金属椎弓根螺钉植入物及其新型替代材料的研究与进展

背景：椎弓根螺钉内固定系统广泛应用于脊柱骨折、退行性变、肿瘤等疾病之中,螺钉的材料、整体设计及结合新型生物材料强化等方面的研究有了很大进展。目的：对国内外椎弓根螺钉的设计进展作一综述。方法：由第一作者检索1994/2010中国期刊全文数据库及1959/2010 Pubmed数据库中关于椎弓根螺钉的文章,在标题和摘要中以＂椎弓根螺钉,生物力学,设计,生物材料＂或＂pedicle screw,biomechanics,design,biomaterial＂为检索词进行检索。选择文章内容与椎弓根螺钉设计有关者,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。最终入选36篇文献进入结果分析。结果与结论：采用钛合金材料,增加螺钉的直径及长度,使用特殊设计的螺钉,如可膨胀椎弓根螺钉,或运用生物材料强化椎弓根螺钉,可以提高螺钉的固定强度。此外,不同螺钉形状、螺纹形状、螺纹倾角、螺纹深度、间距与其固定强度密切相关。设计螺钉时应充分考虑到各个因素,以便于研究出更完美的椎弓根螺钉。     

脊柱椎弓根螺钉应用的生物力学特征

背景:椎弓根螺钉内固定经过不断的发展和完善,生物力学理论在脊柱内固定器方面也有了很大进展.目的:对脊柱椎弓根螺钉应用的生物力学研究进行综述.方法:应用计算机检索1986-01/2010-10 CNKI和Pubmed数据库,在标题和摘要中以"椎弓根螺钉,生物力学"或"Pedicle Screw,Biomechanics"为检索词进行检索.选择文章内容与椎弓根螺钉的生物力学有关者,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章.最终入选49篇文献进行综述.结果与结论:在椎弓根螺钉的发展过程中,生物力学不仅为内固定的研制提供理论基础,也是测试和评价新设计内固定器效果的最终依据和标准.文章结果显示椎弓根螺钉植入点、植入方向、螺钉大小、螺钉形状、螺钉材料对脊柱生物力学均有一定影响.     

脊柱椎弓根螺钉应用的生物力学特征

背景：椎弓根螺钉内固定经过不断的发展和完善,生物力学理论在脊柱内固定器方面也有了很大进展。目的：对脊柱椎弓根螺钉应用的生物力学研究进行综述。方法：应用计算机检索1986-01/2010-10CNKI和Pubmed数据库,在标题和摘要中以＂椎弓根螺钉,生物力学＂或＂Pedicle Screw,Biomechanics＂为检索词进行检索。选择文章内容与椎弓根螺钉的生物力学有关者,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。最终入选49篇文献进行综述。结果与结论：在椎弓根螺钉的发展过程中,生物力学不仅为内固定的研制提供理论基础,也是测试和评价新设计内固定器效果的最终依据和标准。文章结果显示椎弓根螺钉植入点、植入方向、螺钉大小、螺钉形状、螺钉材料对脊柱生物力学均有一定影响。     

不同椎弓根螺钉螺纹设计及各种强化材料的拔出力比较

目的:比较不同螺纹设计和各种类型椎弓根螺钉强化材料的拔出力,评价何种设计以及注入哪种强化材料的椎弓根螺钉可以增加螺钉的稳定性和抗屈强度.方法:以计算机检索方法在中国期刊全文数据库中(CNKI:2000-2006)检索关于椎弓根螺钉拔出力和稳定性实验研究方面的随机对照实验,检索词为"椎体,椎弓根螺钉",检索后对每项研究的资料结果进行提取、分析.结果:共有8项实验研究符合纳入标准,螺钉螺纹设计与螺钉拔出力有密切的关系,锥形螺钉较皮质骨螺钉和松质骨螺钉具有更好的抗弯曲和断裂的强度,而椎弓根螺钉设计成外锥形可达到最理想的固定效果.聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥可增强椎弓根螺钉的稳定性,增加椎弓根螺钉的拔出强度,磷酸钙骨水泥强化螺钉也可提高椎弓根螺钉的拔出力,但其在初期的加吲效果,不如聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥.结论:将螺纹设计为外锥形以及注入聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥和磷酸钙骨水泥等椎弓根螺钉强化材料可以提高椎弓根螺钉的拔出力和稳定性,但由于纳入实验少,而且均为仞期实验研究结果,证据的强度不足,如何提高弓根螺钊应用的安全性、减少螺钉松动和脱出,还有待更多研究及证据加以评价.     

