骨水泥强化皮质骨轨迹螺钉与新型变径全皮质骨螺钉的力学分析

doi:10.12307/2026.590

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (21): 5403-5410.doi: 10.12307/2026.590

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

骨水泥强化皮质骨轨迹螺钉与新型变径全皮质骨螺钉的力学分析

解学晨1，居来提·买提肉孜1，李春超1，张乐1，王轶希2，帕尔哈提·热西提2

1新疆大学智能制造现代产业学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830017；2新疆医科大学第一附属医院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830054

接受日期:2025-03-14 出版日期:2026-07-28 发布日期:2026-03-03
通讯作者: 居来提·买提肉孜，副教授，新疆大学智能制造现代产业学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830017
作者简介:解学晨，男，1999年生，山东省潍坊市人，汉族，新疆大学在读硕士，主要从事机械设计及理论研究。
基金资助:
中国医学科学院第三届中国健康长寿创新大赛项目资助项目(2022-JKCS-19)，项目负责人：帕尔哈提·热西提；
“天山英才”医药卫生高层次人才培养计划基金项目(TSYC202301B026)，项目负责人：帕尔哈提·热西提

Mechanical analysis of a bone cement-augmented cortical bone trajectory screw versus a new variable-diameter all-cortical bone screw

Xie Xuechen1, Julaiti·Maitirouzi1, Li Chunchao1, Zhang Le1, Wang Yixi2, Paerhati·Rexiti2

1Institute of Intelligent Manufacturing and Modern Industry, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; 2First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Accepted:2025-03-14 Online:2026-07-28 Published:2026-03-03
Contact: Julaiti·Maitirouzi, Associate professor, Institute of Intelligent Manufacturing and Modern Industry, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Xie Xuechen, Master candidate, Institute of Intelligent Manufacturing and Modern Industry, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
Third China Health and Longevity Innovation Competition of Chinese Academy of Medical Sciences, No. 2022-JKCS-19 (to PR); “Tianshan Talents” Medical and Health High-level Talent Training Program Fund Project, No. TSYC202301B026 (to PR)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

骨水泥强化：采用骨水泥增强技术，有助于提高骨水泥与皮质骨轨迹螺钉之间的界面连接强度，从而进一步加强骨水泥与骨骼的结合，提升螺钉的稳定性和抓握力。当骨水泥渗透到骨小梁时，可以增强椎体的稳固性，并与螺钉及骨骼形成一个复合体。这种结构使得椎体内的固定更加持久，为患者的椎体功能恢复提供了有力支撑，从而有效改善手术效果。
有限元分析：是一种数值方法，用于求解复杂工程和物理问题中的偏微分方程。它将连续介质(如结构、流体等)分割成小的离散单元，通过对这些单元进行数值计算，来估算整体行为。

