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

doi:10.12307/2025.830

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (27): 5765-5772.doi: 10.12307/2025.830

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

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

木再帕尔·买吐送1，肖扬2，古丽米热·阿迪力3，支格尔·勒哈勒别克1，艾孜海尔·艾斯卡尔1，王轶希2，陈锐麟1，帕尔哈提·热西提2，4，5

1新疆医科大学第一临床医学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000；2新疆医科大学第一附属医院脊柱微创及精准骨科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000；3新疆医科大学第四临床医学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000；4教育部新疆(新疆医科大学)高发病率疾病研究重点实验室，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000；5新疆骨科临床研究中心，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000

收稿日期:2024-04-07 接受日期:2024-07-10 出版日期:2025-09-28 发布日期:2025-03-04
通讯作者: 帕尔哈提·热西提，主任医师，教授，博士生、硕士生导师，新疆医科大学第一附属医院脊柱微创及精准骨科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000；教育部新疆(新疆医科大学)高发病率疾病研究重点实验室，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000；新疆骨科临床研究中心，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000
作者简介:木再帕尔·买吐送，男，维吾尔自治区和田市人，新疆医科大学在读本科，主要从事生物力学方面的研究。
基金资助:
新疆维吾尔自治区杰出青年科学基金项目(2021D01E29)，项目负责人：帕尔哈提·热西提；新疆医科大学大学生创新训练计划项目(202210760027)，项目负责人：木再帕尔·买吐送

Biomechanical performance of novel fully cortical bone threaded screws in modified cortical bone trajectory screw technique for lumbar vertebrae

Muzaipaer · Maitusong1, Xiao Yang2, Gulimire · Adili3, Zhigeer · Lehalebieke1, Aizihaier · Aisikaer1, Wang Yixi2, Chen Ruilin1, #br# Paerhati · Rexiti2, 4, 5

1First Clinical Medical College, Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; 2Department of Minimally Invasive and Precision Orthopedics, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; 3Fourth Clinical Medical College, Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; 4Key Laboratory of High Incidence Diseases Research in Xinjiang (Xinjiang Medical University), Ministry of Education, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; 5Xinjiang Orthopedic Clinical Research Center, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2024-04-07 Accepted:2024-07-10 Online:2025-09-28 Published:2025-03-04
Contact: Paerhati · Rexiti, Chief physician, Professor, Doctoral and Master’s supervisor, Department of Minimally Invasive and Precision Orthopedics, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; Key Laboratory of High Incidence Diseases Research in Xinjiang (Xinjiang Medical University), Ministry of Education, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; Xinjiang Orthopedic Clinical Research Center, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Muzaipaer · Maitusong, First Clinical Medical College, Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
Outstanding Youth Science Fund Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region, No. 2021D01E29 (to PR); Undergraduate Innovation Training Program Project of Xinjiang Medical University, No. 202210760027 (to MM)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

骨密度：是通过X射线或其他方式对人体骨骼的矿物质含量、密度等进行分析所得出的表示骨骼强度的重要指标，还是用来预测患者发生骨折风险的重要依据。当骨密度指标异常时，通常预示着患者有骨骼疾病。
邻椎病：是发生于椎体邻近节段的一种退行性病变，也叫邻近节段病变，包括了邻近节段椎间盘的退变、关节突关节的退变、椎体不稳滑脱等病变，当出现腰痛、肌力减弱、下肢放射痛等相应症状时就叫邻椎病。