影响椎弓根螺钉固定强度的相关因素

背景：椎弓根螺钉作为一种较为优良的脊柱内固定手段,近几年来已越来越广泛应用于临床实践中。目的：探讨影响椎弓根螺钉固定强度的相关因素,为临床选择椎弓根螺钉类型提供生物力学依据。方法：通过检索近年来文章内容与椎弓根螺钉的生物力学相关文献,从椎弓根螺钉器械自身几何形态因素、植入技术因素、椎弓根解剖因素、椎体的骨密度因素、螺钉的制作工艺及材料性能因素等对固定强度的影响相关研究成果作回顾性分析,为临床提供理论依据。结果与结论：文章结果显示椎弓根螺钉的自身形态如螺钉大小、螺纹形状、疲劳特性是影响固定强度的主要因素,椎体的骨密度、螺钉的制作工艺及材料性能也是影响固定强度不可忽视的因素。通过增加螺钉的直径、改进螺钉形态设计、强化骨质、改进操作技术可以提高螺钉的拔出力,提高螺钉的稳定性。     

椎弓根钉置入内固定治疗胸腰椎骨折的应用进展

目的:介绍椎弓根螺钉固定技术在胸腰椎骨折治疗方面的应用和进展.方法:第一作者应用计算机检索PubMed数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed)及CNKI数据库(www.cnki.net/index.htm),在标题和摘要中以"椎弓根螺钉,胸腰椎骨折,内固定"或"vertebral pedicle screw, thoracolumbar fracture, internalfixation"为检索词进行检索.选择文章与椎弓根螺钉固定的解剖学基础、生物力学分析、临床应用及优缺点相关,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章.共纳入31篇文献.结果:经椎弓根内固定器能有效地恢复椎体的高度及生理弧度,使移位的骨块回复原解剖结构并加以固定,从而使神经管得以持久有效的减压.椎弓根螺钉固定能提供坚强的内固定,可以矫正畸形和维持脊柱的三维位置,提供较好的生物力学稳定性.近年来各种技术的联合应用,微创技术的发展,使得用于治疗胸腰椎骨折的后路技术种类繁多,但椎弓根固定技术是多种治疗胸腰椎骨折后路技术的基础.结论:椎弓根螺钉固定是一种有效的胸腰椎内固定技术,它可用于各种原因引起的胸腰椎不稳,特别是胸腰椎骨折的治疗.     

椎弓根螺钉在胸腰椎骨折置入内固定治疗中的应用及其生物相容性

目的:阐述椎弓根螺钉在胸腰椎骨折内固定治疗中的应用进展,并评价其生物相容性.方法:第一作者应用计算机检索PubMed(1989/2009)数据库,检索关键词"Pedicle screws,thoracolumbar,fractures,biocompatibility",限定语言种类为English;同时检索CNKI(1989/2009)数据库,检索关键词"椎弓根螺钉,胸腰椎,骨折,生物相容性",限定语言种类为中文.共检索到57篇文章,按纳入和排除标准对文献进行筛选,最终纳入31篇文章.结果:后路椎弓根螺钉内固定系统是治疗胸腰椎骨折的有效方法,但内固定后易发生椎弓根螺钉断裂.联合椎弓根螺钉系统和向伤椎空腔内置入自体骨或人工材料,可以有效减少置入物的松动、断裂等并发症,但价格昂贵.内固定时充分植骨,骨折愈合后适时取出置入物能有效的防止脊柱内固定器的断裂.不锈钢材料的椎弓根螺钉强度较大,但组织相容性差.钛类内固定材料的生物相容性较好,但其刚度较小,容易断裂.结论:椎弓根螺钉内固定系统是治疗胸腰椎骨折的最有效手段.各种椎弓根螺钉的生物相容性均有待提高,钛类椎弓根螺钉组织相容性较好,其刚度需要提高,不锈钢材料椎弓根螺钉刚度较好,但其生物相容性较差.     