摘要
背景：骨质疏松症导致的骨小梁结构稀少不足以维持螺钉的把持力，常导致内固定失败，可通过增加螺钉直径和长度、改变螺钉表面涂层、骨水泥强化钉道等措施来增加螺钉的把持力。骨水泥强化皮质骨轨迹置钉技术和采用新型变径螺钉的改良皮质骨轨迹置钉技术已被证实有良好的固定效果，目前需要对两者相关力学性能进行分析比较。
目的：利用有限元分析法比较骨水泥强化皮质骨轨迹置钉技术、皮质骨轨迹置钉技术和采用新型变径全皮质骨螺纹螺钉的改良皮质骨轨迹置钉技术在腰椎内固定治疗中的力学性能。
方法：基于3具骨质疏松椎体标本的CT扫描数据构建L4腰椎模型，并在改良皮质骨置钉技术中应用了创新的变径全皮质骨螺钉(改良皮质骨轨迹置钉组)，螺钉全长45 mm，直径为5.5-4.3 mm变径；与未强化皮质骨轨迹置钉组(直径为5.5 mm、长度为40 mm)和骨水泥强化皮质骨轨迹置钉组(直径为5.5 mm、长度为40 mm、中心开孔直径为1 mm)进行对比。通过测定轴向拔出力、螺钉稳定性(上、下、左、右载荷位移比)、椎体活动度比较各组螺钉的固定强度。
结果与结论：①轴向抗拔出力：强化皮质骨轨迹置钉组> 改良皮质骨轨迹螺钉组(P=0.024 6)，且强化皮质骨轨迹置钉组、改良皮质骨轨迹置钉组均> 未强化皮质骨轨迹置钉组(P=0.000 1，P=0.002 64)；②螺钉稳定性：在下方施加载荷时，3组螺钉的载荷位移比值为强化皮质骨轨迹置钉组> 未强化皮质骨轨迹置钉组、改良皮质骨轨迹螺钉组(均P < 0.05)，且改良皮质骨轨迹螺钉组> 未强化皮质骨轨迹螺钉组(P < 0.05)；③椎体活动度：在5种工况下骨水泥强化皮质骨轨迹置钉组< 改良皮质骨轨迹螺钉组，但差异无显著性意义(P > 0.05)，且骨水泥强化皮质骨轨迹置钉组、改良皮质骨轨迹螺钉组均< 未强化皮质骨轨迹螺钉组；④与改良皮质骨轨迹螺钉组比较，骨水泥强化皮质骨轨迹置钉组的螺钉载荷位移比、腰椎活动度等相关力学性能均有提升，但差异均无显著性意义(P > 0.05)；⑤提示骨水泥强化皮质骨轨迹置钉技术与新型变径全皮质骨螺钉相比，具有更好的生物力学性能，且骨水泥强化皮质骨轨迹置钉技术可能是临床骨质疏松症患者内固定治疗更为合适的置钉选择。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 改良皮质骨轨迹, 腰椎内固定, 有限元分析, 骨水泥, 变径全皮质骨螺钉, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: The scarcity of bone trabecular structures caused by osteoporosis is not enough to maintain screw holding power, which often leads to the failure of internal fixation surgery. The screw holding power is often increased by increasing the diameter and length of screws, changing the surface coating of screws, and reinforcing the nail track with bone cement. The cement reinforced cortical bone track nailing technique and the modified cortical bone track nailing technique using a new type of variable diameter screw have been proven to have good fixation effects, and now the related mechanical properties of the two need to be analyzed and compared.
OBJECTIVE: Finite element analysis was used to compare the mechanical properties of bone cement-strengthened cortical bone trajectory nailing technology, cortical bone trajectory nailing technology, and modified cortical bone trajectory nailing technology using a new variable-diameter total cortical bone thread screw in lumbar spine internal fixation surgery.
METHODS: Based on the CT scan data processing of three osteoporotic vertebrae, the L4 lumbar spine model was constructed, and the innovative variable-diameter all-cortical bone screw was applied in the modified cortical bone nailing technique, with the screw having a total length of 45 mm and a variable diameter of 5.5-4.3 mm as the modified cortical bone trajectory screw group. It was compared with the standard cortical bone trajectory screw group (5.5 mm in diameter and 40 mm in length) and the bone cement-augmented cortical bone trajectory screw group (5.5 mm in diameter, 40 mm in length, and 1 mm in diameter in the center opening). The fixation strength of the screws in each group was compared by measuring the axial withdrawal force, screw stability (upper, lower, left, and right load displacement ratio), and vertebral body mobility.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Axial pullout strength: The bone cement-augmented cortical bone trajectory screw group showed greater axial pullout strength than the modified cortical bone trajectory screw group (P=0.024 6). Additionally, both the bone cement-augmented cortical bone trajectory screw group and the modified cortical bone trajectory screw group exhibited significantly higher axial pullout strength compared with the standard cortical bone trajectory screw group (P=0.000 1 and P=0.002 64, respectively). (2) Screw stability: Under inferior loading conditions, the load-displacement ratio of the screws was highest in the bone cement-augmented cortical bone trajectory screw group, followed by the standard cortical bone trajectory screw group and the modified cortical bone trajectory screw group (all P < 0.05). The modified cortical bone trajectory screw group showed a higher stability compared with the standard cortical bone trajectory screw group (P < 0.05). (3) Vertebral mobility: Under five different loading conditions, the bone cement-augmented cortical bone trajectory screw group exhibited less vertebral mobility than the modified cortical bone trajectory screw group, and no significant difference was detected (P > 0.05). Furthermore, both the bone cement-augmented cortical bone trajectory screw group and the modified cortical bone trajectory screw group showed less vertebral mobility compared with the standard cortical bone trajectory screw group. (4) There were no statistically significant differences between the bone cement-augmented cortical bone trajectory screw group and the modified cortical bone trajectory screw group in terms of load-displacement ratio and lumbar mobility (P > 0.05). (5) This suggests that the bone cement-augmented cortical bone trajectory screw technique offers superior biomechanical performance compared with the novel variable-diameter full-cortical bone screw. Additionally, the bone cement-augmented cortical bone trajectory screw technique may be a more suitable choice for internal fixation surgery in clinical patients with osteoporosis.

Key words: modified cortical bone trajectory, lumbar internal fixation, finite element analysis, bone cement, variable diameter full cortical bone screw, biomechanics

中图分类号:

解学晨, 居来提·买提肉孜, 李春超, 张乐, 王轶希, 帕尔哈提·热西提. 骨水泥强化皮质骨轨迹螺钉与新型变径全皮质骨螺钉的力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(21): 5403-5410.

Xie Xuechen, Julaiti·Maitirouzi, Li Chunchao, Zhang Le, Wang Yixi, Paerhati·Rexiti. Mechanical analysis of a bone cement-augmented cortical bone trajectory screw versus a new variable-diameter all-cortical bone screw[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(21): 5403-5410.

图/表（结果） 7

2.1 模型验证
2.1.1 形态学验证此文选用在骨质疏松椎体中表现更好的CBT技术来进行模型验证。建立CBT所需要的全皮质骨螺纹螺钉，将腰椎三维模型的各部分几何结构与CT扫描显示的腰椎实际形态进行对照，见图2A，同时，将实验模型中的皮质骨与松质骨分布与解剖后腰椎的相应分布进行对比，成功地实现了高度还原性，能够精确模拟腰椎横突、棘突、椎弓根等各个部位，见图2B。骨水泥强化CBT、CBT、MCBT 3种技术进钉路径均经过椎弓根，在固定中起主要作用的是皮质骨，所以皮质骨的占比量直接影响螺钉内固定的性能，所以对椎弓根中皮质骨松质骨的占比参数验证很有必要。目前文献对测定椎弓根的占比参数主要是测定椎弓根峡部的相关数据，此次研究将3组L4腰椎模型导入到SolidWorks 2022中进行测量，测量时椎弓根处剖面图如图2C所示，3组模型的平均测量比值结果如表2所示，经对比与此次研究的测量结果相似，验证了模型的有效性。
2.1.2 拔出力验证此次有限元分析结果显示，拔出力为(1 210±44.44) N，而参照文献获得的拔出力为(1 254.99±305.40) N[11]、(1 376±254) N[12]。此次研究与所参照文献中呈现的实验数据相近，这有力地证实了此文所构建腰椎模型的有效性。

