影响椎弓根螺钉固定强度的相关因素

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.43.022

摘要/Abstract

摘要：

背景：椎弓根螺钉作为一种较为优良的脊柱内固定手段，近几年来已越来越广泛应用于临床实践中。
目的：探讨影响椎弓根螺钉固定强度的相关因素，为临床选择椎弓根螺钉类型提供生物力学依据。
方法：通过检索近年来文章内容与椎弓根螺钉的生物力学相关文献，从椎弓根螺钉器械自身几何形态因素、植入技术因素、椎弓根解剖因素、椎体的骨密度因素、螺钉的制作工艺及材料性能因素等对固定强度的影响相关研究成果作回顾性分析，为临床提供理论依据。
结果与结论：文章结果显示椎弓根螺钉的自身形态如螺钉大小、螺纹形状、疲劳特性是影响固定强度的主要因素，椎体的骨密度、螺钉的制作工艺及材料性能也是影响固定强度不可忽视的因素。通过增加螺钉的直径、改进螺钉形态设计、强化骨质、改进操作技术可以提高螺钉的拔出力，提高螺钉的稳定性。

关键词: 骨关节植入物, 骨与关节学术探讨, 椎弓根螺钉, 内固定, 脊柱, 椎弓根, 生物力学, 螺钉拔出力, 螺钉直径, 螺纹设计, 生物材料, 骨密度, 椎弓根进钉点

Abstract:

BACKGROUND: Pedicle screw is a good means for internal fixation and has been widely used in clinical practice.
OBJECTIVE: To explore the factors influencing the fixation strength of pedicle screws, and to provide biomechanical basis for clinical selection of pedicle screws.
METHODS: The recently published studies addressing the biomechanics of pedicle screws were retrieved, and those focusing on the influence of pedicle screw geometry, implantation technique, pedicle anatomical factor, vertebral bone density, screw manufacturing process and material properties on the fixation strength of pedicle screws were retrospectively analyzed, thus providing theoretical basis for clinical treatment.
RESULTS AND CONCLUSION: Results showed that, the appearances of pedicle screws such as screw size, screw thread form and fatigue property are the main factors associated with the fixation strength, in addition, vertebral bone density, screw manufacturing process and material properties cannot be ignored. The screw withdrawal force and stability can be improved by increasing screw diameter, improving screw design, strengthening bone density, and modifying operations.

Key words: spinal fractures, fracture fixation, internal, bone nails, bone density, biomechanics

中图分类号:

R318

殷建新. 影响椎弓根螺钉固定强度的相关因素[J]. 中国组织工程研究, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.43.022.

Yin Jian-xin. Influencing factors of fixation strength of pedicle screws[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.43.022.

图/表（结果） 5

2 影响椎弓根螺钉固定强度的相关因素 Influencing factors of fixation strength of pedicle screws

2.1 椎弓根螺钉的自身设计对固定强度的影响

2.1.1 椎弓根螺钉的形状李超等^[16]比较了锥形与柱形椎弓根螺钉在下胸段及腰段的生物力学差异性及影响因素。将6具成人新鲜T₉-L₅脊柱标本分解为54个椎体标本，随机选取一侧按标准方法放置特制试验用直径5.5 mm锥形螺钉，然后在MTS力学试验机上先后测量其最大扭矩及最大拔出力，在对侧以同样的方法进行5.5 mm柱形螺钉的实验，为了便于比较，实验所采用的两种椎弓根螺钉为等直径、等长度、等螺距，而且每次进钉的长度相等，结果见表1。

杨惠林等^[17]在分析504例弓根内固定治疗胸腰椎骨折中的失误和并发症的基础上，对螺钉进行改进，螺钉外直径不变，内直径为锥形，使整个钉部的强度从钉尖钉钉肩部呈均匀增加，经生物力学实验研究和临床应用，证明这种设计具有良好的复位作用、椎管间接减压作用和足够的抗压抗扭强度，从而克服了原有螺钉在螺纹与螺轴交界处强度突变而致应力集中易发生断钉的弱点。谭映军等^[18]对内锥及外锥形椎弓根螺钉的生物力学进行了比较，结果显示外锥形椎弓根螺钉在正常椎弓根内的最大拨出力为(996.17±54.69) N，内锥形椎弓根螺钉在正常椎弓根内的最大拔出力为(667.17±24.74) N，差异有显著性意义，因此，椎弓根螺钉设计成外锥形可提高螺钉的拔出力。2.1.2 椎弓根螺钉的螺纹设计椎弓根螺钉的松动和拔出直接影响内固定器的固定效果，这与椎弓根螺钉的螺纹形状有一定的关系。从物理学上讲，单位面积上压力越大，其压强也越大，因此，螺钉的螺纹与骨的接触面越大，相应的压强就越小，要使骨-螺钉的界面破坏，所需的压力就越大。Inceoglu等^[19]研究发现不对称螺纹的圆锥形椎弓根螺钉较V形螺纹的圆锥形椎弓根螺钉具有更显著的旋入力矩，可能会提供更强的固定强度。潘显明等^[20]为了解不同形状螺纹的椎弓根螺钉在椎弓根内的拔出力的大小，给临床应用不同类型的经椎弓根内固定器提供实验依据，方法采用4种形状螺纹的椎弓根螺钉，4种螺钉长45 mm，螺纹长40 mm：Diapason的螺高2 mm，尖端外径6 mm，尾端外径7 mm，螺纹深0.5 mm；AF的螺高2 mm，外径6 mm，尖端螺纹深0.7 mm；Dick的螺高2 mm，外径6 mm，螺纹深0.5 mm；CCD的螺高3 mm，外径6 mm，螺纹深1 mm，分别在椎弓根内及椎体松质骨中进行拔出试验，观察其拔出力的大小情况，结果见表2。