椎弓根螺钉在胸腰椎骨折置入内固定治疗中的应用及其生物相容性

目的:阐述椎弓根螺钉在胸腰椎骨折内固定治疗中的应用进展,评价其生物相容性.方法:由第一作者用计算机检索中国期刊全文数据库(CNKI:1989/2009)和Medline(1989/2009)数据库,检索词分别为"椎弓根螺钉、脚腰椎、骨折、生物相容性"和"Pedicle screws,thoracolumbar,fractures,biocompatibility",语言分别设定为中文和英文.共检索到57篇文章,按纳入和排除标准对文献进行筛选,共纳入32篇文章.从推弓根螺钉治疗胸腰椎骨折和椎弓根螺钉并发症的防治2方面进行总结,对椎弓根螺钉临床应用进展,生物相容性,预防椎弓根螺钉断裂3方面进行探讨.结果:后路椎弓根螺钉内固定系统是治疗胸腰椎骨折的有效方法,但内固定后易发生椎弓根螺钉断裂.联合椎弓根螺钉系统和向伤推空腔内置入自体骨或人工材料,可以有效减少置入物的松动、断裂等并发症,但价格昂贵.内固定时充分植骨,骨折愈合后适时取出置入物能有效的防止脊柱内固定器的断裂.不锈钢材料的推弓根螺钉强度较大,但组织相容性差.钛类内固定材料的生物相容性较好,但其刚度较小,容易断裂.结论:椎弓根螺钉内固定系统是治疗胸腰椎骨折的最有效手段.各种椎弓根螺钉的生物相容性均有待提高,钛类椎弓根螺组织容性较好,其刚度需要提高,不锈钢材料椎弓根螺钉刚度较好,但其生物相容性较差.     

脊柱内固定椎弓根螺钉置入后生物力学的稳定性

背景：椎弓根螺钉内固定系统由于具有牢固的三维固定效果、良好的生物力学稳定性以及较好的复位和矫正畸形作用,被广泛用于脊柱外科,但椎弓根螺钉系统松动、折断及螺钉拔出等并发症仍是导致内固定手术失败的主要原因. 目的：分析脊柱内固定植入物椎弓根钉的生物力学及稳定性探索. 方法：应用计算机检索万方、维普和PubMed数据库中1999年1月至2011年12月关于椎弓根钉植入后生物力学评价相关的文章,以“椎弓根钉,脊柱,内固定,稳定性,生物相容性”为关键词进行检索.选择脊柱内固定植入物生物力学及评价相关的文献,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章.初检得到260篇文献,根据纳入标准选择40篇文章进行综合分析. 结果与结论：要提高椎弓根螺钉系统对脊柱固定的稳定性,可通过改进内固定材料、设计和操作技术以分散固定界面应力,但对螺钉的改进受椎弓根和椎体大小的限制,如何从内固定系统装置上来增强固定效果,有待进一步研究.作者认为椎弓根螺钉植入后的稳定性评价应该结合动物实验和临床研究,包括椎弓根螺钉材质、置入位置、角度、固定装置等因素,还应该针对患者个体化因素进行,即对椎弓根螺钉置入遵循个体化原则,对每一个不同的椎弓根施以不同的置钉入点、方向及螺钉.     