2.2 螺钉轴向抗拔出力 未强化CBT组、强化CBT组和MCBT组的轴向抗拔出力分别为(1 210±44.44) N、 (1 768.33±30.13) N、(1 657.33±45.79) N，骨水泥强化CBT组对比未强化CBT组相比提升46.17%，差异有显著性意义(t=-18.01，P=0.000 1)；MCBT组对比未强化CBT组提高37%，差异有显著性意义(t=-12.14，P=0.002 64)；强化CBT组对比MCBT组轴向抗拔出力提升6.69%，差异有显著性意义(t=-3.5，P=0.024 6)。
各组的椎体应力分布云图见图3，螺钉的抗拔出力对比见图4。

2.3 螺钉稳定性 强化CBT组在上、下、右3种工况下较未强化CBT组均有较大提升，差异有显著性意义(t=-3.592，P=0.023；t=-6.192，P=0.003；t=-8.689 0，P=0.011)。在左方工况，骨水泥强化CBT组的螺钉稳定性比未强化CBT组提升但无显著性差异(t=-2.518 7，P=0.125)。在上、下、左、右工况，对比强化CBT组，MCBT组螺钉稳定性虽有细微下降，但这些变化并无显著性差异(t=-0.402，P=0.708；t=-0.853，P=0.445；t=-0.694，P=0.529；t=-0.756，P=0.516)，见表3及图5。另外观察到3组螺钉稳定性中的左侧位移载荷比均明显大于其余3个工况，这与CBT及MCBT技术的置钉技术有关，进钉点更靠近棘突，棘突与椎板交汇处的皮质骨更厚，在施加左侧载荷时，螺钉受到皮质骨影响比其他工况更为明显，所以在螺钉受到向左的力时对力的抵抗能力更强。

2.4 椎体活动度 在后屈工况下，强化CBT组的腰椎活动度较未强化CBT组显著减少，差异有显著性意义(t=4.492 0，P=0.023 2)。在分析左、右侧弯和轴向旋转工况下，强化CBT组与未强化CBT组之间的比较结果显示，均出现了降低的趋势，但这些变化无显著性差异(t=1.283 8，P=0.303；t=2.053 9，P=0.142；t=1.990 3，P=0.163)。在比较强化CBT组与MCBT组的椎体活动度时，发现在前屈、后屈、左、右侧弯和轴向旋转5种工况下强化CBT组的活动度相较于MCBT组有所减少，但是并无显著性差异(t=-1.000 9，P=0.378 3；t=-2.742 4，P=0.057 0；t=-0.746 8，P=0.519 5；t=-0.647 3，P=0.575 5；t=-1.005 7，P=0.404 1)。在不同工况下，椎体的活动度差异详见表4及图6。

