生物力学评价颈椎前路椎弓根螺钉植入骨质疏松椎骨内的稳定性

背景：前路颈椎间盘切除植骨融合是治疗颈椎病的有效术式,该术式能够提供坚强固定且植骨融合率相对较高。但是,对于2个节段以上同时受累的颈椎,由于植骨跨度较大,内固定和植骨块稳定性较差,容易产生植骨融合失败、假关节形成等并发症,影响疗效。 目的：观察颈椎前路椎弓根螺钉植入骨质疏松椎骨内的生物力学稳定性。 方法：纳入12具人颈椎骨,包括6具骨密度正常颈椎骨和6具骨质疏松颈椎骨,共60个椎骨标本资料进行分析,将30个骨质疏松椎骨标本植入颈椎前路椎弓根螺钉设为颈椎前路椎弓根螺钉组,将30个骨密度正常椎骨标本植入前路椎体螺钉设为前路椎体螺钉组。从上述两组中根据骨密度值抽取40个椎骨,分别设置为即时正常骨密度组、即时骨密度疏松组、疲劳正常骨密度组以及疲劳骨质疏松组,每组10个椎骨。采用双能X射线骨密度仪测定各椎体骨密度值,采用ElectroForce 3510材料试验机对两种螺钉进行生物力学指标测试。 结果与结论：颈椎前路椎弓根螺钉组骨矿盐含量、椎体螺钉拔出力、椎体螺钉拔出刚度、椎弓根螺钉拔出力、椎弓根螺钉拔出刚度均显著高于前路椎体螺钉组(P < 0.05)。颈椎前路椎弓根螺钉即时正常骨密度标本最大轴向拔出力、即时骨质疏松标本最大轴向拔出力、疲劳正常骨密度标本最大轴向拔出力、疲劳骨质疏松标本最大轴向拔出力均显著高于高于前路椎体螺钉(P < 0.05)。结果证实,与颈椎前路椎体螺钉相比,颈椎前路椎弓根螺钉在骨质疏松椎骨内生物力学性能更加稳定。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

后凸成形和传统钉道骨水泥强化对骶骨钉松动的生物力学作用

背景：后凸成形骨水泥强化可应用于骨质疏松患者的腰椎椎弓根钉固定。 目的：评价松动的骶骨钉经后凸成形和传统钉道骨水泥强化后的固定强度。 方法：纳入9具骨质疏松症患者的新鲜尸体标本。在同一骶骨标本上,分别测试单皮质和双皮质骶骨椎弓根钉最大拔出力后,分别建立传统钉道骨水泥强化与后凸成形骨水泥强化椎弓根钉固定模型。在MTS材料试验机上,对螺钉尾部施加2 000次周期性压力载荷后,进行螺钉最大拔出力测试。 结果与结论：9个标本的骨密度均值为  0.71 g/cm²(0.61~0.77 g/cm²)。4种骶骨钉固定技术单皮质、双皮质、传统钉道骨水泥强化和后凸成形骨水泥强化骶骨钉的平均最大拔出力分别为203,325,437及565 N。双皮质骶骨钉的拔出力显著高于单皮质钉(P < 0.05);但此2固定均显著低于骨水泥强化组(P < 0.05)。后凸成形骨水泥强化组的拔出力显著高于传统钉道骨水泥强化组(P < 0.05)。此外,4种骶骨钉固定技术的最大拔出力与骨密度值均呈现显著的正相关(P < 0.05)。结果证实,传统钉道骨水泥强化技术和后凸成形骨水泥强化技术均可做为骶骨椎弓根钉松动的补救手段,但后凸成形骨水泥强化可获得更为坚强的锚定。     