摘要
背景：骨质疏松骨小梁结构不足以维持螺钉把持力，常导致脊柱内固定失败，现今主要通过以下4个方面进行解决：①螺钉自身材质；②表面涂层的处理；③钉道固化策略；④螺钉形状。改良皮质骨轨迹置钉技术的钉道已被证实有良好的固定效果，但目前急需研发与之配套的螺钉。
目的：通过有限元分析法比较不同脊柱皮质骨螺纹螺钉在腰椎改良皮质骨轨迹置钉中的生物力学性能差异。
方法：根据3具成人湿性腰椎标本(2男1女)的CT数据构建L4椎体模型，并进行有限元分析。在改良皮质骨轨迹置钉技术中使用全皮质骨螺纹螺钉(单螺纹螺钉)，螺钉全长45 mm，直径为5.5 mm和4.5 mm，分别作为A、B组；与传统椎弓根螺钉技术组(C组，直径6.0 mm、长度
45 mm，双螺纹螺钉)和皮质骨轨迹置钉技术螺钉组(D组，直径4.5 mm、长度45 mm，双螺纹螺钉)进行对比。通过测定轴向抗拔出力、螺钉稳定性(上、下、左、右载荷位移比)、螺钉抗旋出扭矩比较各组螺钉的固定强度。
结果与结论：①轴向抗拔出力：A组 > B组(P=0.003)，且A、B组均 > C组(P < 0.001，P=0.003)和D组(均P < 0.001)；②螺钉稳定性：在螺钉上、下两个方向施加载荷时，4种螺钉载荷位移比值为A组 > B组(P > 0.05)，且A、B组 > C组(均P < 0.001)和D组(均P < 0.001)；③螺钉抗旋出扭矩：A组 > B组(P=0.008)，且A、B组均 > C组(P=0.008，P=0.131)；④提示在腰椎改良皮质骨轨迹置钉过程中，新型脊柱全皮质骨螺纹螺钉的力学性能与双螺纹螺钉在临床经典的椎弓根置钉轨迹及皮质骨轨迹中应用相比，具有更好的生物力学性能；且新型脊柱全皮质骨螺纹螺钉(D=5.5 mm、L=45 mm)可作为改良皮质骨轨迹置钉技术钉道最佳的适配。

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: 全皮质骨螺纹螺钉, 改良皮质骨轨迹, 腰椎, 轴向抗拔出力, 螺钉稳定性, 螺钉抗旋出扭矩, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Osteoporotic trabecular structures are insufficient to maintain screw holding force, often leading to spinal fixation failure. Currently, the following four aspects are mainly used to solve this problem: (1) screw material; (2) surface coating treatment; (3) screw channel solidification strategy; (4) screw shape. The screw channel of the modified cortical bone trajectory screw placement technique has been proven to have a good fixation effect, but there is an urgent need to develop matching screws.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical performance differences of various types of spinal cortical bone thread screws in the modified cortical bone trajectory fixation of lumbar vertebrae using the finite element method.
METHODS: The L4 vertebral models were constructed based on the CT data of three adult wet lumbar specimens (two males and one female) and subjected to finite element analysis. In the modified cortical bone trajectory fixation technique, fully cortical bone thread screws (single thread screws) with lengths of 45 mm and diameters of 5.5 mm and 4.5 mm were used and considered as groups A and B, which were compared with those of the traditional pedicle screw technique group (group C, 6.0 mm diameter, 45 mm length, double-threaded screw) and the cortical bone trajectory screw group (group D, 4.5 mm diameter, 45 mm length, double-threaded screw). Axial pull-out force, screw stability (determined by the displacement ratio of upper, lower, left, and right loads), and anti-spin-out torque were measured to compare fixation strength of each group of screws.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Axial pull-out force: Group A > group B (P=0.003), and both group A and group B were greater than the group C (P < 0.001, P=0.003) and group D (all P < 0.001). (2) Screw stability: When load was applied in the upward and downward directions on the screw, the load displacement ratio of the four screw double threads was greater in group A than in group B (P > 0.05); both group A and group B were greater than the group C (all P < 0.001) and the group D (all P < 0.001). (3) Anti-spin-out torque: Group A > group B (P=0.008), and both group A and group B were greater than the group C (P=0.008, P=0.131). (4) It is indicated that during modified cortical bone trajectory fixation of lumbar vertebrae, the novel spinal cortical bone thread screw demonstrates superior biomechanical performance compared to double thread screws applied in the clinically classic pedicle screw trajectory and cortical bone trajectory. Additionally, the novel spinal cortical bone thread screw (D=5.5 mm, L=45 mm) becomes the optimal adaptation for the modified cortical bone trajectory screw path.