参考文献

[1] 中国老年保健医学研究会老年疼痛疾病分会. 老年骨质疏松性疼痛诊疗与管理中国专家共识(2024版)[J]. 中国疼痛医学杂志, 2024,30(4):241-250.
[2] ADLER RA, EL-HAJJ FULEIHAN G, BAUER DC, et al. Managing osteoporosis in patients on long-term bisphosphonate treatment:report of a task force of the American society for bone and mineral reserch. Bone Miner Res. 2016;31(1):16-35.
[3] 颜金祥,刘家明,刘子豪,等.不同部位骨质疏松性骨折的患病率调查[J].中华骨与关节外科杂志,2024,17(1):79-83.
[4] 万江,刘达,张映波,等.椎体CT值在脊柱外科中的应用研究进展[J].解放军医学杂志,2025,50(7):911-916.
[5] AMIROUCHE F, SOLITRO GF, MAGNAN BP. Stability and Spine Pedicle Screws Fixation Strength-A Comparative Study of Bone Density and Insertion Angle. Spine Deform. 2016;4:261-267.
[6] HOPPE S, KEEL MJ. Pedicle screw augmentation in osteoporotic spine:indications, limitations and technical aspects. Eur J Trauma Emerg Surg. 2017;43:3-8.
[7] MAKHCHOUNE M, COLLARD X, TRIFFAUX M, et al. The utility of the CADISS® system in the dissection of epidural fibrosis in revision lumbar spine surgery (A case series). Ann Med Surg (Lond). 2022;83:104718.
[8] LILI Y, WANG S, ZHU Z, et al. Biomechanical Analysis of Cortical Bone Trajectory Screw Versus Bone Cement Screw for Fixation in Porcine Spinal Low Bone Mass Model. Clin Spine Surg. 2023;36(4):145-152.
[9] Santoni BG, Hynes RA, McGilvray KC, et al. Cortical bone trajectory for lumbar pedicle screws. Spine J. 2009;9(5):366-373.
[10] 王海峰,曾忠友,裴斐,等.后路腰椎椎间融合术中使用皮质骨轨迹椎弓根螺钉或传统椎弓根螺钉治疗骨质疏松性腰椎退行性疾病[J].脊柱外科杂志,2024,22(6):411-416.
[11] MATSUKAWA K, YATO Y, IMABAYASHI H, et al. Biomechanical evaluation ofﬁxation strength among different sizes of pedicle screws using the cortical bone trajectory:what is the ideal screw size for optimalﬁxation. Acta Neurochir. 2016;158:465-471.
[12] WANG Y, YANG L, LI C, et al. A Biomechanical Study on Cortical Bone Trajectory Screw Fixation Augmented With Cement in Osteoporotic Spines. Global Spine J. 2022;13(8):21925682211070826.
[13] GUO S, ZHU K, YAN M, et al. Cortical bone trajectory screws in the treatment of lumbar degenerative disc disease in patients with osteoporosis. World J Clin Cases. 2022;10(36):13179-13188.
[14] REXITI P, ABUDUREXITI T, ABUDUWALI N, et al. Measurement of lumbar isthmus parameters for novel starting points for cortical bone trajectory screws using computed radiography. Am J Transl Res. 2018;10(8):2413-2423.
[15] CHEN CH, CHEN DC, HUANG HM, et al. Level-based analysis of screw loosening with cortical bone trajectory screws in patients with lumbar degenerative disease. Medicine (Baltimore). 2020;99(40):e22186.
[16] PASOTO SG, AUGUSTO KL, ALVARENGA JC, et al. Cortical bone density and thickness alterations by high-resolutimn peripheral quantitative computed tomography: association with vertebral fractures in primary sjögren’s syndrome. Rheumatology (Oxford). 2016;55(12):2200-2211.
[17] 任亚楠,张泓,韩剑英,等. 空心侧孔螺钉联合骨水泥强化术对椎体生物力学影响的有限元分析[J]. 天津理工大学学报,2024,40(6): 128-133.
[18] 任航宁,居来提·买提肉孜,帕尔哈提·热西提,等.皮质骨轨迹椎弓根系统拔出力下腰椎的有限元分析[J].中国组织工程研究, 2021,25(36):5771-5776.
[19] 周志豪,阿拉法特·卡哈尔,王轶希,等.传统椎弓根螺钉与改良皮质骨轨迹置钉技术的生物力学性能有限元分析[J].中国组织工程研究,2022,26(18):2789-2794.
[20] 裴卉宁,陈允峰,白仲航,等.弹射救生过程飞行员胸腰椎高负荷损伤分析[J].北京航空航天大学学报报,2025,51(1):102-112.
[21] 王轶希,居来提·买提肉孜,王水泉,等.有限元分析腰椎传统椎弓根钉道和改良皮质骨钉道的生物力学性能[J].医用生物力学, 2022,37(3):485-491.
[22] LI B, JIANG B, FU Z, et al. Accurate determination of isthmus of lumbar pedicle: a morphometric study using reformatted computed tomographic images. Spine. 2004;29(21):2438-2444.
[23] 管喆恒,杨惠林,罗宗平, 等.腰椎椎弓根CT影像学参数的测量与临床意义[J].中国组织工程研究,2018,22(11):1743-1748.
[24] 刘延安.腰椎椎弓根延长术中截骨平面影像解剖数据测量与分析[D].苏州:苏州大学,2017.
[25] MATSUKAWA K, YATO Y, IMABAYASHI H. Impact of screw diameter and length on pedicle screw fixation strength in osteoporotic vertebrae:A finite element analysis. Asian Spine J. 2021;15(5):566-574.
[26] REXITI P, AIKEREMU D, WANG S, et al. Cadaveric study of anatomical measurement of isthmus parameters of lumbar spine to guide cortical bone screw placement. Rev Assoc Med Bras (1992). 2022;68(6):754-758.
[27] 木再帕尔·买吐送,肖扬,古丽米热·阿迪力,等.新型全皮质骨螺纹螺钉在腰椎改良皮质骨轨迹螺钉技术中的生物力学性能[J].中国组织工程研究,2025,29(27):5765-5772.
[28] 张治豪,居来提·买提肉孜,张连鹏,等.新型变径全皮质骨螺纹螺钉设计以及在腰椎改良皮质骨轨迹的应用[J].医用生物力学, 2024,39(1):91-97.
[29] 张连鹏,居来提·买提肉孜,张治豪,等.皮质骨轨迹置钉在腰椎翻修中的力学分析[J].中国组织工程研究,2024,28(24):3783-3788.
[30] MATSUKAWA K, YATO Y, IMABAYASHI H. Impact of screw diameter and length on pedicle screw fixation strength in osteoporotic vertebrae: a finite element analysis. Asian Spine J. 2021;15(5):566-574.
[31] ZHANG S, LIU Z, LU C, et al. Oblique lateral interbody fusion combined with different internal fixations for the treatment of degenerative lumbar spine disease: a finite element analysis. BMC Musculoskelet Disord. 2022;23(1):206.
[32] ZHANG L, LI HM, ZHANG R, et al. Biomechanical changes of adjacent and fixed segments through cortical bone trajectory screw fixation versus traditional trajectory screw fixation in the lumbar spine: a finite element analysis. World Neurosurg. 2021;151:e447-e456.
[33] TOBING SDAL, WISNUBAROTO RP. Pull-out strength comparison among conventional pedicle screw,cortical infero-superior, and cortical superoinferior trajectories in yorkshire porcine lumbar spines: a biomechanical study. Int J Spine Surg. 2020;14(4):580-584.
[34] ZHANG RJ, SHEN CL. Research status and existing problems of lumbar pedicle double-trajectory screw technique. Zhonghua Yi Xue Za Zhi. 2023;103(9):635-639.

