骨质疏松患者骨水泥强化内固定系统的生物力学特征

doi:10.12307/2023.456

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

钉道强化：使用黏合物质连接螺钉与钉道，加强椎体钉道对椎弓根螺钉的把持力，提高固定系统稳定性。临床上使用的主要有2种，一种是将骨水泥注射进椎体钉道内，在骨水泥固定前，插入实心螺钉，使骨水泥附着在钉体表面；另外一种是在椎体内插入空心螺钉，钉头处开有小孔，骨水泥通过空心通道注射进入后，从小孔处扩散进入椎体。
骨水泥：螺钉与钉道的黏合剂，临床上主要有生物相容性较差的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥与生物相容性较好的磷酸钙骨水泥2种，能够起到改善椎弓根螺钉与骨质疏松椎体钉道的受力情况，降低了后路固定手术时骨质疏松症引起的不良后果。

背景：进行椎间融合手术患者伴有骨质疏松症的比例较高，骨质疏松症会对钉棒系统固定效果造成不良影响，如螺钉松动率上升、椎间融合手术失败等，骨水泥钉道强化手术有力改善了这一问题。
目的：通过有限元方法比较低骨密度情况下不同骨水泥钉道强化固定后腰椎的生物力学变化。
方法：依据提取CT图像建立L4-5椎体功能单元人体有限元模型，设置所有椎体骨材料为骨质疏松状态，分别建立无骨水泥钉道强化、全部骨水泥钉道强化、L4椎体骨水泥钉道强化、单侧骨水泥钉道强化、交叉骨水泥钉道强化模型，L5节段下表面固定，L4节段上表面施加500 N的垂直向下的载荷及7.5 N·m的力矩，检测钉棒系统、椎体钉道及骨水泥团的von-Mises应力。
结果与结论：①相较于无骨水泥钉道固定组，骨水泥强化各组对于钉棒系统的von-Mises应力影响十分微小；②骨水泥强化各组钉道
von-Mises应力在整体上小于无骨水泥钉道固定组，其中较为显著的为全部骨水泥钉道强化组；与全部骨水泥强化组效果相近的是交叉骨水泥强化组，单侧骨水泥固定组钉道von-Mises应力下降幅度次于交叉骨水泥固定组，L4椎体骨水泥钉道强化组对于钉道von-Mises应力的下降效果不明显，且在侧弯与旋转时钉道von-Mises应力超过无骨水泥钉道固定组；③各种运动状态下，全部骨水泥钉道强化组骨水泥
von-Mises应力为最小值，单侧骨水泥钉道强化组与交叉骨水泥钉道强化组骨水泥von-Mises应力略微大于全部骨水泥强化组；④结果显示，骨水泥钉道强化技术有效降低了钉棒固定系统对椎体钉道产生的应力集中效应，优化了内固定系统的应力分布，降低了螺钉相对于椎体松动的风险；不同的骨水泥钉道强化方式效果不同，但整体趋势为钉道应力的降低，其中最为有效的固定方式为全部骨水泥钉道强化与交叉骨水泥钉道强化。
https://orcid.org/0000-0002-2278-4315(聂文忠)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 腰椎, 应力分析, 有限元, 骨质疏松, 钉道强化, 骨水泥, 稳定性