骨水泥加固椎弓根螺钉的生物力学特性

背景：由于骨质原因及结构特点导致椎弓根螺钉经常出现把持力下降,从而发生松动、拔出,导致内固定失败,因此提高椎弓根螺钉的稳定性显得尤为重要。 目的：检测可注射骨水泥空心椎弓根螺钉椎弓根螺钉生物力学稳定性,为优化骨水泥使用量提供参考。 方法：选取7具新鲜成人尸体T₁₁-L₄椎体标本共40个椎体,随机分为可注射骨水泥空心椎弓根螺钉及DTPS^TM椎弓根螺钉组,各20个,置钉后分别注入1,2,3,5 mL骨水泥,通过影像学观察骨水泥弥散分布情况,并测得最大轴向拔出力进行比较。 结果与结论：骨水泥用量为1-3 mL时,可注射骨水泥空心椎弓根螺钉组螺钉平均最大轴向拔出力显著高于DTPS^TM组(P < 0.05)。骨水泥用量为5 mL时,2组平均最大轴向拔出力差异无显著性意义(P > 0.05)。可注射骨水泥空心椎弓根螺钉组的直线回归方程为Y=25.269X+133.681(R²=0.837),DTPS^TM椎弓根螺钉组的直线回归方程为Y=32.039X+99.251(R²=0.936)。骨水泥用量在1-5 mL时,2组螺钉最大轴向拔出力与骨水泥量高度正相关(|R| > 0.8)。说明骨水泥强化椎弓根螺钉可显著提高螺钉稳定性,椎弓根螺钉最大轴向拔出力与骨水泥使用量呈高度正相关,可注射骨水泥空心椎弓根螺钉在达到满意的内固定强化效果同时,减少骨水泥使用量,降低了骨水泥泄漏风险,相比DTPS^TM椎弓根螺钉更具有优势。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

经胸腰段伤椎单节段椎弓根螺钉固定后的生物力学特性

背景：临床常采用经伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎骨折,研究已证实经伤椎双侧椎弓根螺钉固定后脊柱稳定性加强,但也有研究认为经伤椎单节段椎弓根螺钉固定足以增加脊柱的稳定性,但此结论缺乏生物力学结果支持。 目的：观察胸腰段椎体骨折经伤椎单节段固定的相关生物力学特性。 方法：取扬州大学医学院解剖教研室提供8具中国人新鲜胸腰段标本(T₁₁ -L₃),锯条横断2/3椎体,制成完整胸腰段椎体实验标本,将8具标本等分成跨伤椎固定组和单节段经伤椎固定组,分别在跨伤椎临近椎体四钉固定和临近椎体四钉固定+经伤椎单侧椎弓根固定。 结果与结论：胸腰段椎体骨折后经跨伤椎固定与经单节段伤椎固定的载荷-应变关系相差12%、载荷-位移关系相差11%、强度相差18%、轴向刚度相差11%、扭转力相差11%及拔出力相差1.8%,两组差异有显著性意义(P < 0.05),说明经伤椎单节段固定胸腰段椎体骨折的生物力学性能更好。     

Cage椎弓根内固定联合自体颗粒骨打压植骨的即时生物力学稳定性

背景：自体骨移植结合椎间融合器联合椎弓根螺钉常运用于椎体融合,但单纯颗粒骨打压联合椎弓根钉的临床生物力学研究报道不多。 目的：比较后路自体颗粒骨打压植骨内固定及Cage内固定的即时生物力学稳定性。 方法：利用腰椎后路附件逐级破坏和椎间盘切除制作腰椎不稳模型。12具猪腰椎标本随机分为两组：打压植骨结合椎弓根螺钉内固定组(实验组),Cage结合椎弓根螺钉内固定组(对照组)。使用脊柱三维运动测试机模拟人体对两组标本在正常、不稳、融合3个状态下进行前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转等各个活动的生物力学测试,三维激光扫描仪测定不同载荷下不稳节段的运动范围。 结果与结论：正常状态下,两组间L2~3节段各方向运动范围差异无显著性意义(P > 0.05),说明两组标本均衡性好,具有可比性;与正常状态相比,两组不稳状态各方向运动范围亦明显增加(P < 0.05);融合后对照组L2~3节段椎间各方向运动范围均较实验组小,但差异无显著性意义(P > 0.05)。说明自体颗粒骨打压植骨内固定与Cage内固定均能明显提高脊柱的即时生物力学稳定性,而且两组对于改善脊柱稳定性无显著性差异。     