实验结果显示，在椎弓根内，Diapason的拔出力最大，CCD及Dick次之，AF的拔出力最小，而在松质骨内，Diapason及CCD则无差别，AF其次，Dick拔出力最小，说明外锥螺纹式的螺钉Diapason可在各种不同类型的骨折中使用。同时也说明，椎弓根螺钉在皮质骨中较松质骨中有更大的抗拔出力，如骨螺钉界面的皮质骨较多，其抗拔出力较大，螺纹切入骨皮质的多少与螺钉的直径相关，直径越粗，切除的则越多，因此为了消除椎弓根螺钉在椎弓根的骨皮质中切入不均而造成的误差，实验中设计了再椎体松质骨中的拔出试验。2.1.3 椎弓根螺钉的直径研究者多用轴向拔出力评价椎弓根螺钉固定强度，因为轴向拔出力主要由螺钉和其周围的骨组织之间的剪切应力所决定，可以较好地反映骨-螺钉界面结合的初始强度。椎弓根螺钉的轴向拔出力受许多因素影响，包括：螺钉的自身结构、骨密度及置钉方法等。丁宇等^[21]探讨不同直径与长度螺钉翻修及骨水泥强化后椎弓根固定的强度，评价其生物力学效果。采用10具新鲜成人尸体T₁₀-L₅节段共80个椎体标本，首先置入5.5 mm/45 mm椎弓根螺钉作为对照组，再将脊椎标本随机平分为Ⅰ、Ⅱ两大组。Ⅰ组中40个椎体各随机选择一侧椎弓根应用6.25 mm/45 mm螺钉翻修(Ⅰa组)，另一侧椎弓根应用7.0 mm/45 mm螺钉翻修(Ⅰb组)；Ⅱ组中40个椎体各随机选择一侧椎弓根应用6.25 mm/55 mm螺钉翻修(Ⅱa组)，另一侧椎弓根应用7.0 mm/55 mm螺钉翻修(Ⅱb组)。在美国产858Mini-MTS生物力学实验机上测试最大拔出力及最大扭力矩，并进行统计分析，结果见表3。

2.1.4 椎弓根螺钉的长度王正等^[22]探讨胸腰椎骨折采用椎弓根螺钉内固定，其疗效与螺钉固定的长度因素的相关性，为此进行生物力学分析，为临床手术提供依据。McKinley等^[23]通过研究发现相对于40 mm和45 mm长的椎弓根螺钉，35 mm长的椎弓根螺钉在椎体内所承受的弯曲力矩增加16%，因此，建议临床上应尽量使用400 mm以上的螺钉，椎弓根螺钉进入椎体足够深度，不但可以获得与骨组织的牢固结合，而且可以有效的握持整个椎体。治疗中应注意椎弓根螺钉固定相关因素，这对提高预后质量，减少并发症起着重要作用。

Krag等^[24]研究发现椎弓根螺钉植入深度增加骨-螺钉结合强度，椎弓根螺钉在腰椎椎体内5 mm长度的差异就可以产生螺钉固定效果的差异。需要注意的是螺钉长度越长越容易破坏椎体前柱，有引起内脏及血管损伤的风险。Brantley等^[25]研究发现在骨质疏松骨质中，加入螺钉截面积占椎弓根截面积70%以上时，增加螺钉长度能有效的提高骨质疏松性骨折的固定强度。但增加螺钉长度，相应增加固定深度是受椎体大小及椎弓根长度限制的。Polly等^[26]认为增加椎弓根螺钉长度不能明显增加固定强度，椎弓根螺钉直径增加1 mm并不能显著增加其与骨界面的切合，若同时增加直径和长度，则可增加螺钉置入的最大扭矩，因此，两者会发生协同作用增加固定强度。

