骨质疏松椎弓根螺钉治疗的生物力学进展*

杨文悦，刘肖珩，沈阳，曾烨，陈宇△，蒋文涛

(1. 四川大学生物力学工程省重点实验室，成都 610065；2. 四川大学华西基础医学与法医学院，成都 610041)

1 引 言

骨质疏松症是一种以骨密度和骨质量下降，骨微结构破坏为特征的全身性骨病。患者在轻微暴力作用下即可发生骨质疏松性骨折，在骨折类型中椎体骨折所占比例最高，2020年我国骨质疏松性椎体压缩骨折患者每年新增近150万[1]。目前，椎弓根螺钉固定方法已广泛运用于正常骨骨折的治疗。但由于疏松骨的力学性能降低，一般的固定方法无法提供足够的稳定性，引发许多并发症，因此需要改进椎弓根螺钉。本研究对近五年有关新型骨质疏松椎弓根螺钉的生物力学性能的文献进行总结，通过对比不同增强方式下螺钉的力学性能，从而对临床骨质疏松椎弓根螺钉的选择提供帮助。

2 骨质疏松椎弓根螺钉治疗背景

骨质疏松骨的力学性能改变使骨质疏松骨的骨折比健康骨的骨折更复杂[2]。椎弓根螺钉的固定能力在骨质疏松骨中明显降低[3]，为此需要更有效的固定方式以提高骨的初步稳定性。同时，由于骨质疏松性骨的松质骨和皮质骨力学性能降低，螺钉松动以及螺钉周围骨折是其常见并发症。所以对于骨质疏松骨来说，螺钉需要能够承受松动，或者以其他方式加固防止骨折固定的失败。目前主要有添加骨水泥、改变螺钉轨迹、改变螺钉尺寸等方法进行加固。本研究系统总结不同增强方式下螺钉的力学性能。

不同类型的椎弓根螺钉生物力学性能主要通过轴向拉拔试验，扭矩试验和疲劳试验进行比较。轴向拉拔试验中测得的最大抗拔强度和破坏能，在实际中椎弓根螺钉的拔出损伤表现为椎弓根或近端椎弓根骨折。扭矩试验所测的螺钉最大扭矩表现为椎弓根螺钉在体内的固定强度。疲劳试验主要分为周期抗弯试验和压缩疲劳试验等，其测定结果表示椎弓根螺钉在疏松骨内部的稳定性。

3 骨质疏松不同类型加固椎弓根螺钉的生物力学性能比较

3.1 不同轨迹椎弓根螺钉

传统轨迹(traditionaltrajectory, TT)椎弓根螺钉植入轨迹是由外向内，通过椎弓根轴，而皮质骨轨迹(cortical bone trajectory, CBT)螺钉是内向外的轨迹，见图1。

图1 (a).TT螺钉；(b).CBT螺钉

将CBT螺钉与TT螺钉进行插入扭矩测量、疲劳试验和拔出试验来评估其力学性能。轴向拔出试验以5 mm/min的速率进行，记录其失效载荷。循环疲劳试验通过施加正弦循环(1Hz)力来进行，压缩施加的力每500个循环增加25 N，当试验机上测力传感器的尾端位移超过5 mm时，试验停止，记录其循环次数与失效载荷。试验结果表明，CBT螺钉的插入扭矩、拔出载荷和疲劳性能均优于TT螺钉[4]。通过轴向拉拔分析来评估疲劳载荷下CBT螺钉与TT螺钉的生物力学性能。该试验通过50 000个循环(25 000个屈伸，15000个横向弯曲和10 000个轴向旋转)进行疲劳测试，然后进行拉伸至失效。其中CBT螺钉的尺寸为6.0 mm×45 mm和7.0 mm×45 mm，TT螺钉的尺寸为4.35 mm×30/35 mm和5.0 mm×30 /35 mm。试验结果表明，尽管直径和长度较小，但CBT螺钉所导致的失效与较大的TT螺钉相比无明显差异[5]。将两种不同插入长度的椎弓根螺钉：单皮质螺钉(深度40 mm)和双皮质螺钉(深度55/60 mm)。按以下三种不同的轨迹插入：直行(平行于上终板)，头侧(朝向前上角)，尾侧(朝向前下角)。测量最大插入扭矩和拔出强度。结果说明，对于骨质疏松性腰椎椎体，在尾侧路径使用双皮质椎弓根螺钉可能是改善固定效果的最佳选择[6]。

上述试验表明，在力学性能方面CBT螺钉比TT螺钉拥有更好的固定效果。这是由于CBT螺钉是内向外的轨迹，插入疏松椎体骨后其螺纹能够最大限度地接触高密度皮质骨，从而增大螺钉与疏松骨之间的阻力，能够有效减少螺钉松动等并发症。双皮质椎弓根螺钉固定性比单皮质螺钉强的主要原因是双皮质螺钉插入更深，螺钉螺纹与疏松骨接触面积增大，产生更大的切应力，从而达到更好的固定效果。