颈椎椎弓根螺钉置入内固定的生物力学变化及其临床特性

背景:颈椎椎弓根钉由于其独特的三维稳定性,越来越多的学者对其进行更加广泛的研究.目的:综述颈椎椎弓根解剖特点及椎弓根螺钉置钉的安全性和临床应用.方法:应用计算机检索1994-01/2010-09 CNKI及PubMed数据库相关文章,中文检索词为"颈椎弓根螺钉",英文检索词为"cervical pedicle screws",共检索到文献292篇,最终纳入符合标准的文献43篇.结果与结论:通过文献检索获得目前一致的观点认为颈椎弓根内固定由于是三维固定,因此可以获得良好的生物力学.但是,由于颈椎弓根周围毗邻部特殊的解剖结构,潜在血管、神经根和颈髓损伤的危险性,置入内固定风险及难度大,所以临床应用要做到个体化置钉.     

磷酸钙骨水泥强化椎弓根螺钉固定的生物力学特性

背景:聚甲基丙烯酸甲酯能改善椎弓根螺钉和周围骨质间界面的情况、显著提高螺钉固定强度,但它在术中和术后伴有聚合热损伤效应、毒性和不可吸收等缺点。磷酸钙骨水泥具有生物相容性和生物安全性好、可降解、不产生聚合热等优点,是一种较理想的聚甲基丙烯酸甲酯替代材料。目的:从生物力学方面评价磷酸钙骨水泥对椎弓根螺钉固定的强化作用。设计:随机对照,重复观察测量。单位:南京医科大学第二附属医院骨科。材料:实验于2002-08/2003-02在华中科技大学同济医学院完成。①由同济医科大学解剖教研室提供两具新鲜男性尸体椎骨,一具52岁,一具50岁。各取10个椎骨(T8～12,L1～5)分别构成52岁组和50岁组。摄X线片排除先天性畸形、骨折和肿瘤等病变。两组椎骨均为Ⅰ级骨质疏松,符合实验要求。②磷酸钙骨水泥固相主要成分是磷酸四钙和磷酸三钙超细粉末,液相主要成分是枸橼酸盐溶液,使用时按1g固相:1mL液相的比例进行配制,初步凝固时间15min,最终凝固时间12h,最大压缩强度介于45～57MPa。③椎弓根螺钉自制,螺钉直径5mm,螺纹段长34mm,螺距2mm,螺纹深0.8mm。方法:①磷酸钙骨水泥最终凝固时强化椎弓根螺钉固定的生物力学测试:取50岁组椎骨作为测试对象。对照侧:钉道直接置入椎弓根螺钉;强化侧:填入磷酸钙骨水泥再置入椎弓根螺钉。置钉后的椎骨在37℃恒温箱里放置12h,然后测定椎弓根螺钉的最大轴向拔出力。②磷酸钙骨水泥初步凝固时强化椎弓根螺钉固定的生物力学测试:取52岁组椎骨作为测试对象。用同样方法在椎弓根对照侧直接置入椎弓根螺钉,强化侧填入骨水泥后再置入椎弓根螺钉,37℃恒温箱里放置15min,测定椎弓根螺钉初步凝固时的最大轴向拔出力。③磷酸钙骨水泥强化松动椎弓根螺钉固定的生物力学测试:取测试后的50岁组椎骨,用磷酸钙骨水泥重新固定12h后拔松的椎弓根螺钉,测定其两侧的最大轴向拔出力。主要观察指标:①磷酸钙骨水泥最终凝固时强化椎弓根螺钉固定的生物力学测试结果。②磷酸钙骨水泥初步凝固时强化椎弓根螺钉固定的生物力学测试结果。③磷酸钙骨水泥强化松动椎弓根螺钉固定的生物力学测试结果。结果:①50岁组对照侧和强化侧的椎弓根螺钉最大轴向拔出力中位数分别为620N和1136N,强化侧较对照侧增加83%(P<0.01)。强化骨-螺钉界面的抗剪切应力中位数从1.16N/mm2增加到2.13N/mm2。②52岁组对照侧和强化侧的椎弓根螺钉最大轴向拔出力中位数分别为554.5N和859.5N,强化侧较对照侧增加55%(P<0.01)。强化骨-螺钉界面的抗剪切应力中位数从1.039N/mm2增加到1.61N/mm2。③50岁组椎骨对照侧和强化侧重新固定12h后最大轴向拔出力中位数分别为517N和876N,和同侧松动后轴向拔出力中位数比较,分别增加了63.6%和54.2%(P均<0.01)。结论:磷酸钙骨水泥初步凝固和最终凝固时能强化椎弓根螺钉的固定,并且椎弓根螺钉松动后使用磷酸骨水泥能使螺钉重新获得固定。椎体强化侧的椎弓根螺钉均从骨-螺界面剥离开来,不伴周边骨质和椎弓根的严重损害,有利于螺钉松动、拔出后的二次置入。     

