不同椎弓根钉道强化部位对绵羊骨质疏松模型胸腰椎内固定稳定性的影响

王春生，薛建琛，郭经伟，宋少峰，郭 杰，刘欣伟，闫志旺

脊柱后路椎弓根螺钉系统作为稳定脊柱“三柱”结构的重要内固定材料，常用于脊柱骨折、脊椎退行性疾病及脊柱矫形的治疗[1]。随着世界老龄化人口的不断增多，患有不同程度骨质疏松症的患者越来越多。有研究表明，不同的骨密度对胸腰椎椎弓根螺钉内固定的稳定性有重要影响[2]。脊柱骨密度降低使常规椎弓根螺钉系统固定脊柱的稳定性大打折扣，造成螺钉松动、拔出等内固定失败或脊柱不稳的报道屡见不鲜[3-4]，从而给患者的预后带来巨大影响。为解决该问题，相关学者进行了各种各样的研究与实践，临床上先后出现了弧形螺钉、可诱导螺钉、膨胀式椎弓根螺钉、可注入骨水泥椎弓根螺钉及钉道强化技术[5-7]，其中钉道强化技术在临床上应用最为广泛。目前，在钉道强化技术方面的研究仅限于注入骨水泥剂量以及部分钉道强化对椎弓根螺钉稳定性的影响[8-9]，而对于椎弓根钉道强化部位的研究少之又少。临床上对骨质疏松性脊柱骨折患者进行脊柱后路椎弓根螺钉内固定时，常选择强化椎体的钉道来增强椎弓根螺钉系统的稳定性，对于具体强化椎弓根钉道的哪一部分，尚无统一标准。本实验目的在于研究相同强化条件下，强化椎弓根钉道的不同部位对椎弓根螺钉系统早期稳定性的影响，为进一步指导脊柱手术的操作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1实验材料

1.1.1实验标本：筛选30只生长3～5年雌性绵羊脊柱标本(胸12～骶1节段)，绵羊均来自河北察北牧场，常规牧场饲养，行双侧卵巢切除术，且术后1个月开始肌内注射甲泼尼龙0.45 mg/(kg·d)，连续10个月建立骨质疏松模型[10-11]。处死绵羊6 h内将脊柱标本送往实验室。分别在X线下常规透视，除外脊柱畸形及先天性脊柱疾病，通过双能X线骨密度仪进行检查，确保骨密度T值在-2.5以下，证明造模成功。

1.1.2实验器材：椎弓根螺钉系统(常州华森医疗器械有限公司，螺钉直径3.5 mm，螺纹长度35 mm，螺距1.5 mm)，椎体强化工具包(苏州爱得科技发展有限公司，型号：ZT-114.2X130)，骨水泥(北京邦塞科技有限公司)；双能X线骨密度仪(康达洲际医疗有限公司，型号：KD-GRAND)、C形臂X线机(德国奇目成像医疗器材集团，型号：ZIehm Vision RFD3D)、CT仪(美国GE-680公司)、HY-3080型生物力学机(上海衡仪精密仪器有限公司)、游标卡尺(上海精密仪器有限公司，精确度为0.02 mm)、LPS-60DS型电子扫描仪(广州市享润电子科技有限公司)；80型固定台钳(美科工具有限公司)，牵引固定架(自制)。

1.2实验方法

1.2.1标本制作：将造模成功的新鲜绵羊脊柱标本放置实验工作台上，分别剔除脊柱椎旁肌肉，保留棘上韧带、棘间韧带、脊柱关节囊、纤维环等完整结构。利用椎弓根螺钉置钉工具在标本上置入4个钉道，利用C形臂X线机检验钉道的方向基本一致。然后在建立的钉道下置入强化工具套筒(仅行腰4双侧椎弓根钉道强化)，将混合均匀的骨水泥，在C形臂X线机辅助下分别对两侧钉道的前1/3、中1/3、后1/3进行定时(骨水泥粉末与液体开始混合后约4 min)、等量(约1.0 ml)骨水泥强化，确保骨水泥在椎弓根钉道周围以“团状”形式弥散。在骨水泥未凝固时置入相同规格的椎弓根螺钉，选择合适长度的连接棒，尾帽固定。常规CT扫描，确保骨水泥按照预定的钉道部位强化。根据强化的部位，将实验标本分为A组(强化钉道前1/3)、B组(强化钉道中1/3)、C组(强化钉道后1/3)3组，各10具。

