骨水泥修复颈椎前路椎体螺钉钉道的生物力学研究

陈利帮，陈 春，顾 韬

骨水泥修复颈椎前路椎体螺钉钉道的生物力学研究

陈利帮，陈 春，顾 韬

目的 评价聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）修复颈椎前路椎体螺钉钉道的生物力学效果。方法 防腐成人颈椎标本（C3～7）共30个，分3组：正常骨密度组（A组）、骨质疏松组（B组），骨质疏松修复组（C组），各组10个标本，测试疲劳前后的最大轴向拔出力。A、B对照组椎体二侧钉孔均放置4mm的椎体螺钉，随机选择一侧行即时最大拔出力实验，另一侧在疲劳实验（2Hz，20000次）后行最大拔出力实验。C组（实验前需进行螺钉拔松实验）注入PMMA0.6～1.0mL，并拧入螺钉，随机选择一侧进行即时和疲劳后最大拔出力实验。结果 A、B、C组即时拔出力明显高于疲劳后拔出力，差异具有统计学意义（P＜0.05），C组疲劳后与A组即时拔出力比较，差异无统计学意义（P＞0.05），但高于B组即时拔出力，差异具有统计学意义（P＜0.05）。即时拔出力C组＞A组＞B组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。疲劳后拔出力C组＞A组＞B组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。PMMA注射后未发现钉道渗漏。结论 PMMA钉道修复能够明显增强椎体螺钉的即时稳定性和抗疲劳能力，并且安全有效，适用于螺钉松动和拔出的修复固定。

颈椎；聚甲基丙烯酸类；生物力学；内固定器

JSpinalSurg，2015，13（4）：238-242

颈椎前路椎间融合术（anteriorcervicalinterbody fusion，ACIF）是治疗颈椎退行性病变的常用术式，以能够提供坚固的内固定并能获得自然融合而得到广泛应用［1-2］。然而对于骨质疏松或需要多节段融合的患者，椎体螺钉要获得足够的把持力仍然比较困难。近年来，利用椎弓根的钉道强化技术治疗和修复胸腰椎损伤已经有了大量的研究，并且在临床上得到广泛应用［3-4］。本研究尝试使用聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）骨水泥修复颈椎前路椎体螺钉钉道，分析在修复前后、疲劳前后等不同状态下螺钉的生物力学特点，以期为临床实施螺钉松脱翻修术提供生物力学依据，为颈椎钢板前路固定术的技术改良提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验标本

选择甲醛浸泡10具人尸体颈椎椎体标本（3例健康志愿者，7例老年女性标本），均摄X线片，排除椎体骨折、肿瘤、结核、炎症和先天性畸形。每具标本取C3～7共5个椎体，采用双能X线骨密度测量仪（DEXA，LunarProdogy型GE公司美国）测定每具标本C3～7椎体的骨密度（bonemineraldensity，BMD）。分离成单个椎骨，去除纤维环及髓核，使棘突和椎板与牙托粉紧密粘附，保留椎体，制成50个单椎体标本。依据骨密度随机选择30个椎骨编号置密封塑料袋中待用。

1.2 实验材料与仪器

1.2.1 螺钉

颈椎前路单皮质骨自攻实心螺钉（佛山施泰宝外科植入物有限公司），材质为钛合金。螺钉长12.8mm，螺纹长10mm，螺纹深0.6mm，螺距1.5mm，螺钉尾部直径4.5mm。按照颈椎前路钢板置入要求先进行丝攻，然后置入螺钉，置钉角度与头尾侧成15°，置钉深度12mm［5］。

