椎弓根螺钉固定强度的影响因素和骨质疏松椎体中增加固定强度的方法

文章来源：

骨科临床与研究杂志2018年 第3卷 第1期

文章作者：

李祖昌 崔冠宇 行勇刚 袁强 田伟

作者单位：

100035 北京，北京积水潭医院脊柱外科

20世纪40年代，Michele Krueger首先描述椎弓根外科解剖并经椎弓根进椎体获取活体标本；20世纪50年代，Boucher 利用椎弓根结构打入螺钉，开创了椎弓根螺钉固定技术；20世纪60年代，Roy Camille 通过对椎弓根结构的系列研究，使得椎弓根螺钉固定这一技术得以推广。此后，椎弓根螺钉固定技术被广泛应用于脊柱外科的手术中，成为一种常用的脊柱外科内固定手段。然而，随着这一技术应用的增多，临床随访中发现一些病例存在椎弓根螺钉松动拔出的情况，继而一些学者将目光聚焦于有关椎弓根螺钉拔出的临床或基础研究之上，并在研究的过程中发现了众多针对椎弓根螺钉固定强度的影响因素。本文作者就椎弓根螺钉固定强度的影响因素和骨质疏松椎体中增加固定强度的方法综述如下。

一、螺钉固定强度的评价指标

在众多力学指标中，使用最多的是螺钉的最大拔出力[1]，通过这一指标能够较客观地评价螺钉的固定强度。还有一些学者测量疲劳加载后的拔出力[2]，通过模拟实际情况中螺钉可能受到的各个方向的疲劳应力，在此基础上测量最大拔出力，这样更具有实际指导意义。Schulze等[3]模拟椎体在人行走过程中所受到的载荷，与直接进行轴向拔出力试验相比，这样能更好地反映复杂多变的实际情况。螺钉的刚度(力-位移曲线的斜率)、拔出强度(线性弹性与恒应变硬化的区域交点)、能量吸收值、扭矩、疲劳特性以及拔出次数等也被用来评价螺钉固定强度，来帮助研究固定强度的影响因素。

二、椎弓根螺钉固定强度的影响因素
1.螺钉的设计

螺钉的螺纹、螺距、外形和直径等参数的变化，都会影响螺钉的力学特性，从而影响螺钉的固定强度。Kim等[4]在研究中设计了多种不同形状的螺钉，其中包括螺纹部分的钉体整体外形分别为圆柱形和圆锥形，除外螺纹部分的钉体中心形状分别为圆柱形和圆锥形，螺纹形状分别为“V”形、锯齿形和方形；进行螺钉固定强度的比较，发现钉体整体形状为圆柱形，钉体中心形状为圆锥形且螺纹形状为“V”形时，螺钉的固定强度最大，与其他对照组相比差异均有显著性(P<0.05)。杨惠林等[5]在分析504例椎弓根内固定治疗胸腰椎骨折中的失误和并发症的基础上，同样将螺钉的钉体中心形状改进为圆锥形，经生物力学研究和临床应用证实，这类螺钉具有更好的抗压和抗扭强度，能够提高螺钉的固定强度。

Demir等[6]选取了4.0 mm，5.0 mm和5.5 mm外径的螺钉进行试验，测试其抗扭强度和拉拔强度，发现5.0 mm外径螺钉性能最佳。在试验中作者还创新地在螺钉上钻孔，通过骨的长入以增加螺钉的最大拔出力，并且还发现螺钉上孔的距离越近，且孔与螺钉角度接近90°时，增加的最大拔出力越大，但钻孔越多，螺钉的抗扭强度越差。此前Kueny等[1]发现螺钉外径增加1 mm时，其抗拔出力及抗疲劳应力分别增加24%和5%，这一结论在椎弓根可承受的范围内是可靠的。Matsukawa等[8]在另一项研究中发现，腰椎椎弓根螺钉直径5.5 mm组在固定强度上显著高于直径4.5 mm组，而直径5.5 mm组与直径6.5 mm组在固定强度上并无显著差异，由此提出螺钉的直径应大于5.5 mm，但并未在文中分析原因。所以，螺钉的直径也许对椎体参数和螺钉参数有影响，但并不是越大越好。