颈椎椎弓根螺钉置入内固定的生物力学变化及其临床特性

背景：颈椎椎弓根钉由于其独特的三维稳定性,越来越多的学者对其进行更加广泛的研究。目的：综述颈椎椎弓根解剖特点及椎弓根螺钉置钉的安全性和临床应用。方法：应用计算机检索1994-01/2010-09CNKI及PubMed数据库相关文章,中文检索词为＂颈椎弓根螺钉＂,英文检索词为＂cervicalpediclescrews＂,共检索到文献292篇,最终纳入符合标准的文献43篇。结果与结论：通过文献检索获得目前一致的观点认为颈椎弓根内固定由于是三维固定,因此可以获得良好的生物力学。但是,由于颈椎弓根周围毗邻部特殊的解剖结构,潜在血管、神经根和颈髓损伤的危险性,置入内固定风险及难度大,所以临床应用要做到个体化置钉。     

三维虚拟图像导航技术在脊柱椎弓根螺钉固定中的应用

背景:近年来经椎弓根螺钉固定技术显著提高了脊柱固定强度和融合效率,但是椎弓根螺钉置入位置不佳可能损害脊髓和神经引起严重并发症.目的:评估置入前CT扫描二维虚拟图像导航技术在脊柱椎弓根螺钉固定中的应用价值.设计、时间及地点:前瞻件、随机对照观察,于2006-01/2008-12在中国医学科学院北京协和医院骨科完成.对象:纳入因脊柱疾病行椎弓根螺钉固定的患者95例,导航组45例,常规组50例.方法:将95例患者按随机数字表法分为2组,导航组术中在计算机导航技术辅助下置入椎弓根螺钉,常规组采用传统的解剖标志法结合术中透视定位置入椎弓根螺钉.主要观察指标:比较2组间螺钉钉道准备时间、螺钉位置优良率及螺钉置入后并发症的发生率.结果:导航组中36例患者共置入椎弓根螺钉206枚,优良率96.1%:有9例患者因故未能行导航.常舰组50例患者共置入椎弓根螺钉285枚,优良率100.0%,无位置差的螺钉.2组患者的螺钉位置优良率差异无显著性意义(P>0.05).导航组的钉道准备时间显著长于常规组[(360±22),(56±8)s,P<0.01].2组患者螺钉置入后均无并发症发生.结论:与传统解剖标志定位法相比,应用置入前CT扫描三维虚拟图像导航技术置入椎弓根螺钉的精度无明显差异,且延长了手术时间,其在脊柱椎弓根螺钉固定中的应用价值有限.     