快速建立小牛椎体骨质疏松模型

背景：目前用于脊柱生物力学研究的骨质疏松动物模型是以去势雌性动物或服药动物为代表的动物模型,但存在建立时间长、可靠性差的问题。 目的：利用Shandon TBD-1脱钙法快速建立牛椎体骨质疏松模型。 方法:选取新鲜小牛脊柱第6~11节椎体,共24个椎体,测量骨密度后,随机分为3组：预实验组采用Shandon TBD-1浸泡椎体,脱钙组将Shandon TBD-1注入椎体一侧钉眼内,对照组不做脱钙处理。脱钙后再次测量骨密度,将相同规格的椎弓根螺钉拧入双侧椎弓根,测试其最大轴向拔出力。 结果与结论：预实验组椎体脱钙后椎体骨密度随着脱钙时间的延长而降低;脱钙组骨密度值、椎弓根螺钉最大轴向拔出力均低于对照组( P < 0.01),且骨密度与椎弓根螺钉最大轴向拔出力存在线性正相关。说明应用Shandon TBD-1脱钙剂对小牛椎体脱钙是一种快速制备骨质疏松动物模型的方法,并能够很好模拟骨质疏松的力学性能。     

中上胸椎椎弓根-肋骨复合体应用不同截面积螺钉的力学特点

背景:由于椎弓根毗邻结构的重要性,一旦置钉偏差损伤毗邻结构后果极为严重,虽然胸椎椎弓根-肋骨复合体置入螺钉的安全性明显大于椎弓根螺钉,但关于椎弓根-肋骨复合体应用不同截面积的螺钉的力学研究尚少有人涉及。目的:分析中上胸椎椎弓根-肋骨复合体应用不同截面积螺钉的力学特征。方法:取5具新鲜成人胸椎T1-T10标本及相连的一段肋骨(长50-60 mm),以双功能骨密度测试仪测量椎体骨密度,排除骨质疏松椎体,同时行胸椎CT扫描。按照CT测量结果置入直径分别为5.5,6.0和6.5 mm的椎弓根螺钉,进行CT扫描证实螺钉的位置,生物力学测试机上测量每颗螺钉的最大拔出力。结果与结论:38个骨密度正常的标本共分别置入25枚5.5 mm、25枚6.0 mm和26枚6.5 mm螺钉,由于螺钉破坏椎弓根-肋骨复合体和螺钉穿破椎体,共得出68枚螺钉最大拔出力结果,三者的最大轴向拔出力分别为(812.36±147.22)N,(868.64±160.48)N,(946.48±157.58)N,其中6.5 mm与5.5 mm螺钉的最大轴向拔出力的差异有显著性意义(P0.05)。提示中上胸椎椎弓根-肋骨复合体中应用直径5.5 mm以上的椎弓根螺钉,可获得坚强的内固定,可满足临床内固定需要。     

枢椎前后路三种螺钉内固定的安全性比较*

目的 观察计算机辅助枢椎前路椎弓根螺钉（AAPS）置钉优势,并测量AAPS、椎弓根螺钉及椎体螺钉（VBS）的最大拔出力,为临床手术操作选取适当的内固定方式,提供生物力学理论依据。方法 从2019年10月至2021年1月,收集人体实体颈椎防腐标本16例,除去畸形标本1例。剩余标本,包括男10例,女5例,行CT扫描后将数据导入Mimics软件,形成三维重建图并观察。参考Kolle法,在每节枢椎上分别采用前路椎弓根螺钉、后路椎弓根螺钉、前路椎体螺钉三种形式固定方法。在生物力学试验机上测试每种固定方式的最大拔出力。结果 Mimics软件中的三维重建图,可以从任意视角直接观察并了解结构状况。前路椎弓根螺钉最大轴向拔出力平均为（635.95±220.35）N,后路椎弓根螺钉组的最大轴向拔出力平均为（772.95±230.55）N,VBS组螺钉的最大轴向拔出力平均为（451.45±181.13）N。采用配对样本t检验,两两比较AAPS组与后路椎弓根钉组,以及AAPS组与VBS组测值。P值均<0.05,差异有统计学意义。这显示在单皮质固定的条件下,椎弓根螺钉的置钉拔出力大于前路椎弓根螺钉（AAPS）,AAPS置钉拔出力大于VBS置钉法。结论 计算机辅助有利于了解枢椎结构特点,便于个体化的AAPS置钉操作,AAPS钉道固定性能良好,有较明显生物力学优势,可作为手术内固定选择的较理想方式。     