引言

骨质疏松已成为国内乃至全世界面临的公共问题[1-3]，因腰椎问题需接受手术治疗的老年骨质疏松患者数量持续攀升。椎弓根螺钉固定技术因能稳定脊柱的优势已成为治疗多种脊柱疾病的主要技术之一[4]。研究证实椎弓根螺钉的稳定性与骨密度有关，骨密度过低可导致螺钉松动、移位，甚至脱落[5-6]，从而使固定失败，固定失败的患者需要重新进行翻修手术，有数据显示骨质疏松患者进行内固定手术后的翻修率一般为8%-45% [7]。有必要在骨质疏松椎体上采取一些措施来增强螺钉的把持力，骨水泥强化是增强椎弓根螺钉把持力的有效手段，比较常用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥可以提升螺钉的固定效力和稳定性[8]。但注入的骨水泥可能会从椎体内血管或缝隙流出发生渗漏，尤其是在重度爆裂性骨折等椎体破坏严重的情况下会极大提高渗漏的风险。骨水泥椎弓根螺钉的强化部位主要位于螺钉尖端松质骨部分，然而在严重骨质疏松时，较差的骨量降低了结合面的可靠性，增加了螺钉的微动，骨水泥强化对椎弓根螺钉的稳定性可能会产生影响。SANTONI等[9]于2009年提出了一种新的螺钉轨迹置钉技术，即皮质骨轨迹(cortical bone
trajectory，CBT)，CBT螺钉在矢状面由尾侧向头侧倾斜25°-30°，冠状面斜向外5°-15°[10]，螺钉与皮质骨的接触是具有较高把持力的原因之一[11]。研究表明，CBT螺钉的力学性能显著优于传统椎弓根螺钉[12]，但是也存在一定局限性，包括置钉点易发生骨皮质劈裂、螺钉长度有限，以及螺钉尖端易突出至髓核对应的上终板区域造成损伤[13]。CBT技术未能全面利用椎弓根内壁与椎体上终板的皮质骨区域，这可能对内固定螺钉的拔出力产生一定影响。REXITI等[14]在CBT技术基础上进行了改良，即改良皮质骨轨迹(modified cortical bone trajectory，MCBT)置钉技术并提出了配套的新型变径全皮质骨螺钉，较目前常用的两种钉道有一定程度的力学性能提升。然而，CBT螺钉的松动率随着固定节段的增加而增加，在脊柱长节段固定时不太适合[15]。因此，有必要寻求新的加固方式，以面对未来越来越多的挑战。
目前临床对骨水泥强化CBT技术的研究较少，此文通过有限元分析方法计算骨水泥强化CBT技术在骨质疏松椎体内固定手术中的力学性能，并与MCBT钉道下新型变径全皮质骨螺钉和未强化CBT技术的相关力学性能进行比较分析，为骨水泥强化CBT技术在骨质疏松脊柱退行性疾病融合内固定中的应用提供一定的理论基础。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 计算机模拟，仿真软件三维有限元计算。
1.2 时间及地点 实验于2024年8-11月在新疆大学智能制造现代产业学院完成。
1.3 材料 此次实验使用新疆医科大学解剖实验室提供的3具椎体解剖标本，2具男性、1具女性，平均年龄为65岁。所有椎体标本的骨密度均由双能X射线骨密度仪检测，检测结果显示，骨密度T值均低于-2.5 SD，明确诊断为骨质疏松。实验方案符合新疆医科大学第一附属医院的相关伦理要求(伦理批号：20220930-01，审批时间：2022-09-30)。
采用德国西门子公司制造的64排螺旋CT设备，对椎体标本进行扫描，标本置于俯卧姿势，层厚设定为0.25 mm，扫描结果以DICOM格式存储。
1.4 方法
1.4.1 腰椎模型建立将骨质疏松症模型的CT影像与DICOM数据整合导入至Mimics 2021软件内并利用新建、分割、编辑蒙版等命令对L4椎体内部进行填充优化，提取出经过初步处理的L4椎体模型，模型以STL文件格式保存。随后，将此STL文件导入至Geomagic Wrap 2021软件中进行后续处理。对椎体进行重划网格、消除特征、光滑等一系列初级处理，并利用探测轮廓线、生成曲面片、拟合等命令建立椎体松质骨、皮质骨模型，改进模型以更贴近真实腰椎结构。已知群体中腰椎皮质骨平均厚度为0.73 mm[16]，而对于骨质疏松患者，其椎体退化、皮质骨含量减少，此次研究将皮质骨的厚度设定为
0.6 mm。腰椎模型相关材料属性见表1[17]。