3.2 膨胀椎弓根螺钉

等尺寸膨胀椎弓根螺钉(expansive pedicle screw, EPS)与常规椎弓根螺钉(conventional pedicle screw, CPS)分别植入十块骨质疏松性人工合成骨中，并进行了拉拔试验。该试验以5 mm/min的恒定速度逐渐向螺钉头部施加拉伸载荷，直到螺钉从试块中拔出, 得到载荷-位移曲线并定义了两个输出参数：最大抗拔强度(Fmax，荷载-位移曲线中的拐点)和破坏能(E，荷载-位移曲线下的面积)。试验证明了EPS组螺钉稳定性显著高于CPS组[7]。

EPS的固定性比CPS强的原因是与CPS相比， EPS有两大主要部件：空心外管螺钉和内置圆柱螺钉膨胀器。膨胀后，螺钉的前三分之二部分直径增大，从而加强对螺钉周围的疏松骨的压力，同时利用楔形斜度加大螺钉与疏松骨之间的摩擦力,增强固定效果。

3.3 骨水泥增强椎弓根螺钉

骨水泥增强型椎弓根螺钉(polymethylmethacrylate-augmented pedicle screw , PMMA-PS)是将骨水泥注入疏松骨并且插入椎弓根螺钉。将PMMA-PS与非增强椎弓根螺钉插入骨质疏松椎骨中进行疲劳载荷试验，试验证明PMMA-PS的稳定性显著高于非增强椎弓根螺钉[8]。PMMA-PS与非增强椎弓根螺钉插入骨质疏松椎骨中进行轴向拔出试验。拉拔结果证明了PMMA-PS的优越性[9]。等尺寸PMMA-PS与EPS分别植入十块骨质疏松性人工合成骨中，并进行了轴向拉拔试验。该试验得到了载荷-位移曲线并定义了两个输出参数：最大抗拔强度和破坏能。结果证明了PMMA-PS组螺钉稳定性显著高于EPS组[7]。通过对骨质疏松和严重骨质疏松人工骨块注射不同体积的骨水泥，比较不同体积PMMA-PS的稳定性。插入螺钉后进行轴向拉拔试验，记录最大值Fmax。结果显示，随着注射骨水泥的体积从0 mL增加，螺钉的稳定性同步增加。由于过多骨水泥会增加其渗漏风险，在该研究中，注射3 mL和4 mL PMMA是骨质疏松症和严重骨质疏松症的首选治疗方法[10]。

通过拉拔、周期性抗弯和压缩疲劳试验，对不同骨水泥充填量(25%、50%、75%、100%)的椎弓根螺钉内固定的生物力学性能进行了测试。拉拔实验以5 mm/min的速度进行轴向牵引，以突然下降(拔出强度)或拔出损伤时的强度作为拔出或松动的标准。周期性抗弯试验：载荷沿长轴的垂直方向施加在螺旋尾上。负载先由0增至25 N，然后降至0 N，循环重复100次。使用0～50 N、0～75 N直到0～300 N各负载100次。共1 200次记录最大载荷与螺钉头的位移。压缩疲劳试验：连续加载200 N循环1200次观察松动状态，记录松动引起的位移。试验结果表明骨水泥的最佳充填量为轨迹体积的75%[11]。

进行不同侧孔不同体积骨水泥增强可注射空心椎弓根螺钉(cement-injectable cannulated pedicle screws ,CICPS)的生物力学比较。将骨质疏松椎体分为三组：A组由带四个180°侧孔的CICPS组成，B组由6个180°侧孔的CICPS组成，C组采用CPS，见图2。进行轴向拔出试验记录最大值Fmax[12]。

图2 A、B、C螺钉示意图[12]

可以看出，螺钉稳定性与骨水泥的分布方式和注射量显著相关。骨水泥离椎弓根越近，注射量越大，CICPS稳定性越好。通过带四个180°侧方孔的螺钉注射2.0 mL骨水泥或通过带六个180°侧方孔的螺钉注射1.0 mL骨水泥可增加椎弓根螺钉的稳定性。

PMMA-PS拥有比CPS更好的稳定性，是由于将骨水泥注入疏松骨中有效加强了周围疏松骨的骨密度，同时插入椎弓根螺钉后骨水泥会紧紧包裹住螺钉，使螺钉与疏松骨紧密结合，改善了骨螺钉的界面。与CPS相比，PMMA-PS改善了螺钉周围的密度，从改变疏松骨的生物力学属性方面增强椎弓根螺钉的固定效果。