关于螺钉的螺距对固定强度的影响， Bianco等[9]在研究中通过比较均匀螺距和非均匀螺距的螺钉固定强度，证实了螺钉的螺距确实与固定强度相关(P<0.05)，但欠缺进一步的研究。

螺钉的种类也影响其固定强度。有学者提出实心螺钉和空心螺钉在固定强度方面会有差异。Leichtle等[1]对实心螺钉和空心螺钉的固定强度进行了研究，发现二者的最大拔出力无统计学差异，但扭矩和剪切力等其他力学指标是否有差异尚有待研究。可膨胀式椎弓根螺钉被证实能显著提高螺钉的固定强度。Liu等[10]将可膨胀式椎弓根螺钉与骨水泥强化的传统螺钉进行比较，发现其拉拔强度及耐受能力与2 ml骨水泥强化后的传统螺钉相当，明显高于传统螺钉。Wu等[11]采用可膨胀式椎弓根螺钉治疗80例合并骨质疏松的腰椎管狭窄患者，平均随访43个月后，融合率(92.5%)显著高于传统螺钉组(80.5%)，松动率(4.1%)也明显比传统螺钉组(12.9%)低，但存在0.4%的螺钉断裂，这一情况在传统螺钉组中并未出现。

螺钉的材料也会对其固定强度产生影响。目前临床上普遍使用的钛合金螺钉与不锈钢螺钉相比，固定强度有所不同。孙常太[12]从组织学和力学上比较了钛合金螺钉和不锈钢螺钉的骨-螺钉界面，用线性截取技术进行双盲计数，计算骨与螺钉表面接触的相对百分比值，发现钛合金的直接接触率(43.8%)明显高于不锈钢材料(29.4%)，这一差异是由钛合金的硬度及特有的金属表面性质决定的，但在其试验中，钛合金螺钉与不锈钢螺钉在最大拔出力方面并无显著性差异，原因可能是螺钉螺纹间持骨量无显著性差异。Eulenberger和Steinemann[13]使用兔子进行胫骨螺钉的动物实验，置入螺钉后12周处死兔子，发现不锈钢螺钉的取出力矩与之前的拧紧力矩相比下降了27%，而钛合金的取出力矩则较之前增加了130%，但椎弓根螺钉方面缺少类似的研究。因此，有关螺钉材料对固定强度的影响目前存在争议，钛合金螺钉随置入时间的延长，也许能更好地发挥其材料优势，获得更好的固定强度。

2.椎体的参数

椎体骨的各项参数也会对螺钉固定强度产生影响。Thiele等[14]为研究骨的具体参数对螺钉固定强度的影响，以尸体骨标本为研究对象，分别测量了股骨整体皮质骨量、皮质骨密度、皮质骨厚度和松质骨密度并进行综合分析，发现螺钉的抗拔出力与整体皮质骨量(r2= 0.867)、皮质骨密度(r2= 0.861)、皮质骨厚度(r2= 0.826)和松质骨密度(r2=0.561)均呈显著线性相关，其中与松质骨密度的相关性明显低于其他3项。以椎体为对象且同时纳入以上4个参数的相关研究尚未见报道。

骨密度因素同样受到关注。Varghese等[15]通过在合成骨上构建3种骨密度(80 kg·m-3，160 kg·m-3，240 kg·m-3)，并比较不同骨密度、不同螺钉插入角度和不同螺钉插入深度对螺钉插入扭矩、最大拔出力、刚度和应变能的影响，发现骨密度是影响椎弓根螺钉固定强度的一个重要因素，对螺钉的插入扭矩(82%)、最大拔出力(76%)、刚度(46%)和应变能(85%)影响最大，并且影响程度高于螺钉插入深度和螺钉插入角度。王春生等[2]对新鲜成年绵羊胸腰椎标本进行不同程度的脱钙处理，之后置钉并比较脊柱活动范围、螺钉的最大拔出力和轴向压缩刚度，发现随着骨密度的降低，螺钉最大轴向拔出力降低，脊柱活动范围增加，轴向压缩刚度降低。