Abstract: BACKGROUND: In patients undergoing interbody fusion surgery, the proportion of patients with osteoporosis is increasing. Osteoporosis has an impact on the fixation effect of screw rod system, such as extraction of pedicle screw, failure of interbody fusion surgery, and so on. The use of bone cement screw channel augmentation surgery has effectively improved this problem.
OBJECTIVE: To compare biomechanical changes of lumbar spine strengthened with different bone cement nail channels under the condition of low bone mineral density by finite element method.
METHODS: A finite element model of L4-5 vertebral body functional unit was established according to the extracted CT images. All vertebral body bone materials were set as osteoporotic state. Models of non-cemented screw channel augmentation, all-bone cement screw channel augmentation, L4 vertebral body bone cement screw channel augmentation, unilateral bone cement screw channel augmentation, and cross bone cement screw channel augmentation were established. The lower surface of the L5 segment was fixed. The upper surface of the L4 segment was subjected to a vertical downward load of 500 N and a moment of 7.5 N•m. The von-Mises stresses of the screw rod system, vertebral body screw channel and bone cement mass were detected.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with the non-cemented screw channel fixation group, the effect of the bone cement augmentation groups on the von-Mises stress of the screw-rod system was very small. (2) The von-Mises stress of the bone-cemented screw channel in each group was generally smaller than that of the non-cemented screw channel group; the more significant one was the all-bone cement screw channel augmentation group. All-bone cement screw channel augmentation group had a similar effect to the cross bone cement augmentation group. The decrease of von-Mises stress in the unilateral bone cement screw channel augmentation group was lower than that of the cross bone cement augmentation group. The L4 vertebral bone cement screw channel augmentation group had no obvious effect on the reduction of the screw channel von-Mises stress, and the screw channel von-Mises stress was higher than that of the non-cemented screw channel fixation group during scoliosis and rotation. (3) Under various motion states, the von-Mises stress of bone cement in all-bone cement screw channel augmentation group was the minimum value. The von-Mises stress of bone cement in the unilateral bone cement screw channel augmentation group and the cross bone cement screw channel augmentation group was slightly greater than that of the all-bone cement screw channel augmentation group. (4) These results showed that the bone cement screw channel augmentation technology effectively reduces the stress concentration effect of the screw rod fixation system on the vertebral screw channel, optimizes the stress distribution of the internal fixation system, and reduces the risk of screw loosening relative to the vertebral body. The effects of different bone cement screw channel augmentation methods are different, but the overall trend is the reduction of screw channel stress. Among them, the most effective fixation methods are all-bone cement screw channel augmentation and cross bone cement screw channel augmentation.

Key words: lumbar vertebra, stress analysis, finite element, osteoporosis, screw channel augmentation, bone cement, stability

中图分类号:

聂文忠, 蒋光普, 韩笑, 徐威. 骨质疏松患者骨水泥强化内固定系统的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(21): 3287-3292.

Nie Wenzhong, Jiang Guangpu, Han Xiao, Xu Wei. Biomechanical characteristics of bone cement augmentation internal fixation system in patients with osteoporosis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3287-3292.

图/表（结果） 7

2.1 各组模型钉棒系统的von-Mises应力在正常L4-5腰椎的有限元模型施加载荷后，分析比较脊柱的活动范围，与文献[7]腰椎模型活动度相比，发现此次研究中的腰椎模型活动度与文献中腰椎活动度趋势相同且数值相近，结果见图3，可以用于后续研究。

2.2 各组模型钉棒系统的von-Mises应力 5组模型不同状态下的钉棒系统von-Mises应力测量结果见表3。将无骨水泥钉道固定组作为对照组可以发现，骨水泥的数量与固定方式对于钉棒系统von-Mises应力的影响十分微小，在前屈后伸侧弯旋转等椎体活动状态下的数值相近，表现出的变化趋势为进行骨水泥钉道固定的钉棒系统的von-Mises应力普遍高于单纯双侧椎弓根螺钉固定。5组模型不同状态下的钉棒系统von-Mises应力云图如图4所示。

2.3 各组模型椎体钉道的von-Mises应力 5组模型不同状态下的钉道von-Mises应力测量结果见表4。将无骨水泥钉道固定组作为对照组，发现经过骨水泥强化钉道的von-Mises应力在整体上小于对照组，其中较为显著的为全部骨水泥钉道强化组，在前屈时钉道von-Mises应力下降了74.4%，后伸时下降了64.6%，侧弯时下降了66.9%，旋转时下降63.8%，钉道von-Mises应力下降十分明显；与全部骨水泥强化组效果相近的是交叉骨水泥强化组，在前屈时钉道von-Mises应力下降了53.7%，后伸时下降较少，为5.5%，侧弯时下降了24.6%，旋转时下降了9.7%；单侧骨水泥固定组的钉道von-Mises应力下降幅度次于交叉骨水泥固定组，L4椎体骨水泥钉道强化组对于钉道von-Mises应力的下降效果不明显，且在侧弯与旋转时钉道von-Mises应力超过对照组。5组模型不同状态下的钉道von-Mises应力云图如图5所示。

