatiguewhichwasensuredusingcyclical loading（2Hz，20000times）.IngroupC，pilotholesweredrilledparalleltosagittalplane，theninjectedwith0.6-1.0mL ofPMMAbeforethevertebralscrewwasinserted.SimilartogroupsAandB，thesideswererandomlychosentoevaluatacute pulloutforcesandpulloutforcesbeyondfatigue.Results Theacutepulloutforceswereobviouslyhigherthanpulloutforces beyondfatigueineachgroup（P＜0.05）.ComparedpulloutforcesbeyondfatigueofgroupCtoacutepulloutforcesofgroup A，therewasnosignificantdifferences（P＞0.05）.ComparedtoacutepulloutforcesofgroupB，therewassignificant differences（P＜0.05）.Theacutepulloutforces，groupC＞groupA＞groupB（P＜0.05）.Thepulloutforcesbeyond fatigue，groupC＞groupA＞groupB（P＜0.05）.NoPMMAleakagewasfoundinthescrewchannel.Conclusion Restorationscrewchannelofpediclescrewfixationwithpolymethylmethacrylatecanimproveprimarystabilityof screwanditsanti-fatigueability.Itissafeandeffectivetorestoreandfixthescrewlooseandpulled-out.

Cervicalvertebrae；Biocompatiblematerials；Biomechanics；Internalfixators

R318.08

A

1672-2957（2015）04-0238-05

】

10.3969/j.issn.1672-2957.2015.04.011

2015-03-07）

（本文編輯 于 倩）

陳利幫（1974—），碩士，醫師

237000 安徽，皖西衛生職業學院（陳利幫）；溫州醫科大學附屬第一醫院骨科（陳春）；海軍總醫院骨科（顧韜）

陳春 chenchunkk@163.com