Influencing factors of fixation strength of pedicle screws

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.43.022

Abstract

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

CLC Number:

R318

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.

Figures/Tables 5

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。"

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。"

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