2.4 各组模型骨水泥团von-Mises应力 4组模型不同状态下的骨水泥von-Mises应力测量结果见表5。在各种运动状态下，全部骨水泥钉道强化组骨水泥von-Mises应力为最小值，单侧骨水泥钉道强化组、交叉骨水泥钉道强化组骨水泥von-Mises应力略微大于全部骨水泥强化组，值得注意的是，L4椎体骨水泥钉道强化组在前屈与旋转时骨水泥von-Mises应力分别上升了22.6%与36.5%。4组模型不同状态下的骨水泥von-Mises应力云图如图6所示。

参考文献

[1] LANGDAHL BL. Overview of treatment approaches to osteoporosis. BRit J Pharmacol. 2021;178(9):1891-1906.
[2] DING H, HAI Y, LIU Y, et al. Cortical Trajectory Fixation Versus Traditional Pedicle-Screw Fixation in the Treatment of Lumbar Degenerative Patients with Osteoporosis: A Prospective Randomized Controlled Trial. Clin Interv Aging. 2022;17:175.
[3] HUANG D, YING J, XU D, et al. Comparison of percutaneous kyphoplasty with or without pedicle screw fixation in osteoporotic thoracolumbar vertebral fractures: a Retrospective Study. Dis Markers. 2021;2021:4745853.
[4] KANIS JA, COOPER C, RIZZOLI R, et al. European guidance for the diagnosis and management of osteoporosis in postmenopausal women. Osteoporosis Int. 2019;30(1):3-44.
[5] WANG Y, YANG L, LI C, et al. The Biomechanical Properties of Cement-Augmented Pedicle Screws for Osteoporotic Spines. Glob Spine J. 2022;12(2):323-332.
[6] PINTAR FA, YOGANANDAN N, MYERS T, et al. Biomechanical properties of human lumbar spine ligaments. J Biomech. 1992;25(11):1351-1356.
[7] SHIM CS, PARK S W, LEE SH, et al. Biomechanical evaluation of an interspinous stabilizing device, Locker. Spine J. 2008;33(22):E820-E827.
[8] YANG SC, LIU PH, TU YK. Pullout evaluation of sawbone experiment in different types of pedicle screws combined with bone cement augmentation for severe osteoporotic spine. Acta Bioeng Biomech. 2018;20(2):55-64.
[9] TANG YC, GUO HZ, GUO DQ, et al. Effect and potential risks of using multilevel cement-augmented pedicle screw fixation in osteoporotic spine with lumbar degenerative disease. BMC Musculoskel Dis. 2020; 21(1):274.
[10] CHEVALIER Y, MATSUURA M, KRÜGER S, et al. The effect of cement augmentation on pedicle screw fixation under various load cases: results from a combined experimental, micro-CT, and micro-finite element analysis. Bone Joint Res. 2021;10(12):797-806.
[11] HUANG H, ZHANG K, CHENG X, et al. Finite Element Analysis of Lumbar Interbody Fusion with Stent-Bone Granule-Absorbable Bone Cement. Int J Spine Surg. 2021:E184-E188.
[12] OSHTORY R, HARRIS JA, PATEL PD, et al. Lumbar intervertebral spacer with cement augmentation of endplates and integrated screws as a fixation device in an osteoporotic model: an in vitro kinematic and load-to-failure study. Int J Spine Surg. 2021;15(2):324-333.
[13] XIAO Q, ZHAO Y, QU Z, et al. Association Between Bone Cement Augmentation and New Vertebral Fractures in Patients with Osteoporotic Vertebral Compression Fractures: A Systematic Review and Meta-Analysis. World Neurosurg. 2021;153:98-108.e3.
[14] TAN JS, SINGH S, ZHU QA, et al. The effect of cement augmentation and extension of posterior instrumentation on stabilization and adjacent level effects in the elderly spine. Spine J. 2008;33(25):2728-2740.
[15] GUO HZ, TANG YC, GUO DQ, et al. The cement leakage in cement-augmented pedicle screw instrumentation in degenerative lumbosacral diseases: a retrospective analysis of 202 cases and 950 augmented pedicle screws. Eur Spine J. 2019;28(7):1661-1669.
[16] WILKES R, MACKINNON J, THOMAS W. Neurological deterioration after cement injection into a vertebral body. J Bone Joint Surg Br. 1994;76(1): 155-155.
