椎弓根螺钉及颈椎体螺钉置入内固定后的生物力学及稳定性比较

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.35.006

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

椎弓根螺钉置入技术：从大的角度来说是脊柱生物力学研究的综合产物，该技术能够为机体脊椎提供不同部位的固定，获得多平面的稳定性，且具备三维空间矫正作用，成为脊柱的主要修复方法。从人体解剖角度来说，脊柱承载的负荷较多，机体运动时活动幅度、活动量也比较大，螺钉置入脊柱后如果生物力学性能及稳定性达不到要求，容易导致螺钉的握持力不足发生松动，从而增加了患者治疗后并发症的发生率。

前路颈椎间盘切除植骨融合：为目前颈椎病等疾病的主要手术修复方法，能够有效提高临床疗效，提供坚强固定，且术后植骨融合率较高。但是，该方法尚存在较多局限性，对于2个节段及以上患者，置入难度较大，治疗后稳定性也比较差，导致患者术后出现置入融合失败、假关节成形等并发症，影响预后。

摘要

背景：从人体解剖角度来说，脊柱承载的负荷较多，机体运动时活动幅度、活动量也比较大，螺钉置入脊柱后如果生物力学性能及稳定性达不到要求，容易导致螺钉的握持力不足发生松动，从而增加了患者治疗后并发症的发生率。

目的：对比内固定椎弓根螺钉与颈椎体螺钉置入脊柱后的生物力学性能及其稳定性。

方法：选取100个人体下颈椎椎体标本进行分析，随机分为颈椎体螺钉组与内固定椎弓根螺钉组。分别将内固定椎弓根螺钉与颈椎体螺钉置入人体下颈椎标本中，采用Electro Force 3510材料试验机对标本进行轴向拔出力、疲劳加载后轴向拔出力、固定稳定性等生物力学测试，比较2种螺钉置入脊柱后的生物力学性能及其稳定性。

结果与结论：①内固定椎弓根螺钉组即时拔出力、即时拔出刚度均显著高于颈椎体螺钉组(P < 0.05)；②2组虽然疲劳拔出力和疲劳拔出刚度差别不大，但是经统计学分析二者差异有显著性意义(P < 0.05)，内固定椎弓根螺钉组显著高于颈椎体螺钉组；③结果提示，内固定椎弓根螺钉置入脊柱后能够为机体提供足够的内固定稳定性，且具备较好的抗疲劳特性，可提高置入脊柱后的即时拔出力和疲劳拔出力，稳定性更强。

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

ORCID:0000-0002-6026-8514(刘淼)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 内固定椎弓根螺钉, 颈椎体螺钉, 生物力学, 稳定性, 轴向拔出力, 固定稳定性, 拔出刚度

Abstract:

BACKGROUND: From the point of view of human anatomy, the load of the spine is more. When the body moves, the range of activities, and activity are relatively large. After screws were implanted in the spine, if biomechanical properties and stability are not up to the standard, it easily leads to lack of grip force of screw and screw loosening so as to increase the incidence of complications after treatment.

OBJECTIVE: To compare biomechanical properties and stability of the spine after insertion of pedicle screw and cervical vertebral screw into the spine.

METHODS: 100 vertebrae under human cervical spine specimens were analyzed and randomly divided into cervical vertebral screw fixation group and pedicle screw fixation group. Cervical vertebral screws and pedicle screws were implanted in lower cervical spine specimens. Electro Force 3510 material testing machine was used to test axial pull-out force, axial pull-out strength after the fatigue loading, and fixed stability. The biomechanical properties and stability were compared after two kinds of screws were implanted in the spine.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Instantaneous pull out force and immediate pull out stiffness were significantly higher in the pedicle screw fixation group than in the cervical vertebral screw fixation group(P < 0.05). (2) Fatigue pull-out strength and fatigue pull-out stiffness did not have significant differences in both groups, but statistical analysis showed significant differences (P < 0.05). Fatigue pull-out strength and fatigue pull-out stiffness were significantly higher in the pedicle screw fixation group than in the cervical vertebral screw fixation group. (3) These results suggested that pedicle screw fixation after implantation in the spine provides sufficient fixation stability, has better fatigue resistance, elevates instantaneous pull-out force and fatigue pull-out strength, and presents strong stability.

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

Key words: Cervical Vertebrae, Internal Fixators, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

刘淼，尚显文，宁旭，庄勇，许顺恩. 椎弓根螺钉及颈椎体螺钉置入内固定后的生物力学及稳定性比较[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(35): 5210-5215.

