预防骨质疏松性骨折内固定失败的研究进展

李茂林　胡侦明

摘要：骨质疏松导致骨质脆性增加，增加了骨折的风险。尽管目前已有先进的诊疗手段，但骨质疏松症的发病率仍有明显增加的趋势。由骨质疏松引起的骨折由于骨质量较差，传统的内固定效果并不理想。本文就内固定的改进和设计结合骨质疏松性骨折的外科治疗做一阐述。

关键词：骨质疏松；骨质疏松性骨折；内固定

1 骨折的固定

1.1传统内固定 传统螺钉包括皮质骨螺钉和松质骨螺钉两种，皮质骨螺钉较松质骨螺钉直径更小、螺纹更少，皮质骨螺钉适用于骨干骨折的固定，而松质骨螺钉，其螺距更大、内外径距离更远，适用于干骺端和骨密度降低骨折的固定，因为松质骨螺钉增加的曲面面积抗剪切应力更强。这两种螺钉设计均是通过对抗剪切应力起到固定加强作用。对于骨质疏松症患者，松质骨螺钉产生的力矩减少，并且其低于骨密度的临界值0.4g/cm3时，松质骨对螺钉几何力学的作用就无法显现出来[1]。

传统钢板是通过骨与钢板间的摩擦力和骨折块间加压达到固定作用，其稳定的力量来自于螺钉扭距和对骨折断端加压产生的轴向压应力。对于骨质疏松性骨-钉摩擦力的问题在于它们之间薄弱的剪切面，骨质疏松性骨的抗压力降低，常发生粉碎性骨折，限制了传统钢板的使用。

轴向力和扭矩力的大小受有效长度的影响，而有效长度由最靠近骨折端的螺钉决定的。此特点一般是由骨折类型决定的，而钢板长度的选择可降低折弯应力。固定相同数目的螺钉，选择较长的钢板可增加抗弯强度。因此，对于骨质疏松性骨折的最佳固定方法包括减少骨折端与最近螺钉的有效长度和选择跨度更大的钢板，而不是每侧最小孔径放三颗螺钉[2]。由于传统植入物的局限性，以往的许多技术已被新的改进技术所取代。

1.2锁定钢板 锁定钢板技术通过改变螺钉与钢板的生物力学，允许螺钉和钢板间形成角稳定界面。传统钢板的缺点是每个单独的螺钉因剪切力使其丧失了力矩，而锁定钢板通过每个螺钉对骨组织牵拉使得螺钉与钢板之间无移位，防止了内固定失败[3]。锁定钢板将同样存在于传统内固定的剪切应力转换为压应力，因此，内固定的强度等于所有螺钉的总和而不是单个螺钉的轴向刚度或抗拔力[4]。

尽管锁定钢板技术解决了螺钉固定在骨质疏松性骨折方面的问题，但令人关注更多的问题是锁定钢板刚度太大，特别是对于干骺端骨折。有研究结果表明，股骨远端术后不愈合率可高达19%[5]，其直接原因是成角固定装置在粉碎性骨折固定中与应力的不协调，也同样存在于干骺端骨质疏松性骨折。锁定钢板作为成角固定装置，使骨折块间微动过小。因此，通过骨折块间的微动促进骨痂形成即骨折的二期愈合可行性小，相反会导致骨折不愈合。除此之外，已证明锁定钢板结构刚度使应力集中在装置末端，而因其刚度和骨质疏松骨的力学强度不相近造成假体周围骨折发生率高达2.6%[6]。通过在钢板末端使用非锁定螺钉调节其刚度，使其提高了40%的折弯度，而不影响扭矩力和抗压力，潜在地降低了在骨质疏松性骨折固定中锁定钢板其刚度的不协调[7]。

目前，有很多种增加锁定钢板固定的骨折块间微动的方法。骨干骨折使用锁定螺钉和皮质骨螺钉混合固定，可达到传统螺钉生物力学强度，而单纯使用锁定螺钉效果不明显[8]。如同传统的固定装置一样，该系统的刚度可以通过螺钉数量、植入位置以及钢板长度进行调节，同时还具备成角固定装置在治疗骨质疏松关节周围骨折上的优势。钢板越短，折弯应力越强，已被证明是骨折不愈合的危险因素[9，10]。对于骨质疏松性骨折，锁定螺钉越靠近骨折端固定，对其他螺钉确实有保护作用，但也因刚度过大导致骨折不愈合[11，12]。也有关于使用松质骨螺钉降低固定装置刚度的研究，对此尚存争议[13]。