Key words: fully cortical bone screw, modified cortical bone trajectory, lumbar vertebrae, axial pull-out force, screw stability, anti-spin-out torque, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

木再帕尔·买吐送, 肖扬, 古丽米热·阿迪力, 支格尔·勒哈勒别克, 艾孜海尔·艾斯卡尔, 王轶希, 陈锐麟, 帕尔哈提·热西提, . 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.

Muzaipaer · Maitusong, Xiao Yang, Gulimire · Adili, Zhigeer · Lehalebieke, Aizihaier · Aisikaer, Wang Yixi, Chen Ruilin, Paerhati · Rexiti, , . Biomechanical performance of novel fully cortical bone threaded screws in modified cortical bone trajectory screw technique for lumbar vertebrae[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(27): 5765-5772.

图/表（结果） 6

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引言

材料方法

1.1 设计 计算机模拟，三维有限元分析，组间比较采用单因素方差分析，应用多重比较法进行事后检验。
1.2 时间及地点 实验于2023年7-9月在新疆医科大学第一附属医院完成。
1.3 材料 3具成人湿性腰椎标本由新疆医科大学解剖教研室提供，男2例，女1例，骨密度检测均提示骨质疏松(骨密度T值< -2.5 SD)，以体积分数10%的甲醛溶液处理备用。先通过X射线透视排除腰椎骨折、腰椎肿瘤、结核，及畸形等疾患，排除既往腰椎手术史者，确保L4椎体的可用性。该研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和新疆医科大学第一附属医院对研究的相关伦理要求(医院伦理批件号：20190225-21，审批时间：2019-02-25)。
此次实验为有限元模拟实验，可通过计算机构建有限元模型，得到与多样本实体研究相似结果。随着科技的不断进步，有限元分析和建模的适用性也在不断拓展，能够通过计算机模拟的方式分析手术方案的可行性并预测手术效果，根据模拟结果指导临床实践，为患者提供更安全、精准、个体化的治疗方案，从而推动手术方式及治疗理念的发展。新兴的手术应用能够通过精确分析特定骨折模式来模拟手术过程，为患者提供更精准的护理方案，从而有望推动个性化医疗的发展[10]。
1.4 方法
1.4.1 腰椎模型建立使用64排螺旋CT机(PHILIPS 公司，荷兰)进行L4椎体计算机断层扫描(扫描技术参数设计为：层厚 0.25 mm)。将所得数据导入到Mimics 26.0软件(MATERIALISE公司，比利时)中，对原始数据进行优化，将腰椎节段进行逐层分割，建立单个腰椎三维坐标系。将单个椎体数据导入到 Geomagic Studio 中，以横突平分线为基准线，在垂直方向上寻找平分椎体的矢状线，从而找到椎弓根轴线，确定椎弓根内接圆直径最小的部位，即椎弓根峡部。将Geomagic Studio 处理好的椎体导入Pro-E软件，在Pro-E中，转动椎体，观察椎体的全方位视图，在椎弓根中心位置建立基准面和基准轴。得到所需要的模型后，在Hypermesh 14中对三维模型进行网格划分，生成满足分析要求的体网格，导出inp网络模型，并利用Abaqus 6.14(达索系统，法国)进行有限元分析。椎体及内固定的材料属性见表1。

1.4.2 螺钉模型建立及钉道设置新型脊柱全皮质骨螺纹螺钉是作者研究团队前期设计的螺钉，专利授权公告号为CN 308003680 S，材质为钛合金，生产厂家为山东威高骨科材料有限公司，螺钉全长45 mm，螺距1 mm，直径为5.5 mm和4.5 mm，为单螺纹螺钉。
扫描新型全皮质骨螺纹螺钉，并将螺钉的数据导入Solidworks，在改良皮质骨轨迹螺钉技术钉道中使用新型全皮质骨螺纹螺钉，螺钉全长45 mm，直径为5.5 mm和4.5 mm，见图1，并根据螺钉直径不同分为2组，A组为改良皮质骨轨迹螺钉技术1组(D=5.5 mm、L=45 mm，单螺纹螺钉)；B组为改良皮质骨轨迹螺钉技术2组(D=4.5 mm、L=45 mm，单螺纹螺钉)；椎弓根螺钉技术的有限元数据参考张治豪等[11]的文献，作为传统椎弓根螺钉技术组(C组，D=6.0 mm、L=45 mm，双螺纹螺钉)，见图2；皮质骨轨迹螺钉技术的有限元数据参考张连鹏等[12]的文献，作为皮质骨轨迹螺钉技术组(D组，D=4.5 mm、L=45 mm，双螺纹螺钉)，见图3。C组的进钉点选取上关节突外缘垂线与横突中点水平线的交点，并有5°-15°的外展角，矢状位头倾 0°-30°(与终板方向平行)[13]。皮质骨螺钉进钉点位于椎弓根峡部外侧点，左侧椎弓根5点方向置钉，右侧7点方向置钉，采用钟面定位；在横断面侧向插入10°，在矢状面向颅侧插入25°[1]。改良皮质骨轨迹置钉技术进针点相对传统皮质骨螺钉技术内移2.0-3.0 mm，头倾角度为20°-25°，外倾角度为22°[14]。为确保实验结果的可比性，消除不同椎体骨质差异的影响，各组实验均在同一椎体模型中进行。