[17] MILLS S, PIZONES J, RUEDA LRM, et al. Cardiac Cement Embolism After Thoracic Kyphoplasty: Successful Conservative Treatment With 4-Year Follow-Up. Int J Spine Surg. 2022;16(1):27-32.
[18] EL SAMAN A, MEIER S, SANDER A, et al. Reduced loosening rate and loss of correction following posterior stabilization with or without PMMA augmentation of pedicle screws in vertebral fractures in the elderly. Eur J Trauma Emerg Surg. 2013;39(5):455-460.
[19] KARLIN LI, MCCLUNG A, JOHNSTON CE, et al. The growth-friendly surgical treatment of scoliosis in children with osteogenesis imperfecta using distraction-based instrumentation. Spine Deformity. 2021;9(1): 263-274.
[20] 王鹏,王健,胡勇,等.下腰椎融合术后路单, 双侧椎弓根固定的有限元比较研究[J].中国临床解剖学杂志,2016,34(3):331-337.
[21] HÖCH A, SCHIMPF R, HAMMER N, et al. Biomechanical analysis of stiffness and fracture displacement after using PMMA-augmented sacroiliac screw fixation for sacrum fractures. Biomed Tech (Berl). 2017; 62(4):421-428.
[22] LIU YY, XIAO J, YIN X, et al. Clinical efficacy of bone cement-injectable cannulated pedicle screw short segment fixation for lumbar spondylolisthesis with osteoporosise. Sci Rep. 2020;10(1):3929.
[23] KANNO H, ONODA Y, HASHIMOTO K, et al. Innovation of Surgical Techniques for Screw Fixation in Patients with Osteoporotic Spine. J Clin Med. 2022;11(9):2577.
[24] LIU Z, LIANG H, SUN W, et al. Risk factors for local bone destruction progression in palliative percutaneous vertebroplasty for vertebral metastases and the significance of bone cement filling rates. Pain Physician. 2021;24(1):E101-e109.
[25] FAN J, LIU T, DONG X, et al. Effect of Zoledronic Acid on the Vertebral Body Bone Mineral Density After Instrumented Intervertebral Fusion in Postmenopausal Women With Osteoporosis. Glob Spine J. 2021: 21925682211027833.
[26] ZHANG W, LI L, ZHOU X, et al. Concurrent Treatment with Vitamin K2 and D3 on Spine Fusion in Patients with Osteoporosis-Associated Lumbar Degenerative Disorders. Spine J. 2022;47(4):352-360.
[27] TANI S, ISHIKAWA K, KUDO Y, et al. The effect of denosumab on pedicle screw fixation: a prospective 2-year longitudinal study using finite element analysis. J Orthop Surg Res. 2021;16(1):219.
[28] ZHANG Y, JIANG Y, ZOU D, et al. Therapeutics for enhancement of spinal fusion: A mini review. J Orthop Transl. 2021;31:73-79.
[29] WANG Z, ZHUANG C, CHEN W, et al. The Effect of Daily Teriparatide versus One-Time Annually Zoledronic Acid Administration After Transforaminal Lumbar Interbody Fusion in Osteoporotic Patients. Clin Interv Aging. 2021;16:1789.
[30] OTSUKI B, FUJIBAYASHI S, TANIDA S, et al. Possible association of pedicle screw diameter on pseudoarthrosis rate after transforaminal lumbar interbody fusion. World Neurosurg. 2021;150:e155-e161.
[31] SHIBUYA Y, KATSUMI K, OHASHI M, et al. Effect of adjuvant therapy with teriparatide in patients with thoracolumbar osteoporotic vertebral fractures who underwent vertebroplasty with posterior spinal fusion. Sci Rep-UK. 2022;12(1):1-8.
[32] SARDAR Z M, COURY JR, CERPA M, et al. Best practice guidelines for assessment and management of osteoporosis in adult patients undergoing elective spinal reconstruction. Spine J. 2022;47(2):128-135.
[33] HYAKKAN R, KANAYAMA M, TAKAHATA M, et al. Bone Metabolism in the Healing Process of Lumbar Interbody Fusion: Temporal Changes of Bone Turnover Markers. Spine J. 2021;46(23):1645-1652.
[34] 李黎,廖怀章.中药二仙汤治疗骨质疏松症的临床效果[J].临床合理用药杂志,2021,14(22):109-110.
[35] 张虎林,汪小敏,曹林忠,等.二仙汤联合椎弓根钉道骨水泥强化应用于骨质疏松伴腰椎管狭窄症的临床研究[J].时珍国医国药, 2020,31(8):1902-1904.