另一种降低刚度的方法是增加锁定螺钉活动度，通过专门的设计，允许其可在同侧皮质微动，或通过同侧皮质螺孔微动，但仍需维持角稳定界面[14，15]。这两种方法都可通过在骨-板界面同侧微动来减小钢板的刚度，而不改变其结构强度[15]。通过改进螺钉设计，使螺钉直径小于同侧皮质螺孔，或通过增加螺钉在骨-板同侧皮质活动度，有利于骨痂形成和骨二期愈合，使刚度均衡性分布，减少骨折不愈合率[14，16]。在骨干骨折使用对侧皮质锁定螺钉，在近关节处使用传统锁定螺钉的混合结构也同样表现出骨折块间的对称性微动，促进了骨痂的形成[17]。

1.3髓内钉 髓内钉长期以来一直是长骨骨干骨折的首选内固定方法，常用于骨质疏松性骨折，尤其是股骨远端干骺端、胫骨近端和肱骨近端骨折。髓内钉固定于长骨骨髓腔内，起到分担载荷的作用，达到相对稳定，促进骨痂形成、骨二期愈合。其中心位置和愈合方式除了具有减少软组织损伤和骨折不愈合的优点外，对骨质疏松性骨折可能也有帮助。

同样在钢板设计方面的进步，定角互锁螺栓最常用于短骨骨折和骨质疏松性骨折的固定。在多个平面固定螺钉，骨水泥强化，锁定互锁螺栓，以及使用带垫圈的互锁螺栓都能增加骨质疏松性骨折和干骺端骨折固定的稳定性[18～20]。但对于用螺钉固定骨质疏松性骨折，同样也需要考虑在锁定钢板中所提到的刚度问题。骨质疏松后髓腔扩大，复位之后允许植入大直径的髓内钉，增加了内固定的刚度，而螺钉刚度过大则减少了骨痂形成，导致骨折不愈合[21]。治疗干骺端骨折，并不需要髓内钉与髓腔完全匹配，所以我们需要在二者匹配程度与内固定系统刚度之间做出折中选择。使用小直径髓内钉时，恰当的使用阻挡钉等辅助措施可以有助于骨折复位及内固定的稳定性。

1.4椎弓根钉棒系统 椎弓根钉棒系统内固定因其对脊柱前中后三柱都有固定作用，为现今临床上广泛运用的脊柱内固定方法之一。然而由于骨质疏松患者的骨小梁变薄、骨密度降低，很难给内固定物提供牢固的骨性支撑，当椎弓根螺钉的把持力不够或术后载荷过大时，可导致后期内固定物松动和脱落，使内固定失败。

有研究者通过改进内固定的材料、设计和固定技术，以分散固定界面的应力，进而增加固定的稳定性。另外一种提高椎弓根螺钉固定强度的方法是在椎弓根内运用骨填充材料，如同种异体骨，实验表明，同种异体骨填充椎弓根钉道能提高50%的抗拔出力。但上述方法均无法有效提高椎弓根螺钉与骨界面间的生物力学强度。

1.5骨水泥强化 对骨质疏松性骨的强化固定有多种方法，常用的强化材料如聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥或磷酸三钙骨水泥，增加了皮质骨和松质骨螺钉的表面面积，从而提高了螺钉抗拔出力[22，23]。骨水泥通过嵌锁原则填充松质骨小梁增加表面积，但可能发生热效应（如PMMA）致骨坏死，从而造成骨-钉界面松动[24]。有研究者提出用羟基磷灰石或双膦酸盐涂层螺钉，其原理分别为骨直接向涂层表面生长和提高局部骨强度，以增加骨质疏松性骨-钉稳定性。这两种方法在尸体标本和动物研究中都表明其可行性，但未得到广泛应用[25～27]。

对于骨质疏松脊柱爆裂性骨折，椎体由于骨量丢失，骨-钉界面连接不牢靠，有学者在骨质疏松患者的椎弓根钉道中填充2ml PMMA骨水泥，能将椎弓根螺钉的抗拔出能力提高到原来的5倍，进而强化骨-钉界面，实验证明，骨水泥能明显提高螺钉的轴向拔出力和抗疲劳能力。但对于骨质疏松患者，椎弓根并非最薄弱处，椎弓根容积有限，难以容纳足够的骨水泥，加固作用也有限。