1.5 主要观察指标 重建模型改良皮质骨轨迹钉道，根据分组不同，在逐个标本的不同钉道中置入相应的螺钉进行有限元分析，通过轴向拉力测试、多向载荷测试及扭矩比较各组螺钉的固定强度。
1.5.1 单钉轴向抗拔出力约束椎体，对螺钉施以轴向向外拔出的载荷，外力从0开始依次递增，记录螺钉何时出现位移增大，此时所施加的外力便为螺钉的最大轴向抗拔出力。
1.5.2 螺钉稳定性为上、下、左、右载荷位移比的测定。约束椎体，通过对螺钉尾端施加上、下、左、右4个方向各100 N的载荷，记录下在每个方向上螺钉所产生的位移，之后计算出各方向的载荷位移比。
1.5.3 螺钉抗旋出扭矩为轴向旋转载荷位移比。约束螺钉，通过对椎体施加100 N的轴向旋转载荷，记录螺钉的位移状况，后计算出载荷位移比，以此确定椎体的稳
定性。

1.6 统计学分析 采用 SPSS 22.0 软件进行数据分析与处理，数据以x±s 表示，采用单因素方差分析。若不同组间的指标存在统计学差异，采用多重比较法进行事后检验。应用GraphPad Prism 8.0软件绘制直方图。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医科大学生物统计学专家审核。