引言

在骨质疏松症中，骨吸收和骨形成之间存在负的不平衡，导致骨丢失和小梁网络的微结构恶化[1]。骨质疏松可导致椎体骨密度、刚度和强度降低，严重影响腰椎的生物力学特性，因此，骨质疏松患者比正常骨量患者更加依赖于坚强可靠的器械固定来完成骨骼的重塑[2]。事实上，对于骨质疏松带给椎间融合手术的不良影响引起了广泛的关注，应对方式也十分多样。此外，面对临床上常出现首次置钉失败，二次拧入导致螺钉置入后把持力下降、松动、脱出等问题，提高螺钉的把持力是常见的一种解决方法[3]。
老年患者多伴有骨质疏松，国外的一项调查发现，在50岁以上进行椎间融合手术患者中，男性骨质疏松率为14.5%，女性骨质疏松率为51.3%[4]。单纯依靠钉棒系统塑造骨骼形态十分困难，螺钉可能切割椎体造成松动，导致内固定失败，而置入可注射骨水泥椎弓根螺钉能提高螺钉在骨质疏松椎体内的抗拔出力，降低手术的失败风险[5]。为进一步加强骨质疏松患者的椎弓根钉固定效果，椎弓根钉骨水泥强化技术被运用于临床。
使用骨水泥进行钉道强化是一个复杂的过程，钉道强化的数量对于手术的进行与术后疗效有着巨大影响。为探究不同骨水泥钉道强化数量与固定方式对后路固定稳定性的影响，使用有限元分析方法进行脊柱生物力学研究。此次研究分别建立了全部钉道骨水泥强化模型、L4椎体骨水泥钉道强化模型、单侧骨水泥钉道强化模型与交叉骨水泥钉道强化模型，对比分析椎弓根螺钉在不同的骨水泥钉道强化固定方式下钉棒系统与椎体内的受力情况，说明骨水泥钉道强化方式对于螺钉受力的影响，为临床应用提供数据支持。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计腰椎模型的建立、有限元分析。
1.2 时间及地点实验于2022年2-4月在上海应用技术大学完成。
1.3 材料选择 “数字航天人”国家 973 项目的 CT 数据，取其中的 L1-S1段共计632 张，层间距为 0.625 mm。利用医学图像处理软件 Mimics Medical 20.0 读入扫描得到的 DICOM 文件重建下腰椎 L4-5 模型。实验数据获得了采集医院南方医科大学伦理委员会的许可。
1.4 实验方法
1.4.1 腰椎模型的建立将CT文件导入医学处理软件Mimics Medical 20.0，使用Region Growing命令选取蒙版中的腰椎部分，使用Edit Mask命令逐层编辑蒙版，完善腰椎形状，使用Caculate Part命令生成腰椎实体。使用3-matic Medical 12.0软件进行软组织的建立与网格划分，使用Mark命令标记椎体上表面，将标记的表面分离出去形成平面，使用Aling命令中的Translate移动并生成新的平面，随后使用Design命令中的Loft以2个平面为基准生成实体，椎间盘、软骨终板与小关节软骨均用此法生成；生成纤维环、髓核、软骨终板、关节突软骨与骨水泥团，其中软骨终板厚度为1 mm，关节突软骨厚度为0.2 mm，骨水泥团体积为1.6 cm3。
1.4.2 融合器与钉棒系统模型的建立使用UG 12.0软件建立钉棒模型，螺钉为6.5 mm×45 mm规格，钉棒系统材料为钛合金，模型均以stl格式导出。
1.4.3 有限元模型的建立将腰椎部分模型、融合器、骨水泥团与钉棒系统模型导入3-matic软件中，使用移动、旋转命令将模型组装，运用布尔运算减去椎体与螺钉重合的部分，分别建立了无骨水泥钉道强化组、全部钉道骨水泥强化组、L4椎体骨水泥钉道强化组、单侧骨水泥钉道强化组与交叉骨水泥钉道强化组。5组模型均固定L4-5节段，固定方式为双侧椎弓根螺钉固定。3-matic软件拥有网格划分功能，网格划分使用此软件进行，划分完成后的模型以cdb格式导出，之后导入Workbench 19.0中进行生物力学分析。对模型进行面网格与体网格划分，面网格划分时网格高与底的比值控制在0.3内，体网格使用二阶四面体单元，椎体模型最大边为2 mm，小关节软骨最大边为1 mm，终板软骨最大边为2 mm，钉棒系统最大边为1 mm。网格划分完成后进行体网格质量检验，结果均通过，模型见图1。