针对骨质疏松微观层面的研究则从微观的角度解释了骨密度影响螺钉固定强度的原因。Ruffoni等[16]建立了描述骨小梁的三维点阵模型，描述微观结构的点阵变化，并测算螺钉拔出强度(线性弹性与恒应变硬化的区域交点)与刚度(力-位移曲线的斜率)。研究发现，对拔出强度影响最大的因素是骨小梁密度的稀薄程度，而对拔出刚度影响最大的因素是骨小梁的丢失程度。李旭升等[17]采用新鲜尸体骨标本测定螺钉置入不同骨量椎体后的最大拔出力，同时分析相应标本的微观参数，最后发现螺钉的最大拔出力与骨体积分数、骨小梁厚度和小梁间隙高度相关。而上述3项骨的微观参数在骨质疏松情况下均明显降低，从而解释了骨质疏松降低螺钉固定强度的原因。

椎弓根的结构特点也会影响螺钉的固定强度。Zdeblick等[18]研究了椎弓根宽度与螺钉拔出力的关系，发现在螺钉直径相同的情况下，椎弓根宽度越大，其螺钉拔出力越小。而Hirano等[19]通过对正常和骨质疏松椎体进行定量CT扫描，测量骨小梁密度、皮质骨厚度、皮质骨密度和椎弓根面积，与螺钉纵向刚度和轴向拔出力关联并进行比较，发现螺钉纵向刚度约80%和轴向拔出力约60%取决于椎弓根的以上参数而不是椎体的参数。因此，置钉过程中对椎弓根的嵌合程度将影响螺钉固定强度。

3.螺钉的置钉参数

螺钉的置钉深度和置钉角度等参数也会对螺钉固定强度产生影响。Varghese等[15]采用合成骨材料测试不同相对置钉深度(70%，85%，100%)对螺钉固定强度的影响，发现随着相对置钉深度的增加，螺钉的插入扭矩、拔出力和刚度等指标都随之增加。Krag等[20]发现椎弓根螺钉在腰椎椎体中出现5 mm的深度差就会产生明显的固定强度差异，轴向拔出力将增加26%。McKinley等[21]也在研究中发现，35 mm螺钉相对于40 mm和45 mm螺钉，要多承受16%的弯曲力矩，固定强度较40 mm和45 mm螺钉弱。但螺钉过长会增加内脏和血管损伤的风险。

陈群等[22]在研究中分别以5°，15°和30°外倾角度打入直径5.5 mm螺钉，测定螺钉最大拔出力及拔出时椎体的破坏情况，发现随着外倾角度的增加，螺钉最大拔出力增加，但角度过大(30°)会增加对椎体的破坏(椎体后缘冠状面断裂)。Varghese等[15]亦发现置钉角度对螺钉最大拔出力造成影响，在2种高骨密度(240 kg·m-3和160 kg·m-3)模型上，螺钉最大拔出力在置钉角度为30°时比0°分别降低34%和41%，但这一影响在骨质疏松(80 kg·m-3)模型上并不显著，只降低了15%。

此外，王广积等[23]研究发现，若螺钉未能一次置入至理想位置，再次置入时扭矩将较之前下降34%，若想要恢复到初次置入时的扭矩，则需要增加螺钉直径。所以，为了增加螺钉固定强度，必须提高一次性置钉的成功率。在置钉过程中，可以适当去除小于螺钉直径的皮质来帮助确定进钉点，这样不会影响螺钉固定强度。但若去除皮质的范围大于螺钉直径，则会降低螺钉固定强度[24]。

4.辅助手段

(1)预先攻丝

关于预先攻丝的方法能否加强螺钉的固定强度目前仍存在争议。Kuhns等[25]在研究中分别比较了预先攻丝在使用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)和未使用PMMA情况下的螺钉抗拔出力，发现在使用PMMA时，预先攻丝能增强54%的拔出力，相反，预先攻丝则会降低52%的拔出力。造成这一结果的原因可能是预先攻丝使得骨水泥能够更好地分布。 Halvorson等[26]发现在正常骨模型上使用手锥和骨钻准备钉道对螺钉拔出强度无明显影响，而在骨质疏松模型上二者则有显著差异，使用5.5 mm丝攻后置入 6.5 mm螺钉，拔出力为400.3 N，而未攻丝组拔出力为350.4 N。所以，是否预先攻丝需结合椎体的具体情况而定。