2 具体方法

骨质疏松脊柱爆裂性骨折，骨质疏松引起的胸腰椎骨折在临床上较常见，对于骨质疏松椎体爆裂性骨折患者，由于椎体后缘骨折片向椎管内移位，硬脊膜明显受压，往往合并脊髓神经功能障碍，需减压内固定治疗。

为了避免骨水泥强化椎弓根钉道的缺陷，研究者利用PVP及PKP的方法，将骨水泥注入椎体内，加固于椎体前中部，即螺钉末端，椎体强化后置入椎弓根螺钉，能有效增强骨-螺钉界面的生物力学强度，增强脊柱稳定性[28]。骨水泥强化了椎体骨性结构，为椎弓根螺钉提供了坚强锚固作用，当螺钉拧入椎体时，会把骨水泥挤压到螺钉周围的骨质中，固化后对周围骨质也可以加强。椎体强化较单纯椎弓根钉道强化，有效增强了置钉椎体的生物力学强度，强化了骨-螺钉界面的牢固性，增加了椎弓根螺钉的稳定性，增加了椎弓根钉的轴向拔出力。骨水泥的渗漏同样也是椎体强化的常见并发症，渗漏与骨水泥的注入量呈正相关。

经椎体强化内固定治疗骨质疏松爆裂骨折可以减小内固定失败的发生率，能有效解除由于骨质疏松引起的疼痛，有利于脊柱的稳定，预防伤椎塌陷和减少再次骨折的发生率[29～31]，提高临床疗效。

3 结论

随着我国人口的老龄化，骨质疏松症的发病率有明显增加的趋势，骨质疏松引起的骨折也逐年增多。这些骨折内固定方法也在不断发展，力求解决骨结构的特定改变导致骨力学强度降低的问题。通过改进内固定设计，最大限度增加薄弱处的力量，同时尽量降低其刚度、旋转能力和折弯应力仍然是一个挑战，仍需要进一步研究治疗骨质疏松性骨折的最佳方法。

参考文献：

[1] Turner IG， Rice GN. Comparison of bone screw holding strength in healthy bovine and osteoporotic human cancellous bone[J].Clin Mater，1992，9：105-107.

[2] Sanders R， Haidukewych GJ， Milne T，et al. Minimal versus maximal plate fixation techniques of the ulna： the biome-chanical effect of number of screws and plate length[J].J Orthop Trauma， 2002，16：166-171.

[3] Egol KA， Kubiak EN， Fulkerson E，et al. Biomechanics of locked plates and screws[J].J Orthop Trauma，2004，18：488-493.

[4] Cordey J， Borgeaud M， Perren SM. Force transfer between the plate and the bone： relative importance of the bending stiffness of the screws friction between plate and bone[J].Injury，2000，31（Suppl 3）： C21-8.

[5] Bottlang M， Doornink J， Lujan TJ， et al.Effects of construct stiffness on healing of fractures stabilized with locking plates[J].J Bone Joint Surg， 2010，92（Suppl 2）： 12-22.

[6] Sommer C， Gautier E， Müller M， et al. First clinical results of the locking compression plate （LCP）[J].Injury，2003，34（Suppl 2）：B43-54.

[7] Bottlang M， Doornink J， Byrd GD， et al. A nonlocking end screw can decrease fracture risk caused by locked plating in the osteoporotic diaphysis[J].J Bone Joint Surg，2009，91： 620-627.

[8] O'Toole RV， Andersen RC， Vesnovsky O，et al. Are locking screws advantageous with plate fixation of humeral shaft fractures？ A biomechanical analysis of synthetic and cadaveric bone[J].J Orthop Trauma， 2008，22：709-715.

[9] Rodriguez EK， Boulton C， Weaver MJ，et al. Predictive factors of distal femoral fracture nonunion after lateral locked plating： a retrospective multicenter case-control study of 283 fractures[J].Injury，2014，45：554-559.

[10] Ricci WM， Streubel PN， Morshed S， et al. Risk factors for failure of locked plate fixation of distal femur fractures： an analysis of 335 cases[J]. J Orthop Trauma，2014，28：83-89.

[11] Dalstrom DJ， Nelles DB， Patel V， et al. The protective effect of locking screw placement on nonlocking screw extraction torque in an osteoporotic supracondylar femur fracture mode[J]. J Orthop Trauma， 2012，26：523-527.