1.4.4 材料属性赋予建立的腰椎融合器系统模型的材料包括皮质骨、松质骨、后部结构、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带、关节囊韧带、椎间盘纤维环、椎间盘髓核和融合器系统，韧带单元为Ansys Workbench中的Spring单元，整个模型的材料属性见表1，Spring单元的刚度值见表2[6]。骨材料按照骨质疏松赋值。

1.4.5 边界条件设置与载荷施加融合器与与上下终板、终板与椎体、纤维环与终板、髓核与终板的接触设置均为“bonded”；小关节与关节软骨一面为“bonded”，一面为“no seperation”。既让椎体可以在小关节部位运动，又保证两者不会分离；螺钉与钉道、钉棒接触类型设置为“bonded”。L5节段下表面固定，L4节段上表面施加500 N的垂直向下的载荷模拟人体体质量及7.5 N·m的力矩模拟人体的前屈、后伸、侧弯及旋转运动，有限元模型及边界条件示意图如图2所示。

1.5 主要观察指标比较低骨量模型在上述5组固定条件下，L4-5腰椎模型在模拟人体腰椎前屈、后伸、侧屈、旋转时钉棒系统的von-Mises应力、椎体钉道的von-Mises应力、骨水泥团的von-Mises应力。

讨论

骨水泥钉道强化作为一种增强后路固定稳定性的有效措施，增强效果与诸多因素相关，其中包括骨水泥材料、注射骨水泥的体积、注入骨水泥的时机、骨质疏松程度、椎弓根螺钉结构设计等[5]。有研究表明，骨质疏松症患者使用钉道强化可以获得更好的固定效果[8-10]。骨水泥在进行椎间融合骨质疏松症患者的治疗中应用广泛，骨水泥增强螺钉与椎体孔洞的连接稳定性，从而提高术后疗效[11]；骨水泥钉道强化椎弓根螺钉内固定用于治疗重度骨质疏松腰椎退变性疾病，增加螺钉的把持力，明显降低螺钉松动率，取得了较好的效果[12]。但XIAO等[13]在包含13项随机对照试验涉及1 949例受试者的研究中发现，虽然在6个月和12个月的随访期间或整个随访期间，骨水泥增强与新发椎体骨折的临床发病率之间没有显著关联，但是在24个月或更长时间的随访期间，与非骨水泥治疗相比，接受骨水泥钉道强化患者新发椎体骨折的临床发病率显著提高，骨水泥钉道强化术中新发椎体骨折的风险显著高于非骨水泥治疗。
TAN等[14]提出在注射骨水泥后，立即放置螺钉进行钉道强化造成了螺钉无法插入硬化骨水泥的风险，使用空心螺钉进行骨水泥注射虽然没有此问题但对于外科医生的经验要求更高，因此，在缺乏经验的情况下使用实心螺钉插入骨水泥是更好的选择。
GUO等[15]在分析了165例骨水泥钉道强化案例之后发现，进行钉道强化的螺钉数量是骨水泥泄露的重要风险因素。虽然在骨水泥泄露的案例中产生不良症状的发生率仅为5.5%，但是不可控的骨水泥泄漏到椎管、椎间孔或椎间静脉丛，靠近脊髓或神经根时就会发生神经损伤[16]，大多数骨水泥渗漏并发症患者无明显症状。值得注意的是，对于术后心肺不适的患者，鉴于影像学检查的局限性，建议进行胸部CT检查以确认诊断[17]。骨水泥钉道强化手术的螺钉松动案例十分少见，但依然存在。相对于普通椎弓根螺钉松动，经过钉道强化的椎弓根螺钉翻修十分困难，面对骨水泥钉道强化翻修困难的情况下，在原则上应该尽量减少骨水泥强化的使
用[18]。该文在面对这一问题设计了5组仿真案例，通过减少骨水泥钉道强化的数量与变换骨水泥在椎体内的分布，寻找到在不牺牲椎体与椎弓根螺钉稳定性的同时，减少骨水泥泄露与放热反应等带来的不良影响的方法。所有的椎体皮质骨材料均为骨质疏松状态，通过无骨水泥强化组与全部骨水泥强化组的对比，验证了骨水泥钉道强化是提高骨质疏松症患者后路固定稳定性的有效方法[19]。