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

随着医疗水平的进步，老年人口数量逐年增多。人口老龄化导致骨科疾病发病率递增，尤其近年来骨质疏松症患病率明显增加[15]。骨质疏松症患者的骨小梁结构发生退变，不足以维持螺钉把持力[16-17]，术后螺钉易发生松动，常导致手术失败，翻修率高。有研究已证实皮质骨轨迹螺钉技术与皮质骨的接触面积更大，在骨质疏松患者中具有更好的生物力学性能与疗效[18-19]。
然而，伴随皮质骨轨迹螺钉技术在临床中的广泛应用，其存在的不足正逐渐显现。传统皮质骨轨迹螺钉置钉技术进钉点易发生劈裂、钉道易在手术中发生偏移，有一定概率损伤椎孔内神经[4]。其次，皮质骨轨迹螺钉技术钉道与较厚的椎弓根内侧壁皮质骨的接触面积较小，在重度骨质疏松患者中仍易发生松动，同时因其进钉点靠外，导致螺钉尾部易与关节突关节发生碰撞，邻椎病的发病率仍然较高。除此之外，由于皮质骨轨迹螺钉技术的头倾角度较大，在实际的临床手术中，螺钉头端常穿破椎体上终板外缘的骨皮质，损伤椎间盘髓核结构，加速椎间盘病变的发生[20-22]。
基于皮质骨轨迹螺钉技术存在的问题，作者研究团队前期在皮质骨轨迹螺钉技术的基础上进一步内移进钉点，增加钉道的外展角度，减少头倾角度，提出改良皮质骨钉道置钉技术[6-8]。皮质骨轨迹螺钉技术进钉点常位于手术节段上关节突垂直中线与同侧横突下1 mm水平线的交点处，而改良皮质骨轨迹螺钉技术进钉点相比皮质骨轨迹螺钉技术内移2.0-3.0 mm[20]，改良皮质骨轨迹螺钉技术周围骨质厚度大于皮质骨轨迹螺钉技术置钉点，同时增加了椎弓根内侧壁间的皮质骨接触，避免螺钉尾部与关节突关节发生接触而使关节突损坏。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)，进一步提高了抗拔出力。
过去学术界认为内固定技术钉道本身的解剖基础存在的差异，是影响螺钉力生物力学性的主要因素。
FUJIWARA等[23]提出皮质骨轨迹螺钉技术的螺钉插入扭矩与螺钉长度呈正相关，与螺钉至椎弓根内侧壁间的距离呈负相关，与螺钉至上终板的距离呈负相关，这恰好与改良皮质骨轨迹螺钉技术所提出的具有更长的皮质骨钉道、更靠近椎弓根内侧壁、下壁以及螺钉尾部更靠近椎体上终板外侧的技术理念相一致。同时由于改良皮质骨轨迹螺钉技术螺钉进钉点内移，避免了脊柱运动过程中螺钉头端与关节突关节的碰撞，从而降低了邻椎病发生的可能。先前的生物力学研究也验证了这一点，表明改良皮质骨轨迹螺钉技术的螺钉抗拔出力、螺钉稳定性及椎体稳定性明显优于皮质骨轨迹螺钉技术及传统椎弓根螺钉，双节段有限元分析表明改良皮质骨轨迹螺钉技术模型手术节段及内固定在前屈、后伸、侧屈、轴向旋转的活动度，以及椎间盘和内固定在前屈、后伸、侧屈、轴向旋转的Von Mises应力均低于传统椎弓根螺钉[24-25]。
螺钉的外形设计对内固定螺钉的生物力学性能同样存在重要影响，包括螺杆的形状、直径、长度、螺纹牙深和螺距等 [26]。在上述参数中，螺纹螺距对螺钉的固定效果和抗旋转性能有着重要影响，螺钉的螺纹螺距需与螺钉走行过程中穿透骨质的骨密度相匹配 [27]。先前的研究表明，在单松质骨螺纹椎弓根螺钉的中后部减小螺纹间距以增大与椎弓根的皮质骨接触面积即后续提出的双螺纹螺钉、混合螺纹螺钉，可显著提高螺钉的刚度和拔出强度[28]。LIU等[29]测量了改良皮质骨轨迹螺钉技术、皮质骨轨迹螺钉技术以及传统椎弓根螺钉这3种常用脊柱内固定技术钉道周围的CT值，测量结果表明改良皮质骨轨迹螺钉技术钉道周围CT值相比于皮质骨轨迹螺钉技术和传统椎弓根螺钉明显提高，几乎全程位于皮质骨中，从而弥补了皮质骨轨迹螺钉技术与皮质骨接触面积相对较小的劣势，更加适用于重度骨质疏松症患者。