Experimental investigation of durability of transpedicular screw - vertebra connection

Background. In this paper are presented problems with the usage of transpedicular spine fixators. The purpose of this work was to define the value of pull-out strength of transpedicular screw from vertebrae. Impact of geometrical parameters of transpedicular screw (length and diameter of screw thread part, screw design) on value of pull-out strength was analysed.
Material and methods. Investigation was carried out on cadaver of lumbar and thoracic vertebrae. There were analysed 20 vertebrae and 7 transpedicular screws. All biomechanical testing was performed on material testing machine (MTS 858 MiniBionix Test System).
Results. This study proved that pedicle screw diameter, and screw length have a significant effect on straight axial pull-out strength. This study proved also that very important, for good performance of the vertebrae and pedicle screw unit, is adequate match of the screw diameter up with the pedicle diameter.
Conclusion. The results of investigation showed significance of geometrical parameters of transpedicular screws on durability of screw-vertebra connection. This study proved also that very important for good performance of the vertebrae and pedicle screw unit is adequate match of the screw diameter up with the pedicle diameter.     

Ultrasound melted polymer sleeve for improved primary pedicle screw anchorage: A novel augmentation technique

BackgroundCement augmentation of pedicle screws to prevent screw loosening is associated with significant complications, such as cement leakage or bone necrosis. Therefore, an alternative strategy to improve pedicle screw anchorage has been recently developed: Polymer reinforcement of pedicle screws uses an in situ melted polymer sleeve in order to enhance screw anchorage. This biomechanical study evaluated the effect of polymer-reinforcement by comparing polymer-reinforced pedicle screws to non-augmented as well as cement-augmented screws under cyclic loading.MethodsFor each of the two comparisons (polymer-reinforced vs. non-augmented screws and polymer-reinforced vs. cement-augmented screws), polymer-reinforced screws and control screws were placed into the left and right pedicle of seven vertebrae (mean age: 74.0 (SD 9.3) years) to allow for pairwise left–right comparisons. Each screw was subjected to cyclic cranio-caudal loading with an initial load ranging from −50 N to +50 N and with stepwise increasing compressive loads (5 N every 100 cycles) until screw loosening.FindingsPolymer-reinforced pedicle screws resisted a higher number of load cycles until loosening than the contralateral non-augmented control screws (4300 SD 2018 vs. 2457 SD 1116 load cycles, p = 0.015). Screw anchorage of polymer-reinforced pedicle screws was comparable to that of cement augmented control screws (3857 (SD2085) vs. 4300 (SD1257) load cycles until failure, p = 0.64).InterpretationOur findings indicate that polymer-reinforcement significantly enhances pedicle screw anchorage in low quality bone and that its effect is similar in size than that of cement augmentation.     

Biomechanical analysis of pedicle screw thread differential design in an osteoporotic cadaver model

Background

Pedicle screw fixation, the standard surgical care for posterior stabilization in the thoraco-lumbar spine has a high rate of failure in osteoporotic individuals. Screw design factors and insertion techniques have been shown to influence the biomechanical performance of pedicle screws. Our objective was to investigate the biomechanical characteristics of pedicle screw fixation in osteoporotic bone by comparing standard screws with newly designed differential crest thickness dual lead screws.

Methods

An in-vitro spinal-level paired factorial study design was used to examine thoraco-lumbar spine biomechanical outcomes for differential pedicle screw thread designs. Six cadaveric human spines (T8-L5) were tested for six groups (n = 20) consisting of 2 different crest thickness and 3 different insertion techniques. Bone mineral density was assessed and peak insertion torque measured while placing one screw of new design and control on the contralateral side. Screw pullout properties were measured from classical American Society for Testing and Materials protocols.

Findings

The screws designed specifically for osteoporotic bone showed significantly larger insertion torque compared with the standard screw design irrespective of insertion technique. Much of the variability in pullout failure and stiffness was explained by bone mineral density. The osteoporotic screws of different crest thickness were statistically similar to each other in all outcome measures.

Interpretation

Compared with standard pedicle screws, the dual lead osteoporotic-specific pedicle screws demonstrated significantly larger insertion torques and similar pullout properties. Non-significant increased biomechanical strength was observed for thin crest compared to thick crest dual lead pedicle screws indicating their enhanced purchase in osteoporotic bone.