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图/表（结果） 3

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引言

脊椎退行性疾病、脊柱肿瘤、脊柱感染等均是发生率较高的脊柱外科疾病，发病后早期如果未得到有效治疗，将会诱发其他疾病，严重者将威胁其生命^[1]。原则上，对于脊柱疾病一旦确诊应该立即行手术治疗，以解除脊髓压迫，保护和改善机体脊椎功能^[2-3]。但是，由于产生压迫的结构更多的集中在脊髓前方，应该治疗时更多的选择前路手术^[4]。随着脊柱生物力学研究及材料学科的发展，内固定椎弓根螺钉在脊柱相关疾病中得到运用，它能够完成脊椎的三柱固定，更加符合人体生物力学性能要求，成为当前运用较多的脊椎内固定系统^[5-6]。

随着医疗技术的飞速发展，椎弓根螺钉技术在脊柱外科疾病中得到运用，并成为脊椎外科史上的里程碑^[7-8]。椎弓根螺钉技术从大的角度来说是脊柱生物力学研究的综合产物，尤其是后路经椎弓根短器械内固定技术，该技术能够为机体脊椎提供不同部位的固定，获得多平面的稳定性，且具备三维空间矫正作用，成为脊柱的主要修复方法^[9-10]。从人体解剖角度来说，脊柱承载的负荷较多，机体运动时活动幅度、活动量也比较大，螺钉置入脊柱后如果生物力学性能及稳定性达不到要求，容易导致螺钉的握持力不足发生松动，从而增加了患者治疗后并发症的发生率^[11]。研究显示，内固定患者早期并发症发生率与内固定设计以及置入脊柱后的生物力学性能、稳定性关系密切^[12-13]。因此，研究内固定椎弓根螺钉置入脊柱后的生物力学性能及稳定性具有重要的意义。就脊柱的生物力学性能而言，主要采用固定螺钉的即时轴向拔出力作为其指标，但是该指标仅能反应螺钉的即时稳定性，不能评价其长期稳定性及对颈椎运动情况的影响，因此研究时需要增加相关疲劳试验，了解内固定椎弓根螺钉的综合性能^[14-15]。

文章选取100个人体下颈椎椎体标本进行分析，比较内固定椎弓根螺钉与颈椎体螺钉置入脊柱后的生物力学性能及其稳定性。

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材料方法

1.1 设计 随机对照实验。

1.2 时间及地点 于2013年9月至2015年10月在贵州医科大学附属医院骨科完成。

1.3 材料 选取20具人体尸体标本，100个人体下颈椎椎体标本，采用随机数字表法将标本分为颈椎体螺钉组与内固定椎弓根螺钉组。入选标本均经过正侧位X射线片，排除畸形、肿瘤等骨性结构异常标本。将获得的标本存在双层塑料袋密封后，存放在-20 ℃，检测生物学性能前自然解冻。

内固定椎弓根螺钉：直径4.0 mm，螺纹长32 mm，螺距1.75 mm，螺纹深度0.75 mm，钛合金材质，由辛迪思(上海)医疗器械贸易有限公司生产提供。

颈椎体螺钉：直径4 mm，螺纹长12 mm，螺距1.75 mm，螺纹深度为0.75 mm，长度为12.8 mm，钛合金材质^[16-17]，由辛迪思(上海)医疗器械贸易有限公司生产提供。

1.4 方法

1.4.1 置入方法分别将内固定椎弓根螺钉与颈椎体螺钉置入人体下颈椎标本中，方法如下：参照koller方法置入螺钉，标本包埋完毕后，选择一侧椎体前缘进钉点钻孔，并采用2.0 mm手锥沿着椎弓根方向轻轻钻入，保证螺钉能够自然置入，深度控制在30 mm，确认后置入内固定椎弓根螺钉与颈椎体螺钉。

置入过程中观察椎体后壁是否穿透、韧带是否破坏^[18-19]。

1.4.2 生物力学测定及稳定性测定

轴向拔出力：采用Electro Force 3510材料试验机对标本进行轴向拔出力、疲劳加载后轴向拔出力、固定稳定性等生物力学测试^[20-21]。将包埋好的标本将2种螺钉从前缘置入椎体，利用自制夹具固定在材料试验机上，调整好标本钳角度，保证螺钉受力点与试验机的加载点保持在同一轴线上。固定标本后，根据位移控制模式进行加载，加载速率5 mm/min，记录获得的相关数据。采用试验机配套相关软件绘制载荷-位移曲线，曲线的定点值为螺钉最大轴向拔出力，测出拔出的刚度^[22-23]。

周期疲劳试验：在进行周期疲劳试验前先进行螺钉的周期性屈曲疲劳加载，模拟螺钉置入后长期在机体内的稳定性，调节循环载荷力臂垂直于螺钉的力臂轴，铰链处喷洒润滑剂，预实验测定振幅±2.5 mm能够在螺钉产生2 N•m的力矩，采用位移自控加载^[24-25]。

1.5 主要观察指标 观察2组椎体骨密度值及骨矿盐含量；观察2组螺钉即时拔出力及拔出刚度；观察2组螺钉疲劳拔出力及拔出刚度。

1.6 统计学分析 采用SPSS 18.0软件对采集到的数据进行分析，其中符合正态分布的数据进行单因素方差分析，存在统计学意义予以LSD法两两比较。P < 0.05提示经比较两组数据间差异有显著性意义。

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讨论

脊椎外科疾病是临床上常见的疾病，这种疾病发病率较高，且疾病类型也比较多，常见的包括脊椎退行性疾病、脊柱肿瘤、脊柱感染等，患者发病后临床症状显著，如果不采取积极有效的方法治疗将会诱发其他疾病，严重者将会导致机体功能丧失、瘫痪等，影响患者正常的生活和工作^[26]。

