骨水泥强化椎弓根螺钉在骨质疏松性胸腰椎中的生物力学进展

椎弓根螺钉内固定系统为治疗骨质疏松性胸腰椎退行性疾病的主要装置。然而,骨密度的严重丢失造成骨质疏松性椎体对椎弓根螺钉的固定强度下降,内固定失败的发生率显著增加。骨水泥强化椎弓根螺钉技术是一种改善骨质疏松性胸腰椎术后内固定生物力学稳定性的有效方法,大量研究证明其能显著增加椎弓根螺钉的固定强度,但存在骨水泥渗漏等风险。本文从骨水泥强化椎弓根螺钉技术展开分析,对骨水泥强化椎弓根螺钉的适应证、骨水泥强化椎弓根螺钉的生物力学变化、骨水泥增强材料、注入体积及分布进行介绍,并对新型骨水泥材料及螺钉设计做了展望。     

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。     

成人颈椎椎弓根螺钉在儿童腰椎应用的可行性

背景：由于1~3岁幼年儿童椎体发育未完全成熟,各种解剖径线相对较成人小得多,尚无幼儿专用的椎弓根螺钉固定器械,现有能够利用的直径最小的椎弓根螺钉是用于成人颈椎侧块或椎弓根固定的钉棒系统。 目的：观察将成人颈椎椎弓根螺钉应用到成年猪颈椎与幼猪腰椎固定后的生物力学对比。 方法：将6具完整新鲜成年猪颈段C3~C6脊椎标本和6具完整8周龄新鲜幼猪腰段脊柱标本自椎间盘及关节处离断,游离成单个椎体,共54个椎体108侧椎弓根。按照标准操作将成人颈椎椎弓根螺钉分别安置在成年猪颈椎标本和幼猪腰椎标本的椎弓根上,应用生物力学方法测试螺钉的最大轴向拔出力。 结果与结论：颈椎标本最大轴向拔出力高于腰椎标本,但差异无显著性意义(P > 0.05);L1椎弓根螺钉的拔出力均值明显小于L3椎弓根螺钉的拔出力均值(P < 0.05);C5椎弓根螺钉的拔出力均值明显大于C3椎弓根螺钉的拔出力均值(P < 0.05);颈椎和腰椎标的骨密度差异有显著性意义(P < 0.01),椎体椎弓根力学数值与椎体骨密度之间存在线性正相关。说明取得了成人颈椎椎弓根螺钉在轴向拉力方面适应于幼儿腰椎的初步实验依据。     

椎体内固定技术发展

对近年来椎体内固定的发展状况及实验现状进行了综述,着重介绍了几种常见的经椎弓根椎体内固定系统及椎弓根螺钉的植入对椎体骨组织的影响,它包括3个方面,分别是邻近节段运动的改变、邻近椎体骨密度变化、融合相邻节段发生退变。可为今后设计优化椎体内固定器械及相关实验研究提供参考。     

选择性首尾端椎弓根螺钉强化治疗骨质疏松性腰椎退变的有限元分析

文题释义：骨水泥强化椎弓根螺钉固定：此技术旨在针对普通椎弓根螺钉在骨质疏松性椎体中把持力不足的问题,通过空心螺钉直接注入骨水泥或在椎体内预先推注骨水泥,然后拧入螺钉,从而提高骨-螺钉界面稳定性。生物力学试验和临床数据表明其可明显降低螺钉松动、断裂的发生率,但存在骨水泥渗漏、肺栓塞等并发症。 选择性首尾端椎弓根螺钉强化：骨水泥强化椎弓根螺钉一般是在所有固定节段的螺钉均推注骨水泥,存在渗漏风险大、手术时间长、费用高等不足。而根据文献报道和作者的临床观察,骨质疏松椎体中螺钉的松动大部分发生在固定节段的首尾端。因此,此次研究评估了在固定节段的首尾端椎弓根螺钉选择性进行骨水泥强化的稳定性和安全性。 背景：骨水泥强化椎弓根螺钉固定是骨质疏松椎体的有效固定方式,减少骨水泥渗漏是提高其临床安全性的重要方式。 目的：比较选择性首尾端椎弓根螺钉强化和全部椎弓根螺钉强化技术在腰椎融合固定术中的生物力学稳定性。 方法：通过1例正常男性志愿者的腰椎CT扫描数据,建立L₂-L₅节段的完整有限元模型。验证完整模型的有效性后,再分别建立双节段和三节段固定的选择性首尾端椎弓根螺钉强化和全部椎弓根螺钉强化模型。在上位椎体上表面施加150 N的垂直向下载荷模拟人体上半身重力,并施加不同方向上10 N·m的力矩,模拟脊柱前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转等生理活动,比较2组模型固定节段活动度、融合器应力和内固定应力的差异。 结果与结论：①模型的有效性验证显示完整模型在各个方向上的活动度与已发表的尸体研究类似;②在固定节段活动度上,选择性首尾端椎弓根螺钉强化模型的活动度稍大于全部椎弓根螺钉强化模型;但在屈伸、侧弯和旋转等各种活动状态下,2组模型活动度的差值均小于0.15°,说明2种固定方式均能较好的维持手术节段稳定性;③在融合器和内固定应力上,2组模型的差异也较小;④对于双节段和三节段融合固定的伴骨质疏松腰椎退变性疾病患者,选择性首尾端椎弓根螺钉强化与全部椎弓根螺钉强化技术的生物力学稳定性类似,且可减少骨水泥渗漏风险和患者费用,可能是一种较好的替代手术方式。 ORCID: 0000-0003-3952-0030(郭惠智) 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     