1.4.2 骨水泥螺钉模型及钉道的创建此次实验分为未强化CBT组、强化CBT组和MCBT组。螺钉和骨水泥模型均使用工程软件Solid Works 2023模拟创建；骨水泥强化CBT螺钉为直径 5.5 mm、长度40 mm的空心螺钉模型，其特征为中空结构并配备侧孔，每枚螺钉内填充约1 mL的骨水泥[12]；同时，创建了一个体积为1 mL的圆柱体，以此来模拟骨水泥块。随后，将骨水泥块与螺钉模型进行精确装配，最后将这一骨水泥螺钉与骨水泥的装配体与L4椎体模型配合，以模拟临床置钉过程中关键组件的组合，见图1A。未强化CBT组采用直径 5.5 mm、长40 mm的全皮质骨螺纹螺钉，在置入CBT螺钉时，其理想位置应位于上关节突的中垂线与同侧横突下方1 mm的水平线交汇点，置钉轨迹利用矢状面进行定位；上由尾侧向头侧倾斜，在水平面上由内向外发散，以确保螺钉与椎弓根背侧皮质、椎弓根后内侧壁、椎弓根前外侧壁及椎体表面充分接触，见图1B。MCBT组螺钉采用直径5.5 mm、长度45 mm的变径螺钉，MCBT技术比CBT技术进钉点内移2.0-3.0 mm，头倾角为20°-25°，外倾角为22°[18]，见图1C。

1.4.3 网格划分网格划分采用ANSYS Workbench中的网格划分工具，通过插入几何尺寸调整来重新划分网格以得到更加密集的网格，网格的大小和质量与计算结果的准确性呈正相关，单元尺寸设置为
1 mm，划分类型为四面体网格。
1.4.4 边界条件设置螺钉与L4腰椎的皮质骨和松质骨之间设定为摩擦接触，摩擦系数设定为0.1；螺钉与骨水泥之间形成了摩擦接触，其摩擦系数确定为0.1；此外，皮质骨与松质骨之间、松质骨与骨水泥之间均建立绑定接触。在评估螺钉的轴向抗拔出力与稳定性时，上、下端面被设定为固定约束；在考量腰椎活动范围时，则对螺钉的末端实施固定约束。
1.5 主要观察指标
1.5.1 螺钉抗拔出力进行腰椎应力云图分析时，首先在腰椎模型的上、下表面实施固定约束，以确保在后续操作中模型不会发生不必要的位移；之后沿螺钉轴线方向，对螺钉尾部施加逐步增加的向外拔出载荷[19]。这一过程旨在模拟实际使用中可能遇到的外力作用，通过精确控制载荷的施加，可以细致地观察和分析腰椎在不同应力状态下的响应，从而获得反映其内部应力分布情况的应力云图。应力云图不仅能够直观地展示腰椎各部分的应力集中区域，还对评估腰椎植入物的长期稳定性、预测潜在的生物力学问题以及优化手术方案具有重要意义。参考相关文献，皮质骨剪切强度为112.7 MPa[20]，此文取112.7 MPa作为评价标准，腰椎应力达到112.7 MPa时，对应轴向载荷为该螺钉的最大抗拔出力。
1.5.2 螺钉在腰椎中的稳定性在椎体上下表面施加约束后，沿螺钉尾端的上、下、左、右4个方向分别对每个方向施加0.1 mm的位移载荷操作。在ANSYS Workbench的探针-力反应功能下，得到螺钉的相对位移值，计算得到螺钉载荷位移比，利用载荷位移比来衡量螺钉在腰椎中的稳定程度。
1.5.3 腰椎活动度通过对螺钉尾部施加固定约束以及针对腰椎上下的旋转角度控制，以此模拟实际情况中包括腰椎前屈、后屈、左侧弯、右侧弯及其轴向旋转。记录椎体旋转0.1°所需要的扭矩，确定所求扭矩值，并计算施加7.5 N·m扭矩时腰椎对应的角度[21]。
1.6 统计学分析 采用SPSS (版本27.0；SPSS Inc，Chicago，IL，USA)进行统计学分析，数据以x±s表示，采用独立样本t检验检测变量在不同组间的差异，以P < 0.05为差异有显著性意义。文章统计学方法已经由新疆大学统计学专家审核。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