由于改良皮质骨轨迹螺钉技术螺钉全程走行于皮质骨中这一特征，使得目前临床常用的双螺纹螺钉(皮质骨螺纹+松质骨螺纹)无法完美匹配，尤其是在中柱和前柱。为此作者研究团队提出完全适配于改良皮质骨轨迹螺钉技术的全皮质骨螺纹螺钉，旨在最大程度地发挥出改良皮质骨轨迹螺钉技术的生物力学性能[6-8]。
拔出力是固定强度的衡量标准之一，通常用于评估植入物(尤其是螺钉)的稳定性。此次研究中，A组和B组改良皮质骨轨迹螺钉的抗拔出力优于皮质骨轨迹螺钉和椎弓根螺钉，这一结果出现的原因主要在于改良皮质骨轨迹螺钉技术在解剖学方面相较于皮质骨轨迹螺钉技术和传统椎弓根螺钉技术存在先天的优势。腰椎椎弓根周围骨皮质的厚度变化为下壁 > 上壁 > 内壁 > 外壁，腰椎终板皮质骨在中央区较薄，而与椎体皮质骨交界的边缘区则较厚[30]。
改良皮质骨轨迹螺钉技术置钉有更大的外展角度、更小的头倾角度及更加靠内的进钉点，可以与椎弓根内侧壁及下侧壁更好地接触。MCLACHLIN等[31]通过对松动椎弓根螺钉的CT重建发现了“teeter-toteer”现象，即松动螺钉尾端固定，前端摆动。同时由于改良皮质骨轨迹螺钉独特的走行角度，螺钉头部被固定椎体上终板侧面骨皮质中，从而达到了双皮质固定的效果，可进一步提高螺钉的抗拔出力。螺钉头部外侧缘为椎间盘纤维环的外缘部分，且只有腰大肌的肌纤维附着，与血管、神经组织尚有一定的距离，而并不会像传统皮质骨轨迹螺钉头部，容易在邻近节段髓核所对应的上终板位置穿出而增加邻椎病的发生。
除改良皮质骨轨迹螺钉技术钉道自身解剖优势外，改良皮质骨轨迹螺钉技术所使用的全皮质骨螺钉的螺纹螺距类型对螺钉的抗拔出力也存在重要影响。BIANCO等[32]的研究指出，椎体皮质骨钉道下直径与长度相同的双螺纹螺钉与单螺纹螺钉，前者抗拔出力低于后者，这主要与螺纹螺距的设计有关。全皮质骨螺纹螺钉的螺纹均为环形螺纹，而普通双螺纹螺钉的螺纹在椎弓根区为环形，在骨小梁区为锥形，结合椎体应力原图，受不同螺纹设计的影响，两种螺钉的应力分布和集中点存在不同。具体而言全皮质骨螺纹螺钉应力分布较为均匀，而普通双螺纹螺钉其应力集中点位于螺钉远端，这正是螺钉首先易发生松动的位置，从而削弱了双螺纹螺钉的锚固性，这也与BIANCO等[32]的研究结果一致。而针对B组改良皮质骨轨迹螺钉技术螺钉抗拔出力优于A组，MATSUKAWA 等[33]研究指出，直径较粗和长度较长的螺钉可显著提高抗拔出强度，B组改良皮质骨轨迹螺钉由于具有更大的螺钉直径，使得螺钉与皮质骨的接触面积相较于A组增大，从而具有更好的螺钉抗拔出力。
螺钉稳定性中评估载荷位移，可进一步减少混杂因素对测量结果的影响。此次研究中螺钉稳定性的测量结果与螺钉抗拔出力一致，均为A组和B组改良皮质骨轨迹螺钉稳定性优于皮质骨轨迹螺钉和椎弓根螺钉。周绍波
等[34]的研究指出，螺钉钉道骨密度大小以及螺钉几何参数是影响螺钉稳定性的重要指标。VARGHESE等[35]通过实验研究了3种不同密度的聚氨酯材料，并利用医用钛合金自攻椎弓根螺钉进行拔出力测试，结果显示骨密度是影响螺钉稳定性的关键因素。具体而言，随着钉道周围骨密度的提升，对应内固定技术螺钉稳定性也相应增强，对此ÇETIN等[36]的研究也得出了相似结果。先前的研究表明改良皮质骨轨迹螺钉技术、皮质骨轨迹螺钉技术、传统椎弓根螺钉这3种螺钉轨道的CT值比较，改良皮质骨轨迹螺钉技术>皮质骨轨迹螺钉技术>传统椎弓根螺钉[29]，改良皮质骨轨迹螺钉技术钉道具有更大的骨-螺钉接触面强度，提供了优越的螺钉稳定性。其次，TSAI等[37]指出内固定螺钉牙深与螺距的比值越大，螺钉的抗拔出强度越大，螺钉的稳定性越好。此次研究中全皮质骨螺纹螺钉与普通双螺纹螺钉具有相同的螺钉牙深，但全皮质骨螺纹螺钉的螺距相较于双螺纹螺钉明显缩小，故其牙深与螺距的比值更大，具有更好的螺钉稳定性。除此之外，SENG等[38]的研究表明，双螺纹螺钉相较于单螺纹螺钉出现松动后，其力学性能衰退更为明显，同时双螺纹螺钉在松动螺钉翻修置钉过程中抗拔出强度显著下降。此次研究中，全皮质骨螺纹改良皮质骨轨迹螺钉相较于使用双螺纹螺钉的皮质骨轨迹螺钉和椎弓根螺钉，与皮质骨的接触面积增大，同时螺钉头尾均被皮质骨所固定，本身就难以松动；其次全皮质骨螺纹改良皮质骨轨迹螺钉在不同工况下的应力分布较为均匀，未出现明显的应力集中点，使得钉道周围骨小梁损伤较小，螺钉松动的阈值较高，松动后的力学性能衰减不明显，使得在相同载荷下的螺钉位移相较于使用双螺纹螺钉的皮质骨轨迹螺钉和椎弓根螺钉更小，从而体现出更好的螺钉稳定性。