新型设计可灌注骨水泥椎弓根螺钉的生物力学特性

背景：老年性骨质疏松症患者由于骨质相对比较脆弱,使得椎弓根螺钉固定能力相对较差。当前,临床上使用骨水泥强化椎弓螺钉的方法能够提高螺钉固定能力,但是患者治疗时水泥渗漏以及螺钉取出困难成为其解决问题。目的：研制新型可灌注骨水泥椎弓根螺钉,探讨其生物力学特性和安全性及实用性,为临床骨质疏松脊柱疾病患者治疗提供依据。方法：选取南京中医大学附属医院2013年12月至2015年1月采集的6具73例完整湿润脊柱标本资料进行分析,标本中共有42个椎体。入选椎体在一侧椎弓根置入可灌注骨水泥椎弓根螺钉后采用骨水泥推杆和灌注筒在X射线辅助下向其内灌注2 mL骨水泥设为实验组,对侧椎弓根置入常规螺钉作为对照组,观察骨水泥弥散情况。结果与结论：骨水泥由稀糊状期进入团状初期的时间为三四分钟;糊状期骨水泥采用注射器抽取注入灌注筒中更为方便;灌注筒和螺钉尾部的螺纹连接方便、紧密,无渗漏;推杆可以提供足够的灌注力;骨水泥在中空和侧孔处弥散出螺钉,侧孔排列规律性强,且各侧孔间距相等;常规椎弓根螺钉极限强度、极限位移显著高于新型可灌注骨水泥椎弓根螺钉(P < 0.05);常规椎弓根螺钉屈服载荷以及屈服位移显著低于新型可灌注骨水泥椎弓根螺钉(P < 0.05);骨水泥在可灌注骨水泥螺钉周围弥散分布规则,骨水泥由4排侧孔向不同的方向弥散入周围骨松质,且与相邻骨水泥团融合;新型可灌注骨水泥螺钉轴向拔出力较对照组增加了114%(P < 0.05);新型可灌注骨水泥螺钉最大旋出力矩,显著高于对照组(P < 0.05)。结果证实,新型设计的可灌注骨水泥椎弓根螺钉,结合骨水泥推杆和灌注筒应用更加方便,能够有效控制骨水泥渗漏,提高椎弓根的稳定性且能在骨质疏松患者中广为使用。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

经口咽前路寰枢椎复位钢板螺钉固定强度的生物力学评价

目的对经口咽前路寰枢椎复位内固定钢板(transoralpharyngeal atlantoaxial reduction plate,TARP)进行固定螺钉拔出力实验,评估TARP系统枢椎前路椎弓根和关节突下螺钉固定的生物力学强度。方法 6例C1、C2椎体新鲜标本左右双侧均行螺钉固定,寰椎螺钉固定于侧块,枢椎螺钉分别采用椎体、前路椎弓根及关节突下固定,在生物力学实验机上通过传感器测定TARP系统寰椎和枢椎固定螺钉的最大拔出力、钉道长度,并进行统计学分析。结果寰椎(546.45±85.07)N与枢椎前路椎弓根螺钉(593.14±97.77)N的最大拔出力之间无显著性差异,枢椎前路椎弓根螺钉拔出力明显强于枢椎椎体和关节突下螺钉,枢椎关节突下螺钉(469.94±73.32)N拔出力明显强于枢椎椎体螺钉(395.15±75.07)N。结论 TARP系统枢椎螺钉固定采用前路椎弓根及关节突下固定优于枢椎椎体固定,固定安全可靠。     