2.1.5 椎弓根螺钉的材料 Eulenberger等^[27]通过动物实验表明钛合金螺钉能够较多的与骨结合，比不锈钢螺钉具有更大的拔出力。目前市场上有很多类型的椎弓根螺钉装置出现，相对不锈钢而言，行钛合金椎弓根螺钉装置进内固定后进行CT和磁共振成像检查时对其图像产生的干扰和假象较小，有利于植骨块和神经方面的随访和评估。

孙常太^[28]从组织学和力学上比较钛合金与不锈钢椎弓根螺钉的骨-螺钉介面的区别。实验结果表明，钛合金比不锈钢椎弓根螺钉具有较高的扭转扭矩、硬度，骨与螺钉表面直接接触在钛合金组占43.8%，而不锈钢组仅仅29.4%，两者具有明显差别(P < 0.05)，两种材料的螺钉表面都有骨的直接结合，但钛合金具有更多的骨结合，这种结合不是分子或化学键之间的结合，而是由于钛合金本身的硬度和特有的金属表面性质决定的。

2.2 椎弓根解剖因素对固定强度的影响

2.2.1 椎弓根结构特点 Hirano等^[29]通过对椎弓根骨质结构的研究认为椎弓根皮质下骨质密度较骨小梁高，椎弓根螺钉固定纵向负载强度的80%，拔出强度的60%取决于椎弓根而不是椎体，认为螺钉的螺纹应完全啮合于椎弓根内外侧皮质下骨质才能达到最大固定强度。Zdeblick等^[30]研究了椎弓根宽度与拔出力量的关系，在螺钉直径不变时，椎弓根宽度与螺钉的拔出力量呈负相关。

2.2.2 椎弓根椎体的骨密度椎体骨密度对椎弓根螺钉固定的强度具有重要影响，是预测螺钉固定的稳定性的重要指标。Okuyama等^[31]通过测量标准的骨密度，研究与拔出强度的关系，认为骨密度每降低10 mg/cm³，其拔出力量大约减少60 N。Yamagata等^[32]研究中也发现骨密度与拔出力相关，在骨质疏松的病例中，固定强度明显降低。

李增春等^[33]探讨骨密度、对椎弓根螺钉系统固定的影响。采用6具新鲜腰段脊柱标本，测试每个椎体的骨密度，并游离成单个完整椎体标本，按骨密度 0.9 g/cm²为正常值的最低限。将标本分为正常组和骨质疏松组。按标准操作安置椎弓根螺钉，应用生物力学方法，测试螺钉最大轴向拔出力和矢状面摆动1°-5°时的弯矩，结果见表4。

2.3 椎弓根螺钉植入方向和位置对固定强度的影响陈群等^[34]研究了脊柱椎弓根螺钉并横向牵引装置的把持力与外倾角的关系。将18只成人腰椎干燥标本随机分为3组，每组6只，取外倾角5°为A组，外倾角15°为B组，外倾角30°为C组，分别以5°、15°、30°的外倾角打入直径5.5 mm的椎弓根螺钉，钉尾用横向牵引装置连接，测定把持力及椎弓根螺钉拔出时椎体波坏情况，结果见表5。

实验研究结果表面，在控制了追宫格落定的直径、长度、螺纹参数、骨密度等因素时，在应用经椎弓根螺钉内固定并加用横向牵引装置时，适当增加外倾角，可增大螺钉的把持力，提高固定强度，但外倾角过大则易对椎体造成破坏。因此，在使用有横向牵引装置的经椎弓根螺钉内固定系统时，采用15°左右的外倾角可提供较大的把持力，同时也不致对椎体产生过大的应力而造成破坏。付长峰等^[35]探讨了在胸椎节段应用椎弓根旁路法植入椎弓根螺钉的力学可行性，结果显示,旁路法螺钉的平均拔出强度较经椎弓根入路法螺钉的拔出强度降低11.04%，但差异无显著性意义(P > 0.05)，因此，胸椎椎弓根旁路法植入椎弓根螺钉在力学上是可行的。Linhardt等^[36]对两种不同的置钉方法进行评价，与常规置钉技术相比，计算机辅助电视透视下植入的椎弓根螺钉的抗拔出力较大，认为计算机辅助电视透视下置钉能增加螺钉的拔出力。

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引言

脊柱内固定方法中，以椎弓根螺钉系统的稳定性最强^[1]。椎弓根螺钉因其良好的生物力学特性，成为了脊柱内固定器械家族中不可或缺的重要一员。理想的椎弓根螺钉设计应既能提供足够的固定稳定性，又有较高的自身强度，以防止螺钉弯曲、断裂的发生。椎弓根螺钉固定的生物力学研究对提高其固定技术、增强固定的稳定性、减少并发症和改进固定器械起着重要的促进作用^[2-3]。