1.2.2疲劳实验：将实验标本从台钳上取下，切除腰3以上部分脊柱标本。将标本的末端进行牙托粉包埋固定，台钳固定牙托粉模具，利用牵引固定架将标本与生物力学机进行牵引连接，然后分别对实验标本进行前屈、后伸、左侧弯、右侧弯活动共计10 000次(每个方向2500次)。疲劳实验后测定脊柱标本的最大活动范围、轴向压缩刚度、螺钉最大拔出力及最大扭力。脊柱最大活动范围即脊柱标本固定节段前屈、后伸、左侧弯、右侧弯4个方向的最大活动范围。将骶1椎体固定于生物力学机基座，腰3椎体植入环形螺钉，并用牵引钢丝与之固定，通过自制的牵引固定架与生物力学机的另一端连接；通过生物力学机对脊柱标本前屈、后伸、左侧弯、右侧弯4个方向进行牵拉，测定4个方向的最大活动范围。将椎弓根钉棒固定节段的脊柱标本固定于生物力学机的基座与顶座之间，测定其最大轴向压缩刚度。拆除螺钉尾帽、连接棒，利用生物力学机测定腰4左侧椎弓根螺钉的轴向最大拔出力及对侧椎弓根螺钉的最大扭力。实验期间对脊柱标本定期喷洒生理盐水，保持标本韧带软组织湿润程度。

2 结果

2.1椎弓根钉道全长解剖学和CT影像学测量结果比较 30具脊柱标本(腰4～5，每具4枚螺钉)完成实验数据测定后，沿椎弓根钉道方向切割，进行解剖学测量。对椎弓根钉道解剖学与CT影像学测量长度进行比较，测量结果比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表1及图1。说明椎弓根钉道长度的CT影像学测量与实际解剖学测量结果一致性良好。

表1 30具绵羊骨质疏松模型脊柱标本椎弓根钉道解剖学与影像学测量长度比较

2.23组脊柱标本轴向压缩刚度、螺钉最大拔出力及最大扭力比较 3组轴向压缩刚度、螺钉最大拔出力及最大扭力比较差异均有统计学意义(P<0.01)；B组和C组轴向压缩刚度低于A组，且C组低于B组(P<0.01)；B组和C组螺钉最大拔出力及最大扭力均大于A组，且C组大于B组(P<0.01)。见表2。

表2 3组绵羊骨质疏松模型脊柱标本轴向压缩刚度、螺钉最大拔出力及最大扭力比较

2.33组脊柱标本各方向最大活动范围比较 3组各方向最大活动范围比较差异有统计学意义(P<0.01)；B组和C组前屈、后伸、左侧弯、右侧弯最大活动范围均小于A组，且C组小于B组(P<0.01)。见表3。