双侧钉棒及同侧单钉棒置入内固定的生物力学比较

背景：腰椎失稳、腰椎滑脱等腰椎退行性疾病常常需要实施腰椎融合,其目标是稳定脊柱,但究竟采取何种内固定方式仍存在争论。 目的：比较单侧与双侧经椎间孔减压椎体间融合治疗腰椎退行性病变的生物力学差异。 方法：人新鲜尸体腰椎标本6具,L4~5模拟微创经椎间孔减压椎体间融合,根据不同的内固定组合方式分为2组,即双侧钉棒组及同侧单钉棒组。在生物力学试验机上测量各种固定方式不同工况下的运动范围(ROM值),并进行比较。 结果与结论：以完整的腰椎运动单元为参照,两固定组的ROM值均低于对照组(P < 0.05)。其中双侧钉棒组在各工况下ROM值均显著低于同侧单钉棒组(P < 0.05)。提示在生物力学实验中,单侧椎弓根螺钉固定椎间融合生物力学性能优良,刚度适中,腰椎可获得可靠的稳定性。但与双侧钉棒固定比较,单钉棒方式仍然存在差距。     

硫酸钙骨水泥增强椎弓根螺钉置入骨质疏松椎体的瞬时稳定性

背景：由于内固定在骨质疏松骨上锚着力较差影响了其稳定性,因此需要新的固定方法,使用骨水泥或骨替代物增强内固定技术可以较好地解决这个问题。 目的：评价硫酸钙骨水泥增强的椎弓根螺钉置入骨质疏松椎体后的瞬时稳定性。 方法：选取新鲜小牛脊柱椎体,测量骨密度后,随机分为4组：①正常椎体椎弓根螺钉内固定组。②正常椎体椎弓根螺钉+硫酸钙骨水泥增强内固定组。③骨质疏松椎体椎弓根螺钉内固定组。④骨质疏松椎体椎弓根螺钉+硫酸钙骨水泥增强内固定组。将相同规格的椎弓根螺钉拧入测试椎体的椎弓根,测试其即刻最大轴向拔出力和最大破坏功耗,以评价硫酸钙骨水泥增强椎弓根螺钉的瞬时稳定性。 结果与结论：骨质疏松椎体较正常椎体的螺钉最大拔出力、最大破坏功耗明显减少(P < 0.05),而二者分别以骨水泥增强后的螺钉最大拔出力、最大破坏功耗明显增加(P < 0.05);正常组和骨质疏松组以骨水泥增强后螺钉的最大拔出力、最大破坏功耗相当。提示硫酸钙骨水泥增强后可以增加内固定螺钉的瞬时稳定性,硫酸钙骨水泥可以应用于骨质疏松患者骨折内固定的增强,具有较好的临床应用前景。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