1.2.2 实验分组及修复方法

按骨密度值将30个椎体平均分为3组：正常骨密度组（A组）、骨质疏松组（B组），骨质疏松修复组（C组）。A和B组（对照组）椎体两侧均丝攻后置入直径为4mm的实心螺钉，2组椎体钉两侧随机选择分别进行直接轴向拔出实验和屈曲疲劳加载实验（2Hz，20000次）后行轴向拔出实验。C组（实验组）椎体置入实心螺钉进行拔松（BOSE3510-AT显示达到最大拔出力，马上停止负荷）后，其中一侧用5mL注射器经穿刺针向破坏的钉道注入按比例混合的PMMA（粉：液=3：2）0.3～0.5mL，5min后拧入实心螺钉，为了防止PMMA渗漏到椎孔或椎管里，注射过程均采用手动灌注。室温下（25℃）放置2h（PMMA在室温下自行固化的时间约为30min，1h后达最大强度），行拔出实验。另一侧也是按照上述步骤进行，放置1h后先进行屈曲（2HZ，20000次）疲劳实验后再进行轴向拔出实验，循环载荷由位移控制以避免产生过大的剪切力。左右侧钉道进行处理方式的概率同上［6］，此实验是为了模拟术后对松动的椎体进行翻修实验，减少人为误差，所有标本左右侧钉道的处理随机选择并保证概率相等。

1.2.3 自制螺钉拔出夹具

制作一个圆柱型双层套筒（前端弧口直径4mm，与螺钉尾部正好吻合，高度为2.5mm），总长为80mm。长套筒长为60mm，短套筒长25mm，直径为10mm，相当于颈椎前路钢板的高度和螺钉的直径。在头端的内面攻入螺纹，然后从尾端旋入螺丝拧紧以固定螺钉尾端。长套筒尾端有两侧孔，其前端弧形豁口与屈曲压缩连接件（长20mm）形成铰链（南方医科大学广东省医学生物力学重点实验室制造，见图1，2）。

图1 疲劳加载图Fig.1 Fatigue-testing

图2 螺钉轴向拔出力图Fig.2 Axialpullouttesting

1.2.4 循环疲劳实验

在进行螺钉轴向拔出实验之前先进行加固与非加固螺钉的周期性屈曲疲劳实验，以模拟坚固固定后螺钉在体内长期的稳定性。标本固定在自制三维夹具上，使循环载荷力臂轴垂直于椎体螺钉的力臂轴［6］并向铰链处经常喷洒润滑剂以减少实验误差。每个螺钉均放置在长8cm的自制夹具上，通过一个铰链适配器连接与加载力臂杆连接，通过BOSE3510-AT机器加载载荷做屈伸疲劳载荷（2Hz，20000次）。前期学者研究证实轴向上下1.5mm的位移能够在螺钉尖端产生2N·m的力矩［6-8］。循环载荷以1.5mm位移控制以避免产生过大的剪切力［6］（见图1）。

1.2.5 轴向拔出实验

当PMMA注射完毕后，拔出实验在BOSE3510-AT材料实验机上通过自制的轴向拔出力装置进行，单个椎体后部用牙托粉包埋固定于特制的固定台钳上，调整固定椎体后部台钳的角度，使椎体钉的长轴与实验机的拉伸方向一致。沿椎体螺钉的长轴方向以0.25mm/min的恒定速度拔出，绘制拔出力—位移曲线，曲线的顶点值定义为螺钉的最大轴向拔出力。当螺钉在拔出过程中拔出力达到最高点并开始下降时即停止拉伸。以载荷变形曲线出现最高点为椎体螺钉拔出破坏的标准，即螺钉的最大轴向拔出力出现下降［6］（见图2）。

1.2.6 统计学处理

采用SPSS13.0统计软件进行统计学分析，各组同一标本内即时或疲劳后最大轴向拔出力作配对t检验；3组之间疲劳前后的最大轴向拔出力实验做单因素方差分析（One-WayANOVAN）。所有数据资料以 x¯±s表示，检验水准为α= 0.05。

2 结果

各组疲劳前后拔出力见图3。A组的BMD值为（0.80±0.09）g/cm2，B组为（0.41±0.16）g/cm2，C组为（0.45±0.11）g/cm2。A组与其他2组相比差异均有统计学意义（P＜0.05）。C组疲劳后拔出力与A组即时拔出力比较，差异无统计学意义（P＞0.05），但高于B组即时拔出力，差异有统计学意义（P＜0.05）。即时拔出力C组＞A组＞B组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。疲劳后拔出力C组＞A组＞B组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。PMMA注射后未发现椎体钉道渗漏（见图4）。