(2)采用骨加强材料

针对骨质疏松问题，采用骨加强材料如PMMA[27]、磷酸钙[28]和硫酸钙[29]等已被证实可加强骨质疏松椎体中螺钉的固定强度。其中PMMA作为最早应用的骨水泥材料，具有粘稠度低、操作性好、疗效确切和价格便宜等优点，但同样也存在生物相容性差、抗疲劳强度低、聚化时温度高、有细胞毒性、缺少骨传导性和不能降解等缺点[30]。可注射硫酸钙，具有硬化过程中产热少、局部温度低、对周围组织损伤小、能以相应的速率溶解吸收和利于新骨长入等优势。卢海霖等[29]在猪椎骨上进行实验研究，发现硫酸钙填充侧与对照侧相比，螺钉拔出力显著提高(P<0.001)。磷酸钙同样具有硬化过程中产热少和利于新骨长入等优势[28]。但是，PMMA与磷酸钙和硫酸钙这2种材料相比，在固定强度、显影性和近期效果等方面仍具有较大的优势。

针对骨加强材料的剂量和使用方法，也有很多学者展开研究。以使用最多的PMMA为例，不同量的PMMA对不同脊柱节段有不同的加固效果。Leichtle等[1]在研究中对骨质疏松尸体骨标本置钉，分别加入0 ml，1 ml和3 ml PMMA后测量螺钉最大拔出力，发现在下胸椎中，1 ml PMMA足以起到加固作用，而上胸椎和腰椎则需要3 ml PMMA来加固螺钉。Fan等[31]通过比较骨水泥的不同填充程度(100%，75%，50%和25%)对螺钉固定强度的影响，在综合考虑骨水泥渗漏问题后提出最佳骨水泥填充程度为75%。

同一种骨加强材料的不同使用方法也对螺钉的固定强度有影响。以PMMA为例，Costa等[32]在研究中分别采用接触区域逆行预填充、空心有孔螺钉填充、标准PMMA套管填充以及有孔套管逆行预填充的技术与不使用PMMA的对照组进行比较，发现填充PMMA后螺钉的固定强度明显增强，并且采用有孔套管逆行预填充技术效果最好(P=0.001)。

除一些传统的骨加强材料外，一些新型试剂也被证实有效。Fu等[33]采用辛伐他汀局部注射的方法在骨质疏松动物模型上进行试验，发现注射后3个月局部骨密度明显增加(P<0.000 1)，但其置钉强度相关试验有待进一步完善。新型带负电荷硫酸钙和β-磷酸三钙复合骨水泥(geneX骨水泥)在动物实验研究中均被证实降解、吸收和促进骨小梁排列的作用明显优于PMMA，并且螺钉固定效果与PMMA的差异无统计学意义(P<0.05)[34]。

此外，对于何种情况下使用骨加强材料，术者应该有明确的判断。以往双能X线骨密度检查虽然能帮助诊断骨质疏松(DXA的T值降低超过2.5个标准差)，但由于仪器生产厂家可能参照不同的数据库，同时老年脊椎退变和椎体压缩变形可使DXA骨密度升高，这些均会影响骨质疏松的诊断及手术方案的正确选择[35]。而定量CT(QCT)技术由于可以直接测量体积骨密度，分别测算出皮质骨和松质骨密度[36]，不受脊柱退行性变的影响，在脊柱外科显示出独特的优势。Yuan等[37]在研究不同螺钉的固定强度时发现，QCT值与螺钉负载后位移显著相关。Seebeck等[38]也在研究中发现，当皮质骨厚度低于1.5 mm时，松质骨密度与螺钉最大拔出力显著相关(r2= 0.85，P<0.001)。因此，以QCT测量皮质骨密度和松质骨密度，并对二者进行综合比较，有助于指导术中骨加强材料的使用。

(3)使用辅助装置

在使用螺钉的基础上，可增加其他辅助措施，进而加强螺钉的固定强度。最易被接受的辅助措施是双螺钉技术，即在相近位置上打入2枚螺钉。Krishnan等[39]在不同骨密度、不同螺钉置入角度和螺钉再置入等变量下，研究单螺钉与双螺钉技术的固定强度，发现双螺钉在骨质疏松椎体上拔出强度较单螺钉提高78%，在骨密度正常的椎体上提高48%。