骨水泥可以看作骨和椎弓根螺钉之间的缓冲和填充物，骨水泥的受力情况也可以反映出钉棒系统与椎体的受力情况。在分析骨水泥在椎体的不同运动情况下的von-Mises
应力后发现，骨水泥的数量与填充样式对此的影响十分有限，然而L4椎体骨水泥钉道强化组的骨水泥钉道应力变化十分明显，相较于全部骨水泥强化组应力平均增长了24.9%，相较于单侧骨水泥钉道强化组应力平均增加了24.4%，相较于交叉骨水泥钉道强化组应力平均增加了21.9%，可以认为此种骨水泥分布方式不适合加强后部系统稳定性，相反可能增加螺钉的松动率。椎体钉道的应力变化对于固定系统的长期稳定性也会产生影响，椎体钉道周围的骨质存在一定的应力承受能力，超出应力范围会导致周围骨吸收变快，骨吸收过快使得骨量减少，严重会造成骨质疏松，在原有骨质疏松症的基础上此反应会更加明显[20-21]。面对这一问题，该文进行了椎体钉道的von-Mises应力分析，结果显示全部骨水泥钉道强化组钉道von-Mises应力比无骨水泥钉道强化组平均减小了68.1%，是经过骨水泥钉道强化组的最小钉道受力情况，交叉骨水泥钉道强化组在这方面表现次之，L4椎体骨水泥钉道强化组效果最差。
使用骨水泥进行钉道强化是一个复杂的过程，减少钉道强化的数量可以减少手术时间、降低出血量与骨水泥泄露的风险[22]。此次研究结果显示，在骨质疏松程度较低又需要进行钉道强化手术时，减少钉道强化的个数或者分布形式可以既得到坚强的后路固定，又减少了骨水泥泄露带来风险的概率。
椎弓根钉骨水泥强化技术增强了椎体与螺钉之间的稳定性[23]，但骨水泥的使用仍然存在诸多风险[24]，使用药物治疗提高椎体骨密度对于增强后路固定系统的稳定性有显著影响[25-26]。TANI等[27]选取了经过药物治疗后骨密度显著上升的骨质疏松症患者CT图像，根据CT数据建立L4椎体的椎弓根螺钉固定有限元分析模型，进行螺钉拉拔实验，仿真结果表明，药物治疗带来骨密度的上升有效提高了椎体对螺钉的把持力。目前骨质疏松症的药物治疗方案多样，例如，抑制骨吸收的二膦酸盐类药物[28-29]、促进骨形成的甲状旁腺激素药物[30-31]、促进骨矿化的1，25-二羟基维生素D3药物与中药二仙汤等[33-35]，这些药物均被证明在腰椎融合术中对于术后疗效有积极影响。
研究仍然存在不足：为加快计算速度，忽略了椎间融合器的置入，而在实际临床手术中后路固定系统与椎间融合器配合使用，并且有限元法得到的数值不是人体在相同条件下的实际情况，只能代表一种趋势。不过在实体标本缺少的情况下，该文的研究依然存在参考价值。
结论：目前，临床上椎弓根钉骨水泥强化技术在实施时受制于材料的原因，仍会发生骨水泥泄露并发症，并发症严重可能导致死亡，降低骨水泥泄露并发症的发生率十分重要。该文研究了不同种钉道强化方式后得出，在全部椎弓根螺钉都进行骨水泥强化的情况下，减少骨水泥强化的个数与分布形态在某种方式下对于固定效果的影响十分微弱的结论，例如：在双侧椎弓根固定情况下，4个螺钉全部进行骨水泥强化与上下不同侧螺钉进行骨水泥强化的生物力学分析相近，可以认为在临床上能够进行替代，骨水泥强化次数的减少直接降低了骨水泥泄露并发症的发生率，对于提高手术成功率有重要意义。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程