A组 B组 C组图1 3组绵羊骨质疏松模型脊柱标本不同椎弓根钉道强化部位的CT矢状位扫描图A组强化钉道前1/3，B组强化钉道中1/3，C组强化钉道后1/3

表3 3组绵羊骨质疏松模型脊柱标本各方向最大活动范围比较

3 讨论

椎弓根螺钉内固定是脊柱后路手术中最常用的内固定技术，因其能满足脊柱“三柱”的稳定性，且对于维持术后脊柱早期稳定性具有无法取代的优势[12]。脊柱椎弓根螺钉主要依靠“骨界面”与螺纹的把持力增加固定的稳定性[13-14]。常因患者骨质疏松或脊柱畸形、置钉方向位置不理想需重新置钉，导致骨-螺钉界面把持力降低。章筛林等[15]研究表明，椎弓根钉道强化固定可明显增强骨质疏松脊柱的稳定性。陈晓峰等[16]研究表明，二次置钉会导致骨松质骨密度进一步丢失，钉道周围间隙增大，需要更多的骨水泥填充才能获得足够的把持力。刘达等[17]认为，椎弓根螺钉整体固化的稳定性优于局部固化。在实际临床操作中，无法将整个椎体充分弥散骨水泥，而且骨水泥是不可吸收材料，对于患者的远期影响如何，也不明确。故在具体手术中，强化钉道哪个部位更能增加脊柱的稳定性，目前尚无确切结论[18-19]。就钉道强化技术而言，椎体及椎弓根钉道全长强化肯定较单纯椎弓根强化的抗拔出力和把持力好，但是在临床实际操作中，因担心骨水泥渗入椎管或侧隐窝，鲜有整体强化椎弓根钉道，一般会常规选择强化椎体内的钉道。至于强化椎弓根钉道中的哪一部分，有的学者认为应强化钉道的前部，有的认为应强化钉道的后部，目前尚未达成统一。因此，本实验观察在同等剂量固化材料条件下，通过强化椎弓根钉道的不同部位，比较椎弓根螺钉系统的早期稳定性。

本实验选用新鲜的绵羊骨质疏松模型脊柱标本，保留韧带及关节囊，更好模拟人体的脊柱生物力学及对韧带的影响。通过疲劳实验模拟正常人的脊柱活动，进一步研究不同强化部位对椎弓根螺钉系统稳定性的影响。轴向拔出力测定是用来评价椎弓根内固定稳定性的常用方法[20-21]。另外通过轴向压缩刚度及最大扭力测定能够从三维层面更好地评估椎弓根螺钉系统的稳定性。本实验只对腰4椎体的钉道进行强化，并未强化腰5椎体，旨在减少腰5对腰4椎体钉道不同部位强化的影响。

本实验研究表明，强化钉道前1/3时，螺钉的最大拔出力、最大扭力最小，轴向压缩刚度最大；强化钉道后1/3时，螺钉的最大拔出力、最大扭力最大，轴向压缩刚度最小；强化钉道中1/3时，居中。因此，钉道强化越向椎体后缘，把持力越大，内固定稳定性越好。前屈、后伸、左右侧弯是人体脊柱活动最基本的4种方式，通过疲劳实验可以模拟人体在脊柱活动时椎弓根螺钉内固定所承受的应力。本研究结果显示，强化钉道前1/3、中1/3、后1/3，脊柱4个方向最大活动范围依次减小，反映出钉道强化后椎弓根螺钉系统的稳定性依次增大；3组中强化钉道后1/3，内固定稳定性最好，强化钉道前1/3，稳定性最差。究其原因可能与椎弓根的距离有关，脊柱进行后路椎弓根螺钉内固定时，椎弓根螺钉把持力的60%集中于椎弓根本身[22]。强化部位越靠近椎体后方，其与脊柱椎弓根的距离就越小，相当于延长了椎弓根的有效长度，从而使脊柱骨质对螺钉的把持力增大。

本研究旨在为临床如何确定骨水泥强化部位提供参考。此外，钉道强化的稳定性还与骨水泥的注入量、弥散方式等有关系[23]。在临床进行钉道强化时，应尽量贴近螺钉的根部进行强化，可有效增大螺钉的拔出力，增加内固定的稳定性。但是越接近螺钉的根部强化，骨水泥进入椎管的可能性越大，尤其是椎体爆裂性骨折患者，应引起术者的注意。

本实验仅从生物力学角度分析强化部位对椎弓根螺钉内固定稳定性的影响。对于骨质疏松性胸腰椎骨折患者而言，在行椎弓根螺钉内固定钉道强化时，强化部位越接近椎弓根部位，拔出力越大，固定越稳定。但临床治疗时还应根据骨质疏松性胸腰椎骨折患者具体骨折情况，选择合适的钉道强化部位，同时还需考虑骨水泥的注入量、弥散方式等情况。