由于插入扭矩是在螺钉插入期间测量的，在螺钉固定后不能进行测量，这些原因导致插入扭矩很少作为术中力学性能测量的参考方法及指标。因而，此次有限元分析通过将抗旋出扭矩作为研究参数，即在受到旋出位移的情况下，在椎体内抵抗扭转力的能力。张连鹏等[12]研究表明，传统椎弓根螺钉的抗旋出扭矩为(35.00±5.30) N· mm，改良皮质骨轨迹螺钉技术A组的抗旋出扭矩为(41.83±
6.16) N· mm，改良皮质骨轨迹螺钉技术B组的螺钉抗旋出扭矩为(57.00±1.13) N· mm，皮质骨轨迹螺钉技术的抗旋出扭矩张连鹏等[12]并未测量。上述数据改良皮质骨轨迹螺钉技术(A组)的抗旋出扭矩约传统椎弓根螺钉技术的1.63倍，这与MATSUKAWA等[39]的研究结论皮质骨轨迹螺钉技术的旋入扭矩是传统椎弓根螺钉技术的1.7倍近似。改良皮质骨轨迹螺钉技术A、B组螺钉的抗旋出扭矩均大于传统椎弓根螺钉组，这说明新型螺钉在改良皮质骨轨迹钉道中应用，在螺钉抗旋出方面有一定程度的提升。螺钉固定力学性能的提升是钉道骨质条件与螺钉共同作用的结果，选择合适的置钉轨迹与螺钉适配关系，可保证螺钉与椎板有最大的接触面积及在椎体内有最佳的长度，提高内固定装置生物力学性能。
改良皮质骨轨迹螺钉技术的进钉点过于靠近后正中线，离棘突较近，螺钉在放置在过程中可能会被棘突遮挡，手动难度较大，但目前的研究热点中机器人辅助置钉技术能够通过术前规划最优的手术方案，并由机器人辅助执行，可能较好地解决这一难点。前期研究表明，在脊柱长节段内固定时，单纯使用改良皮质骨轨迹螺钉技术进行固定，可能存在对侧隐窝的减压不充分等局限性[40]。目前改良皮质骨轨迹螺钉技术尚处于论证阶段，临床应用较少，缺少可用的临床数据，为了进一步改进改良皮质骨轨迹螺钉技术，需要进行长期的临床研究以及术后回访。
此次研究的局限性：①实验选取的样本数量较少，需要长期的湿性标本生物力学实验以及临床研究的数据验证；②采取L4单节段分析，并且模型的建立未涉及椎体周围软组织，未考虑到完整腰椎内固定系统的实际情况，后期可进一步优化有限元模型，增加仿真效果；③此次研究为有限元方法分析，置钉方式为电脑模拟最佳钉道置入，与临床实际操作置钉有差别，因此与实际临床螺钉生物力学性能分析存在可能误差。
结论：在腰椎改良皮质骨轨迹置钉过程中，新型脊柱全皮质骨螺纹螺钉的力学性能与双螺纹螺钉在临床经典的椎弓根置钉轨迹和皮质骨轨迹中应用相比，具有更好的生物力学性能，且新型脊柱全皮质骨螺纹螺钉(D=5.5 mm、L=45 mm)可作为改良皮质骨轨迹螺钉技术钉道最佳的适配。

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

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

Biomechanical performance of novel fully cortical bone threaded screws in modified cortical bone trajectory screw technique for lumbar vertebrae

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