图3 各组疲劳前后拔出力Fig.3 Pulloutforceamong3groups

图4 X线示椎体螺钉置入后未发现PMMA渗漏Fig.4 RoentgenographshowsnoPMMAcementleakageaftervertebral screwinsertion

3 讨论

ACIF是治疗退行性病变、脊柱创伤、肿瘤等常用术式［9］，尽管ACIF在临床上行之安全有效，但仍有螺钉松动、脱落或断裂的病例报道，骨质疏松或多节段损伤患者由于其钉道环境较差更容易发生［10］。其他诸如多节段钢板固定，翻修过程中反复攻丝或者自、异体骨内植不可靠等也易是造成以上结果的因素［11-12］。目前解决这一问题的方法有强化螺钉材料、改善螺钉内固定系统的设计、改进螺钉置入方法等，其中骨水泥钉道强化技术比较广泛地应用于临床［13-14］。Cho等［15］在尸体标本研究中发现，骨质疏松的椎弓根经骨水泥强化后，椎弓根钉的旋出扭矩较初始单纯旋入椎弓根钉增加，但＜1N·m，不影响旋出，骨水泥强化后椎弓根钉可安全退出。Blattert等［16］在骨质疏松脊柱上置入中空带侧孔椎弓根钉，PMMA骨水泥强化后测量旋出扭矩，结果发现旋出过程中椎体内骨水泥团块并不随钉的旋转而转动，旋出扭矩约为非骨质疏松对照组的1/3，但以上所研究的只是翻修螺钉的即时生物力学效果，对于螺钉长期稳定性评价仍然不清楚。

3.1 PMMA骨水泥加固技术

有研究表明PMMA骨水泥螺钉加固技术能够解决内固定强度不够的难题，并且操作简易，固定可靠，机械性能良好，能够显著增加椎体螺钉的稳定性，因此螺钉加固技术被广泛应用于临床［17］，并取得良好的生物力学效果［4］。目前PMMA加固技术是强化或修复椎体或椎弓根螺钉的常用方法。大量实验证明PMMA能够为骨—螺钉界面提供坚固内固定，通过向钉道内注入骨豁合剂可达到改变固定界面、强化螺钉的目的［18-19］。Zindrick等［20］研究表明，不加压的PMMA可使已剥离的椎弓根螺钉的拔出强度恢复至剥离前的水平，而加压强化后的拔出强度能达到剥离前的2倍，用PMMA加压或不加压强化椎体，最大轴向拔出力分别增加49％和196％。陈跃平等［21］采用16个新鲜椎骨标本进行修复和强化，结果发现最大轴向拔出力分别增加了45％和80％。本研究发现，从PMMA在螺钉周围分布的形态看，PMMA在椎体内沿钉道呈棒状分布，螺钉旋入挤压，注入的PMMA与松质骨交互在一起，扩大了PMMA与骨的界面，增加了螺钉与骨质的拔出力，并且螺钉与PMMA紧密结合，克服了骨—钉界面连接不牢固的缺陷。

3.2 影响椎体螺钉稳定性的因素

轴向拔出实验是评价不同螺钉把持力的常用方法［3-4，12］，但其只能反映螺钉在体内的即时稳定性，不能评价螺钉在体内长期稳定性情况。螺钉的疲劳松动次数和轴向拔出力是反映椎体螺钉稳定性的良好指标［22］。为模拟颈椎前路手术后加用外固定时的生理应力，本研究进行了周期屈伸疲劳实验。循环疲劳实验对骨—螺钉界面破坏很大，研究发现在屈伸循环加载20000次后，破坏实验导致正常对照组、骨质疏松组的轴向拔出力分别减少37.50％和43.20％。PMMA修复后椎体螺钉的轴向拔出力显著增加骨—螺钉的固定强度，虽然在疲劳后轴向拔出力减少了32.08％，但仍然高于2个对照组。本研究证实椎体螺钉修复技术与正常对照组相比能够提供更高的固定强度，为临床提供一种更好的内固定方法。通过加固椎体螺钉，使最大轴向拔出力增至467.60N，说明PMMA修复骨质疏松椎体螺钉系统能使螺钉稳固性达到甚至超过正常成人的稳定水平，使老年脊柱骨质疏松患者得到坚固固定。本研究前期实验也证明PMMA加固技术能显著增加颈椎前路钢板螺钉系统的即时稳定性和抗疲劳能力，并且提供一种良好的生物力学环境［23］。