骨质疏松患者的骨小梁结构发生退变，不足以维持螺钉把持力，常导致手术失败。当骨密度每下降10 g/cm3，椎弓根螺钉的最大拔出力相应下降
60 N[25]。有研究发现传统椎弓根螺钉的拔出力为380-491 N，而经过骨水泥强化后的椎弓根螺钉拔出力为501-1 337 N[12]，充分证明了骨水泥强化椎弓根螺钉技术具有更好的生物力学性能与疗效。尽管骨水泥强化椎弓根螺钉技术能够提升固定效果，但是在一些骨小梁结构更为疏松的椎体中，骨水泥强化椎弓根螺钉技术已经不能满足内固定的技术要求。CBT技术作为一种替代椎弓根螺钉的技术，其拔出力与骨水泥强化椎弓根螺钉相当，然而在面对骨质疏松症患者时，由于骨骼中骨量的显著流失，CBT螺钉的骨把持力会相应减弱，可能不足以提供骨质疏松椎体所需的固定强度。基于此，作者研究团队在前期工作中对CBT技术进行了创新性改进，提出了MCBT技术；该技术通过进一步内移进钉点、增大钉道的外展角度并减小头倾角度，实现了置钉点的优化。相较于传统的CBT置钉点，MCBT技术下周围骨质厚度更为丰富，显著增强了椎弓根内侧壁皮质骨的接触面积，有效避免了螺钉尾部与关节突关节的接触，进而减少了关节突关节损伤的风险[26]。此外，通过增加进钉方向的外展角度(增加与椎弓根内侧壁及椎体上终板外侧缘之间的接触)，减少头倾角度(增加与椎弓根下壁之间的接触)，进一步提高了拔出力。王轶希等[21]、木再帕尔·买吐送等[27]研究发现，在骨质疏松条件下抗拔出力、螺钉稳定性方面CBT技术要优于椎弓根螺钉技术，而在侧屈和轴向旋转工况下椎弓根技术则更具有优势；MCBT置钉技术在测定的3种力学指标中均优于CBT置钉技术，但是在椎体稳定性中，椎弓根螺钉技术与MCBT置钉技术并没有表现出明显的差距，初步验证了MCBT技术的特点。然而，很少有研究将骨水泥用于CBT技术，也没有相关文献对MCBT技术与骨水泥强化CBT技术进行比较，此次研究主要关注骨水泥对CBT螺钉的强化作用，并将其与MCBT技术相比较。
3.1 螺钉轴向抗拔出力拔出力是衡量内固定系统稳定性的重要指标之一。通过对比图3中的椎体应力云图可发现MCBT组相对于未强化CBT组提升37%，其原因可能为 MCBT螺钉充分利用了椎弓根的周缘骨质及上终板外侧处的皮质骨。而张治豪等[28]
的文献中新型变径全皮质骨螺钉的最大拔出力为
(1 443±92.6) N，与此文(1 657.33±45.79) N之间存在一定的差异，差异的出现可能是两者使用皮质骨最大剪切模量不同，皮质骨的最大剪切模量会对抗拔出力的计算产生影响。对于骨质疏松症患者骨水泥强化CBT技术可以提供更好的抗拔出力，有研究表明骨水泥强化CBT 螺钉在拔出实验中与未强化CBT螺钉相比，轴向拔出力提高了62.19%[12]。而此次研究结果表明，骨水泥强化CBT组轴向抗拔出力比未强化CBT组提升46.17%，与文献中的数据存在一定差异，进一步分析导致这种结果的原因可能是因为分析样本数量过少。但两者的趋势相同，即骨水泥强化CBT螺钉力学指标明显高于无骨水泥强化的CBT螺钉，表明骨水泥强化CBT螺钉效果良好。另外从图3的应力云图可见，3种钉道的应力集中主要出现在皮质骨区域，而钉道中流失的松质骨不会对CBT螺钉以及MCBT螺钉的力学性能造成明显影响，也进一步证实CBT技术固定起关键作用的是钉道中的皮质骨区域，这与SANTONI等[9]发现拔出力与松质骨骨密度无明显相关性的结果一致。
3.2 螺钉稳定性螺钉置入椎体后不仅需承受轴向拔出力，其尾部还会受到来自各个方向的力，这些力的综合作用可能导致螺钉松动。CBT钉道因穿越4层皮质骨(包括起点、椎弓根内壁、椎弓根上壁)，显著增强了螺钉的机械稳定性和拔出强度[29]。此次研究发现，相较于未强化CBT组，骨水泥强化CBT组与MCBT组在螺钉稳定性方面均有显著提升。具体而言，在上方工况下，强化CBT组与MCBT组的稳定性分别提升了52.5%和28.18%；在下方工况下，分别提升了52.45%和44.41%；在左侧工况下，分别提升了39.4%和26%；在右侧工况下，则分别提升了30.84%和23.2%。然而，与骨水泥强化CBT螺钉相比，采用MCBT技术的新型变径全皮质骨螺钉进行内固定手术后，螺钉的稳定性略有降低，具体表现为在上、下、左、右4种工况下分别降低了15.98%，5.27%，9.65%和5.79%。
针对这一结果，作者进一步分析了可能的原因：首先，此次研究中采用的CBT螺钉(长度为
40 mm，直径为5.5 mm)与MCBT组螺钉(长度为
45 mm，近端直径为5.5 mm，远端直径为4.3 mm)在尺寸上存在差异，其中CBT组螺钉的尾端更粗，但MCBT组的螺钉更长。根据MATSUKAWA等[30]的研究，更大直径和更长的螺钉能够显著提升螺钉的力学性能，这可能部分解释了CBT组螺钉稳定性略低的原因。其次，骨水泥强化CBT螺钉尾部固定的骨水泥强度可能高于MCBT螺钉尾端接触的少量皮质骨，这也是影响螺钉稳定性的一个重要因素。
3.3 椎体活动度 CBT螺钉在侧向弯曲和轴向旋转方面的稳定性表现相对不足，这一观点在近期的研究中得到了进一步证实[31-33]。此次研究通过观察发现，未强化CBT组与MCBT组的椎体活动度显著高于骨水泥强化CBT组，这一发现清晰地揭示了骨水泥强化CBT组在椎体稳定性方面展现出的显著优势。
在具体工况下，MCBT组相较于未强化CBT组，在前屈、后屈、左侧弯、右侧弯及轴向旋转工况下的椎体活动度分别减少了6.52%，4.75%，4.65%，10.09%及16.21%。表明采用新型变径皮质骨螺钉的MCBT技术在椎体稳定性方面相较于CBT技术有显著提升，可能是由于MCBT技术更好地利用了脊柱的三柱效应，并充分利用了上终板处的皮质骨，从而增强了各种工况下椎体的稳定性。
然而，在对比骨水泥强化CBT组与MCBT组时，发现强化CBT组在前屈、后屈、左侧弯、右侧弯及轴向旋转5种工况下的腰椎活动度均低于MCBT组，具体减少幅度分别为6.66%，10.84%，7.85%，9.27%及18.1%。这表明在腰椎活动度方面，骨水泥增强CBT组相较于MCBT组具有更优的表现，经过骨水泥强化后的CBT螺钉由于尾端骨水泥与椎体内松质骨螺钉紧密结合，在腰椎受到外力的情况下，三者的结合界面可能比MCBT技术接触的皮质骨更为可靠。此外，已有研究表明，采用骨水泥强化的CBT技术进行内固定手术能够提供更高的拔出强度、拧入扭矩和疲劳性能[34]，这与此次研究显示的观点一致。
3.4 此次研究的局限和不足 ①腰椎内部结构即皮质骨与松质骨的材料属性设置虽遵循一般设定，但过于单一，例如椎体后部棘突等材料属性可能与前端不同，与人体真实骨骼属性之间存在显著差异；②骨水泥建模因临床样本稀少而过于理想化，可能导致螺钉生物力学性能分析结果存在偏差；③此次实验仅采用静力学有限元分析方法，缺乏与动力学方法的结合，未能够全面评估腰椎在运动状态下的相关力学性能；④椎体标本数量有限，限制了研究结果的普遍性和准确性，未来研究需扩大样本量以增强结论的可靠性。
3.5 结论由以上分析可见，在抗拔出力方面，强化CBT组对比MCBT组略有提升且有统计学意义，两者对比未强化CBT组有较大提升；在上、下、左、右4种工况下的螺钉稳定性方面，强化CBT组对比MCBT组有提升但无统计学意义；后屈工况下强化CBT组腰椎稳定性对比未强化CBT组有统计学意义；强化CBT组与MCBT组在螺钉稳定性方面均无统计学意义。此次研究中骨水泥强化CBT螺钉相较于MCBT钉道下新型变径螺钉在螺钉抗拔出力、位移载荷比、腰椎活动度等方面均具有更优的生物力学性能，可为骨水泥强化CBT螺钉在临床治疗骨质疏松性脊柱退行性疾病中的应用提供参考数据。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