生物力学研究表明，椎弓根螺钉固定可把持脊柱的前、中、后3柱，是椎骨中最坚强的固定点。这种固定强度足以保证通过较短节段内固定装置上的椎弓根螺钉与纵向连接棒之间的撑开、加压等作用力，提供三维矫正和坚强的内固定，恢复脊柱的正常排列，同时最大程度的保留了脊柱的活动节段，这是其他任何非椎弓根内固定技术所不能达到的^[4-5]。椎弓根的结构特点是椎弓根螺钉的解剖基础。同时研究发现，螺钉大小、进钉深度、螺钉外形、螺钉螺纹、疲劳特性、椎体的骨密度、螺钉的制作工艺及材料性能等是影响固定强度的主要因素^[6]。

1963年，Roy-Camille等^[7]首次应用椎弓根螺钉固定治疗胸腰椎骨折并取得了成功。几十年来，随着脊柱外科和生物力学的发展，极大的促进了椎弓根螺钉内固定技术的临床应用，出现了许多新的椎弓根螺钉内固定系统^[8-9]。

随着椎弓根螺钉的成功应用，其已成为脊柱外科医生最常用的治疗手段之一^[10]。但椎弓根螺钉内固定后植入物失败的病例屡见不鲜^[11-12]。如拔钉等，究其原因，除了复位不良、反复操作等因素外，最根本的原因在于椎弓根对椎弓根螺钉的保持力的大小，而把持力的大小与椎弓根螺钉的螺纹形状有一定的关系。如何改进螺纹的几何形态提高椎弓根螺钉的稳定性？

椎弓根是脊柱上最坚强的部分，所有从脊柱后部传递至椎体的力均经过此点。在椎弓根螺钉的发展过程中，生物力学不仅为内固定的研制提供理论基础，也是测试和评价新设计内固定效果的最终依据和标准。内固定系统生物力学研究主要包括强度研究、疲劳研究、稳定性研究及有限元研究。椎弓根螺钉极大的改善脊柱融合、重建的疗效，然而现有的技术和评价方法仍需进一步改进完善^[13]。因此，文章分析了影响椎弓根螺钉固定强度的相关因素，以期从人为能控制的因素除准确的置钉外，从螺钉的设计，设计参数包括螺钉的长度、直径、螺钉形状等方面进行改进，从而加强椎弓根螺钉的固定强度。

材料方法

1 资料和方法 Data and methods

1.1 资料来源 文章采用检索CNKI数据库和SCI数据库的方法获取相关研究文献^[14-15]，检索时间范围1986至2012年，检索词为“椎弓根螺钉（pedicle screw）；内固定(internal fixation)；脊柱(spine)；椎弓根(pedicle)；生物力学(biomechanics)；螺钉拔出力(screw pull-out strength)；螺钉直径(screw diameter)；螺纹设计(thread design)；生物材料(biomaterials)；骨密度(bone mineral density)”；椎弓根进钉点(pedicle screw entry point)”，检索出相关文献39篇，其中CNKI数据库文献15篇，SCI数据库文献24篇。按设定的主题要求，纳入研究的文献共21篇^[16-36]。

1.2 入选标准 ①研究的主题包括椎弓根螺钉的自身设计因素，椎弓根解剖因素及椎弓根螺钉内固定的操作技术因素等对固定强度的影响。检索的文献中排除与研究主题无关的文献8篇。②研究所撰写的文章类型包括原著、实验分析及病例分析等。检索文献中排除综述类文章5篇。③文献内容筛选如下，检索的文献中椎弓根螺钉的形状对固定强度的影响研究文献共3篇，3篇文献为同一实验项目，且为同一组实验人员进行的研究，定为重复研究文献，选取其中1篇进行深入分析。同样椎弓根结构特点对固定强度的影响的3篇文献也为重复文献，选取其中1篇进行深入分析。在椎弓根螺钉植入方向和位置对固定强度的影响研究中，同样检索出重复的2篇研究文献，选取其中1篇进行深入分析。

1.3 质量评估 符合纳入标准的21篇研究中，椎弓根螺钉的形状对固定强度的影响^[16-18]；椎弓根螺钉的螺纹设计对固定强度的影响^[19-20]；椎弓根螺钉的直径对固定强度的影响^[21]；椎弓根螺钉的长度对固定强度的影响^[22-26]；椎弓根螺钉的材料对固定强度的影响^[27-28]；椎弓根结构特点对固定强度的影响^[29-30]；椎弓根椎体的骨密度对固定强度的影响^[31-33]；椎弓根螺钉植入方向和位置对固定强度的影响^[34-36]。