目前，对于脊椎外科疾病更多的以手术治疗为主，帮助患者彻底充分减压、减轻骨性融合，提高临床疗效^[27-28]。前路颈椎间盘切除植骨融合是临床上常用的修复方式，它能够为患者提供更高的融合率，并且融合率较高。但是，该修复方法在运用时存在较大的局限性。对于多节段病变患者，该方法失败率较高，且治疗后生物力学性能及稳定性较差^[29-30]。

近年来，内固定椎弓根螺钉在脊椎疾病患者中得到应用，且效果理想。该方法最早由Koller等提出，且相关学者对其进行了解剖学研究，结果显示进钉参数C₃-C₄进钉点位于置入钉椎弓根对侧，C₅-C₇位于进钉点椎弓根同侧，置入长度为30 mm时能够获得较高的生物力学性能及稳定性^[31-32]。相关学者采用Smith- Robinson方法，前路颈椎间盘切除植骨融合单节段融合率为95.6%，2节段为75%，但是涉及3个节段融合率仅有56%。对于多阶段跨度相对较大，容易引起钢板螺钉的松动和假关节形成，并且对于多阶段钢板的内固定，翻修过程中反复攻丝或者植骨块位置不确切等均容易引起螺钉的松动、脱落等，尤其在骨质疏松症患者及钉道状况较差者更加容易发生。通过研究内固定椎弓根螺钉置入脊柱后的生物力学性能能确定螺钉的稳定性，为后续选择合适的螺钉提供依据和参考。

临床上，影响螺钉固定稳定的因素也相对较多，主要包括螺钉和椎体。螺钉是内固定稳定中占据重要比例，包括螺钉的形状、长度、置入位置以及置入方向等^[33-34]。而椎体因素则主要包括骨密度、强度等因素。将螺钉置入脊柱后，部分患者容易发生脱出、松动等现象。通过最大轴向拔出力能够测定不同螺钉的把持力。其主要取决于螺钉螺纹与骨质间抗剪切应力的大小，利用测定时记录的载荷-位移曲线，则能够计算出最大轴向拔出力等参数^[35-36]。文章中，内固定椎弓根螺钉组拔出力、拔出刚度显著高于颈椎体螺钉组(P < 0.05)。但是，临床上单一的采用即时拔出力测试并不能模拟人体正常生理状态下周期性屈伸等生理活动对螺钉长期置入机体内稳定性的影响。因此，实验中加入了疲劳加载参数模拟机体屈伸运动。

螺钉内固定稳定的关键在于骨-钉界面的把持力，影响螺钉稳定性的因素主要有：螺钉本身和椎体，螺钉本身因素则包括螺钉的形状、长度及螺钉位置和方向等；而椎体因素则包括骨质密度、强度等。将螺钉置入骨质疏松椎骨中，其发生脱出、松动情况较断裂常见。最大轴向拔出力测试是评价不同螺钉把持力最为常用的方法，其主要取决于螺钉螺纹与骨质之间的抗剪切应力大小，通过测定最大拔出轴向力参数能评价骨-钉界面对螺钉的稳定性指标。但是，即时拔出力测定并不能完全模拟人体颈椎生理状态下的周期性屈伸等运动对螺钉长度稳定性的影响。因此，通过疲劳加载来模拟周期性屈伸运动是比较理想的方法。

相关学者进行了研究，结果显示，对样本施加一定频率的周期性屈伸加载的疲劳测试结合轴向拔出力试验能够有效的反应螺钉的稳定性^[37-38]。文章中内固定椎弓根螺钉组疲劳拔出力、疲劳拔出刚度显著高于颈椎体螺钉组(P < 0.05)。由此看出，内固定椎弓根螺钉置入脊柱后能够获得更强的抗疲劳特性，能够提高临床疗效，促进机体早期恢复。

而对于内固定椎弓根螺钉准确性判断，相关学者进行了一次研究，研究中对712枚颈椎椎弓根螺钉进行分析，并采用影像学资料进行评估，结果显示，45枚螺钉穿破椎弓根，穿破率达到6.3%。因此，临床上采用内固定椎弓根螺钉置入脊柱时必须充分考虑置钉的方法，善于根据解剖标志、影像导航以及导航模板等选择合适的置入方式；同时置钉椎骨在选择时应该进行影像学检查，了解椎弓根的大小，选择合适的螺钉，降低螺钉的穿破率^[39]。此外，患者选择内固定椎弓根螺钉置入脊柱时尽可能选择经验丰富医师进行手术，判断螺钉位置存在的标准差异，提高置入成功率，降低术后并发症发生率。随着医疗技术的飞速发展，椎弓根螺钉系统以及数字医学的不断发展，不久将来将会进一步提高和维持内固定椎弓根螺钉稳定性，便于患者早期功能锻炼和骨折愈合^[40]。

综上所述，内固定椎弓根螺钉置入脊柱后能够为机体提供足够的内固定稳定性，且具备较好的抗疲劳特性，可提高置入脊柱后的即时拔出力和疲劳拔出力，置入后更加稳定，具有较高的临床应用价值。

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