本研究对PMMA修复前路椎体螺钉的生物力学效果做了初步评价，但在体内的生物力学特性仍需进一步研究。虽然本研究有许多不足，但结果仍有助于指导临床诊疗，且为外科医生在是否使用PMMA或其他骨水泥上提供决策。本研究为临床安全实施骨质疏松椎体螺钉翻修术或修复多节段骨质疏松前路钢板螺钉提供生物力学依据，为颈椎钢板前路固定的技术改良提供基础理论依据。

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Restorationscrewchannelofpediclescrewfixationwithpolymethylmethacrylate：invitrobiomechanicalstudy

CHENLi-bang*，CHENChun，GUTao.*WestAnhuiHealthVocationalCollege，Lu'an237000，Anhui，China

Objective Toevaluatethebiomechanicalefficacyofpolymethylmethacrylate（PMMA）inrestorationscrew channelofanteriorcervicalunicorticalscrewfixation.Methods Thirtyvertebralbodies（C3-7）werefrom10formalinadult corpses（LaboratoryofAnatomy，SouthernMedicalUniversity），and30vertebralbodies（10foreachgroup）wererandomly selectedanddividedinto3groups（A：healthygroup；B：osteoporosisgroup；C：restorationgroup）.Allspecimenswere subjectedtopulloutforcestestingonBose3510-ATfatiguetestingmachine，andmeasurementsweretakenbeforeandafter fatigue.IncontrolgroupsAandB，2pilotholesoneachsideof20vertebralbodieswereimplantedwithvertebralscrews.Eachsiderandomlyreceivedeitheracutepulloutforcesorpulloutforcesbeyondfatiguewhichwasensuredusingcyclical loading（2Hz，20000times）.IngroupC，pilotholesweredrilledparalleltosagittalplane，theninjectedwith0.6-1.0mL ofPMMAbeforethevertebralscrewwasinserted.SimilartogroupsAandB，thesideswererandomlychosentoevaluatacute pulloutforcesandpulloutforcesbeyondfatigue.Results Theacutepulloutforceswereobviouslyhigherthanpulloutforces beyondfatigueineachgroup（P＜0.05）.ComparedpulloutforcesbeyondfatigueofgroupCtoacutepulloutforcesofgroup A，therewasnosignificantdifferences（P＞0.05）.ComparedtoacutepulloutforcesofgroupB，therewassignificant differences（P＜0.05）.Theacutepulloutforces，groupC＞groupA＞groupB（P＜0.05）.Thepulloutforcesbeyond fatigue，groupC＞groupA＞groupB（P＜0.05）.NoPMMAleakagewasfoundinthescrewchannel.Conclusion Restorationscrewchannelofpediclescrewfixationwithpolymethylmethacrylatecanimproveprimarystabilityof screwanditsanti-fatigueability.Itissafeandeffectivetorestoreandfixthescrewlooseandpulled-out.

Cervicalvertebrae；Biocompatiblematerials；Biomechanics；Internalfixators

R318.08

A

1672-2957（2015）04-0238-05

】

10.3969/j.issn.1672-2957.2015.04.011

2015-03-07）

（本文编辑 于 倩）

陈利帮（1974—），硕士，医师

237000 安徽，皖西卫生职业学院（陈利帮）；温州医科大学附属第一医院骨科（陈春）；海军总医院骨科（顾韬）

陈春 chenchunkk@163.com