骨水泥强化皮质骨轨迹螺钉与新型变径全皮质骨螺钉的力学分析

Mechanical analysis of a bone cement-augmented cortical bone trajectory screw versus a new variable-diameter all-cortical bone screw

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 7

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	刘文龙, 董磊, 肖争争, 聂宇. 骨质疏松患者行固定平台单髁置换后胫骨假体松动的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2191-2198.
[2]	郑汪杨, 费冀, 杨砥, 赵浪, 王伶俐, 刘鹏, 李海洋. 有限元分析肱骨外展与前屈运动中冈上肌腱及盂肱关节的受力变化[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2199-2207.
[3]	蔡其锐, 戴小玮, 郑晓斌, 简思莉, 卢绍平, 刘特熹, 刘国科, 林远方. 龙氏牵引下正骨法对颈椎功能单元的力学影响：头颈生物力学模型定量分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2208-2216.
[4]	饶敬澄, 李豫皖, 郑红兵, 徐志, 朱爱祥, 史册, 王冰, 杨春, 孔祥如, 朱大伟. 新型股骨近端稳定髓内钉与传统髓内钉生物力学的差异[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2217-2225.
[5]	陈龙, 王小阵, 席金涛, 鲁齐林. 短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2226-2235.
[6]	闫相宁, 陈雷, 陈永欢, 王超, 李小生. 下蹲动作中不同深度和负荷对膝关节力学和周围肌肉力量特征的影响[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2236-2247.
[7]	张子峥, 罗旺, 刘长路. 膝内侧间室骨关节炎单髁置换中有限元分析的应用价值[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2313-2322.
[8]	张先绪, 马忠, 刘欣, 黄磊, 沈文翔, 罗志强. 腰椎融合联合单侧固定治疗腰椎退行性疾病：生物力学、技术演化及临床应用[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2334-2342.
[9]	陈惠挺, 曾伟权, 周剑鸿, 王杰, 庄聪颖, 陈培友, 梁泽乾, 邓伟明. 椎体成形中拖尾锚定治疗伴裂隙征骨质疏松性椎体压缩骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2145-2152.
[10]	曾轩, 翁汭, 叶仕成, 唐佳栋, 莫凌, 李文超. 两种腰椎旋扳手法治疗腰椎间盘突出症：生物力学差异的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2153-2161.
[11]	程旗圣, 居来提·买提肉孜, 肖扬, 张陈伟, 帕尔哈提·热西提. 新型变径螺钉在腰椎改良皮质骨轨迹中的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2162-2171.
[12]	武泓序, 刘轩宇, 王韬宇, 王诗尧, 程靖祎, 张鸣文, 张银霞, 刘治华, 王晓洁. 引入肌肉单元的脊柱侧弯有限元仿真：双向载荷的矫形效果验证[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2172-2181.
[13]	刘佳富, 任茹霞, 廖州伟, 周夏丽, 吴益宏, 张少群. 颈性眩晕模型大鼠颈椎生物力学特性的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2182-2190.
[14]	周道斌, 王科豪, 谢洋, 宁仁德. 掌侧锁定钢板与联合背侧钢板固定桡骨远端骨折尺背侧骨折块的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2255-2261.
[15]	张楠, 孟庆华, 鲍春雨. 踝关节有限元模型的特性及临床应用[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2343-2349.