PMMA-PS比EPS拥有更好的固定效果。这可能与其不同的稳定性机制有关。EPS的稳定性主要是通过螺钉前部的膨胀和压缩来提高的，而PMMA-PS则是通过螺钉通道周围骨水泥的相对均匀分布，增加螺钉的总直径以及螺钉与周围骨的接触面积来提高的螺钉拔出过程中螺钉与疏松骨之间的摩擦。

对于PMMA-PS来说，在一定范围内，随着注射骨水泥体积的增加，疏松骨的骨密度以及螺钉与周围合成骨的接触面积均逐渐增大。对此，文献[10-11]得出了相似的结论，但文献[11]的试验结果中，骨水泥注射量达到轨迹体积的75%为失效荷载峰值，文献[10]的试验中却是一直增加的趋势，这与选择不同的疏松骨材料、加载机制以及轨迹体积等有关。

CICPS通过侧孔注射骨水泥，可以达到骨水泥最佳填充量，并且使得骨水泥在疏松骨中分布更均匀。临床试验[13-15]也证明了CICPS可以提供更好的植入物稳定性，并且松动率很低，是治疗骨质疏松相关性椎体骨折的一种有效且安全的手术技术。

3.4 注入新型材料的骨水泥椎弓根螺钉

将磷酸钙纳米复合材料(calcium phosphate-based nanocomposite,CPN)增强型椎弓根螺钉与聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)增强型椎弓根螺钉插入骨质疏松骨折椎骨后，测试其轴向拔出强度和最大扭矩[16]。

用机械试验机测试了轴向拔出强度和最大扭矩。结果表明，CPN与PMMA相比，具有独特的分散能力。CPN沿螺钉均匀对称分布，PMMA仅限于螺钉近端。虽然CPN是一种力学性能弱于PMMA的材料，但CPN在应用于尸体椎体固定时，表现出与PMMA相似的生物力学特性。

CPN增强型椎弓根螺钉也是一种增强椎弓根螺钉固定强度的有效方法。CPN材料的力学性能虽然弱于PMMA，但是其独特的分散能力增强了疏松骨骨密度的均匀性，使之拥有与PMMA相似的固定强度。这也为加固骨质疏松椎弓根螺钉提供了一个新思路。

3.5 支架-螺钉辅助内固定

一种新型治疗严重骨质疏松椎体骨折的微创增强技术，称为支架-螺钉辅助内固定。该技术在支架扩张和螺钉就位后，通过注入水泥实现椎体的最佳填充[17]。为了评价该技术的生物力学性能，建立了骨质疏松性腰椎的有限元模型，模拟椎体成形术和支架-螺钉辅助内固定术。模拟考虑日常活动(站立和屈曲)的情况，比较两种技术在椎体上的应变分布。其中站立模拟施加轴向压缩力500 N，弯曲模拟施加轴向压缩力1 175 N与椎体最上端力矩7.5 N·m。有限元模拟试验结果表明，支架-螺钉辅助内固定技术在生物力学上优于椎体成形术，能显著降低椎体上的应变分布，从而在治疗水平上降低再骨折风险[18]。

支架-螺钉辅助技术中内固定支架为椎体提供很好的支撑力，防止可能的塌陷。骨水泥增强骨密度的同时，将支架-骨水泥-螺钉牢牢结合，显著加强了疏松骨的固定强度。 并且在支架扩张和螺钉就位之后注入水泥的方法也实现椎体的最佳填充。

4 总结

综上所述，CBT螺钉比TT螺钉拥有更好的固定效果；双皮质椎弓根螺钉比单皮质椎弓根螺钉拥有更好的固定效果；EST比CPS拥有更好的固定效果；PMMA-PS比CPS拥有更好的固定效果；PMMA-PS比EPS拥有更好的固定效果。总结发现通过改变螺钉轨迹、改用膨胀螺钉、增大插入深度、添加骨水泥等方法均可以增强椎弓根螺钉的固定效果，见表1。

表1 不同螺钉固定方式治疗骨质疏松椎体骨折的生物力学试验P值

5 展望

生物相容性一直是生物材料应用于医疗的中心话题，在增强椎弓根螺钉固定强度的方法中，增强材料的生物相容性仍是未来发展趋势。CPN增强型椎弓根螺钉与PMMA增强型椎弓根螺钉具有相似的固定强度，但CNP比PMMA拥有更好的生物相容性，在骨生长方面具有正面积极的生物作用。支架-螺钉辅助技术中内固定支架也可以采取生物相容性材料，更适合在生物体内吸收，促进骨的生长。在今后的研究中，生物材料加固可能会成为增强骨质疏松椎弓根螺钉的一个新方向。