Gates等[40]设计了一种锚定装置。该装置包裹在螺钉外部，随着螺钉的旋入而膨胀，从而加强其固定强度，在实验中这一方法被证实比普通螺钉增加了67%的抗拔出力。Tan等[41]使用椎板钩和椎板下钢丝等辅助装置，并证实其螺钉固定强度与骨水泥强化效果相似，能有效增加固定强度。

三、相关因素的有限元分析

有限元分析(finite element analysis,FEA)是采用与数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，用有限数量的未知量去逼近无限数量未知量的真实系统，再通过这一模拟系统求解，进而得出结果。将这一方法应用于“椎弓根螺钉-骨”系统或相似系统中，可以探索螺钉参数等对螺钉固定强度的具体影响。

Bianco等[42]以一名志愿者(欧洲人，性别未知，32岁，75 kg，1.75 m)的L3椎体为基础建模，模拟螺钉拔出过程，探索螺钉相关参数对于固定强度的影响。发现螺钉在拔出过程中经过了线性变化、塑形变化及最后拔出3个阶段。其中螺钉直径对于固定强度的影响最大，其次是螺钉的插入轨迹、螺纹类型和长度。但是，与实体实验有所不同，关于螺纹类型的结果为单螺纹螺钉在拔出过程中比双螺纹螺钉更稳定。Wang等[43]通过有限元分析比较椎弓根螺钉在正常椎体和骨质疏松椎体经骨水泥强化前后的最大拔出力和抗弯曲力，发现正常椎体结果优于骨质疏松椎体，骨水泥加强试验中2.5 ml填充量的固定效果优于1.0 ml。漆伟等[44]通过对L1椎体建模，探索椎弓根螺钉的长度对其固定强度的影响，发现椎弓根螺钉长度在30～50 mm范围内变化时，随着螺钉长度的增加，螺钉-骨复合体模型的骨质部分承担的应力均减小，而螺钉承担的应力则增加；当椎弓根螺钉长度>45 mm时，螺钉-骨复合体模型各部分应力变化不明显。作者由此得出结论：只要骨量允许，临床选择椎弓根螺钉的长度应不小于45 mm。这一结果与置钉深度方面的临床试验结果相似。Shih等[45]在一项有限元分析中得出结论：空心螺钉与实心螺钉相比有较差的弯曲性能，而圆锥形螺钉比圆形螺钉表现出更好的固定能力。

由于不同研究者的建模方式不同，模拟拔出过程时简化模型的方式也不同，因此对于某一项因素的研究结果会有差异，在此不做赘述。如果能统一建模方式或明确不同模型之间的误差矫正方式，将有利于日后综合分析各研究的结果，更全面地通过有限元探讨这一问题。

四、椎弓根螺钉固定失败的原因

椎弓根螺钉固定失败如螺钉断裂、螺钉弯曲和螺钉松动的原因有很多。正是由于有很多关于螺钉固定失败原因的探索，从而推动了增加螺钉固定强度的相关研究。骨折类型、植骨方式、减压方式、内置物的选择与设计、术者的手术技巧、骨质疏松程度、是否存在感染、患者是否合并其他疾病以及术后护理与康复等因素都可能影响椎弓根螺钉固定的结果[46-49]。针对不同的相关因素进行早期干预，能够有效减少椎弓根螺钉固定失败的发生。

五、小结

椎弓根螺钉作为脊柱外科常用的内固定器械，能够很好地稳定脊柱前、中、后三柱，帮助脊柱恢复稳定结构。为了能更好地发挥椎弓根螺钉的固定作用，增加其固定强度，可以从以下几个方面着手：选择钉体整体形状为圆柱形，钉体中心形状为圆锥形，螺纹为不等螺距(前疏后密)的“V”形钛合金螺钉；根据椎体及椎弓根具体解剖情况，在不增加并发症及椎体破坏程度的前提下，选择尽可能大的螺钉直径和长度；提高一次性置钉成功率，选择能够完全嵌合椎弓根结构的进钉点，并增加合适的外倾角；根据患者骨密度决定是否采用攻丝，对于骨质疏松患者，选择适当的骨加强材料及辅助装置来增加螺钉固定强度，并积极开展骨质疏松治疗。同时，有关螺钉固定强度的研究及指南也需不断开展与更新，更个性化的螺钉设计、更精准的置钉方法以及更牢固的骨加强手段将是该领域研究的主要目标。

参 考 文 献（略）

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