[12] Cui S， Bledsoe JG， Israel H， et al Locked plating of comminuted distal femur fractures： does unlocked screw placement affect stability and failure[J]. J Orthop Trauma，2014，28： 90-96.

[13] Beingessner D， Moon E， Barei D， et al. Biomechanical analysis of the less invasive stabilization system for mechanically unstable fractures of the distal femur： comparison of titanium versus stainless steel and bicortical versus unicortical fixation[J].J Trauma，2011，71：620-624.

[14] Bottlang M. Far cortical locking can reduce stiffness of locked plating constructs while retaining construct strength[J].J Bone Joint Surg Am，2009，91：1985.

[15] Gardner MJ， Nork SE， Huber P， et al. Stiffness modulation of locking plate constructs using near cortical slotted holes： a prelim-inary study[J].J Orthop Trauma，2009，23：281-287.

[16] Bottlang M， Fitzpatrick DC， Sheerin D， et al. Dynamic fixation of distal femur frac-tures using far cortical locking screws： a prospective observational study[J]. J Orthop Trauma，2014，28：181-188.

[17] Doornink J， Fitzpatrick DC， Madey SM， et al. Far cortical locking enables flexible fixation with periarticular locking plates[J].J Orthop Trauma，2011，25：S29-34.

[18] Kummer FJ， Koval KJ， Kauffman JI. Improving the distal fixation of intramedullary nails in osteoporotic bone[J].Bull （Hosp for Joint Dis （New York， NY）），1997，56：88-90.

[19] Paller DJ， Frenzen SW， Bartlett III CS， et al. A three-dimensional comparison of intramedullary nail constructs for osteopenic supracondylar femur fractures[J].J Orthop Trauma，2013，27：93-99.

[20] Tejwani NC， Park S， Iesaka K， et al. The effect of locked distal screws in retrograde nailing of osteoporotic distal femur fractures： a laboratory study using cadaver femurs[J]. J Orthop Trauma，2005，19：380-383.

[21] Sha M， Guo Z， Fu J，et al. The effects of nail rigidity on fracture healing in rats with osteoporosis[J].SORT，2009，80：135-138.

[22] Jupiter JB， Winters S， Sigman S， et al. Repair of five distal radius fractures with an investigational cancel-lous bone cement： a preliminary report[J]. J Orthop Trauma，1997，11： 110-116.

[23] Cornell CN. Internal fracture fixation in patients with osteoporosis[J]. J Am Acad of Orthop Surg，2003，11：109-119.

[24] Bogunovic L， Cherney SM， Rothermich MA，et al.[J].

[25] Moroni A， Toksvig-Larsen S， Maltarello MC， et al. A comparison of hydroxyapatite-coated， titanium-coated， and uncoated tapered external-fixation pins. An in vivo study in 44. sheep[J].J Bone Joint Surg Am， 1998，80：547-554.

[26] Agholme F， Andersson T， Tengvall P， et al. Local bisphosphonate release versus hydroxyatite coating for stainless steel screw fixation in rat tibiae[J]. J Mater Sci Mater Med，2012，23：743-752.

[27] Wermelin K， Suska F， Tengvall P， et al. Stainless steel screws coated with bisphosphonates gave stronger fixation and more surrounding bone[J].Histomorphometry in rats 46. Bone，2008，42：365-371.

[28] KohlhoF，SeideU.Cement-augmented anterior screw fixation of Type II odontoid fractures in elderly patients with osteoporosis[J].Spine， 2013，13（12）：1858-1863.

[29] Deramand H，Deprieser C，Galibert P，et al.percutaneous vertebroplasty withpolymethylmethacrylate：technique，indictions and results[J].Radiol Clin North Am， 1998，36：533-546.

[30] Cotten A，Dewatre F，Cortet B，et al.percutaneous vertebroplasty for osteolytic metastases and myeloma：effects of the percentage of lesion filling and the leakage of meehyl methacrylate at clinical follow-up[J].Radiology， 1996，200：525 -530.

[31]Jesen ME，Evans AJ，Mathsis JM，et al.Percutaneous polymethylmethacrylate vertebroplasty in the treatment of osteoporotic vertebral body compression fractures： technical aspects[J].AJNR and J Neuroradiol，1997，18：1897-1904.

编辑/成森