骨水泥强化椎弓根螺钉固定对骨质疏松患者有利无弊

背景：在对伴骨质疏松的腰椎疾病患者进行椎弓根螺钉固定手术时,椎体添加骨水泥可有效增加内固定稳定性,但对相邻节段的影响尚不明确。 目的：观察伴骨质疏松的腰椎疾病患者进行椎体骨水泥强化内固定后,早中期随访中骨水泥强化对相邻节段的影响。 方法：以87例伴骨质疏松的腰椎疾病患者为研究对象,均行椎弓根螺钉系统固定+后路椎管减压术,并分为3组：常规螺钉组,常规螺钉+骨水泥组,可灌注骨水泥螺钉+骨水泥组。样本平均随访6-18个月,平均随访为9个月。测量术前、术后3 d、末次随访的Oswestry功能障碍指数评分、固定节段上位相邻椎间隙高度、固定节段上位相邻椎体变形指数、固定节段椎体上缘终板及相邻上位椎体下缘终板凹陷角度、固定节段Cobb角。 结果与结论：①常规螺钉组、常规螺钉+骨水泥组、可灌注骨水泥螺钉+骨水泥组3组内末次随访功能障碍指数评分均较前明显减小(P < 0.05),组间两两对比无显著差异(P > 0.05)。表明骨质疏松患者脊柱后路固定时,是否添加骨水泥及不同添加方式,对早中期主观疗效影响无显著差异,且均可明显改善患者生活质量。②常规螺钉+骨水泥组、可灌注骨水泥螺钉+骨水泥组2组末次随访对术后3 d固定节段Cobb角变化小于常规螺钉组(P < 0.05),常规螺钉+骨水泥组、可灌注骨水泥螺钉+骨水泥组2组组间差异无统计学意义(P > 0.05)。表明添加骨水泥辅助的内固定稳定性明显优于未添加骨水泥常规手术。③常规螺钉+骨水泥组、可灌注骨水泥螺钉+骨水泥组2组术后3 d出现上终板凹陷角度增大;末次随访观察到相邻上位椎体下终板凹陷角度、椎体矩形指数及相邻椎间隙均减小,且前两项指标的改变程度明显大于常规螺钉组。表明添加骨水泥辅助内固定对相邻椎间盘退变程度无显著影响,但明显改变了相邻椎体终板及椎体的形态,增加了相邻椎体发生骨折的风险。     

geneX®骨水泥强化椎弓根螺钉体内的实验研究

目的　通过动物实验,评估新型带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥（geneX®）用于强化体内椎弓根螺钉的生物力学性质变化及可行性。 方法　选取 6只健康山羊腰椎L1～5双侧共 30个椎弓根随机分为 3组: geneX® 组, 聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥（Polymethylmethacrylate,PMMA）组, 空白对照组, 每组 10个椎弓根。术后3个月处死动物取材行Mirco-CT检查、组织学检查及生物力学实验。 结果　轴向拔出力实验：geneX® 组 ( 803±155) N, PMMA组为( 994 ±122 ) N, 两者差异无统计学意义 (P >0.05)。两组均明显高于对照组的 ( 524±118) N,差异具有统计学意义 (P<0.05)。组织学观察及Mirco-CT显示geneX® 组中螺钉周围骨水泥已经完全降解、吸收, 骨小梁排列致密, 成熟骨小梁附近可见大量新生骨组织, 明显优于对照组及PMMA组。 结论　geneX® 骨水泥可有效强化椎弓根螺钉内固定的强度,其强化作用随时间推移而增强,对防止骨质疏松症患者内固定的拔出发生率有重要意义。     

短节段椎弓根螺钉置入内固定椎体成形治疗胸腰椎骨折的生物力学检测

背景：为避免单纯椎弓根螺钉置入内固定治疗胸腰段骨折出现的内固定物松动、断裂,及合并植骨时出现的骨折不愈合、后凸畸形丢失,而发展的短节段椎弓根螺钉合并椎体成形技术治疗胸腰段骨折,临床已有应用,但其生物力学方面鲜有研究。 目的：观察应用椎弓根螺钉置入内固定椎体成形治疗胸腰椎骨折的生物力学变化。 方法：12个冻存的新鲜胸腰段脊椎(T12~L2)标本,用于制备胸腰椎骨折模型,备测试。分为3组,经皮椎体成形术组：给予经单侧椎弓根注入低黏度的含对比剂骨水泥5~7 mL;椎弓根螺钉内固定组：于T12、L2椎弓根置入螺钉;强化组：行椎弓根螺钉内固定的同时行伤椎骨水泥椎体成形术,测试各组静态最大抗压强度及刚度。 结果与结论：骨水泥分布面积皆大于50%,经皮椎体成形术组和椎弓根螺钉内固定组最大静态抗压强度与刚度均小于强化组最大强度和刚度(P < 0.05)。椎弓根螺钉内固定组椎弓根螺钉较小强度下出现弯曲,而强化组在达到极性轴向压缩强度时才出现弯曲。提示应用短节段椎弓根钉置入内固定椎体成形治疗胸腰椎骨折提高了固定的强度及刚度,并且维持了复位伤椎高度,提高了稳定性,减少了椎弓根螺钉的并发症。