脊柱椎弓根螺钉内固定效果的生物力学评价

目的：为探讨椎弓根螺钉与椎体骨质之间的固定关系，为临床上椎弓根螺钉的改进与固定提供科学依据。方法：采用三维有限元素法，对5种不同的椎弓根螺钉的固定效果进行评估，并进行了9付新鲜胸腰节段标本的拔出力试验和界面应力测试。结果：RF、UT、Steffee、Dick钉等拔出力，界面剪切应力呈显著性差异，（P＜0．01），提示影响椎弓根螺钉固定效果的主要因素有：螺钉的结构形态、螺纹参数、骨密度，手术时螺钉的拧紧力矩大小，以及进钉的深度等。结论：根据不同病例适当增加螺钉的外径，加深螺距与导程，对增强固定效果是必要的。     

有限元分析皮质骨轨迹螺钉联合椎弓根螺钉固定椎体运动单元的生物力学性能

背景：关于单个皮质骨轨迹螺钉的生物力学研究国内外已有多篇文章报道,但关于椎体、融合器、钉棒整个运动单元的生物力学研究,特别是关于皮质骨轨迹螺钉联合传统椎弓根螺钉（cortical bone trajectory combined with pedicle screw,CBTPS）固定方式对运动单元的应力分布情况及内固定装置稳定性的相关研究报道并不多。目的：归纳分析传统椎弓根螺钉固定与CBTPS固定骨质疏松椎体运动单元上的生物力学差异。方法：基于一位骨质疏松志愿者（骨密度T值<-0.25 SD）的CT数据,建立L3到骶椎椎体功能单元骨质疏松有限元模型。通过有效性验证后,建立传统椎弓根螺钉和CBTPS两种固定模型,比较两种模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6种工况下内固定的应力及椎体运动单元活动情况;比较两种内固定方式下运动单元的应力分布情况及内固定装置的稳定性。结果与结论：（1）有限元验证结果显示,模型可较好地模拟骨质疏松患者腰椎的生理活动。（2）两组模型在屈曲、后伸状态下,内固定装置最大应力接近,但是CBTPS组内固定装置在侧屈与旋转状态下钉棒系统最大应力值要大于传统椎弓根螺钉...     

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。     

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     

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。     

Biomechanical study of expandable pedicle screw fixation in severe osteoporotic bone comparing with conventional and cement-augmented pedicle screws

Pedicle screws are widely utilized to treat the unstable thoracolumbar spine. The superior biomechanical strength of pedicle screws could increase fusion rates and provide accurate corrections of complex deformities. However, osteoporosis and revision cases of pedicle screw substantially reduce screw holding strength and cause loosening. Pedicle screw fixation becomes a challenge for spine surgeons in those scenarios. The purpose of this study was to determine if an expandable pedicle screw design could be used to improve biomechanical fixation in osteoporotic bone. Axial mechanical pull-out test was performed on the expandable, conventional and augmented pedicle screws placed in a commercial synthetic bone block which mimicked a human bone with severe osteoporosis. Results revealed that the pull-out strength and failure energy of expandable pedicle screws were similar with conventional pedicle screws augmented with bone cement by 2 ml. The pull-out strength was 5-fold greater than conventional pedicle screws and the failure energy was about 2-fold greater. Besides, the pull-out strength of expandable screw was reinforced by the expandable mechanism without cement augmentation, indicated that the risks of cement leakage from vertebral body would potentially be avoided. Comparing with the biomechanical performances of conventional screw with or without cement augmentation, the expandable screws are recommended to be applied for the osteoporotic vertebrae.     

骨水泥和纳米骨浆强化椎弓根螺钉植入固定骨质疏松椎体的生物力学特点

背景：纳米骨浆和骨水泥注入是强化椎弓根螺钉固定的两种常用方法,但目前关于两种加强方法的强化效果比较的报道相对较少。 目的：对比骨水泥或纳米骨浆强化椎弓根螺钉植入固定骨质疏松椎体的生物力学特点。 方法：取24个人尸体椎弓根,均符合骨质疏松标准,随机均分为3组,对照组仅植入椎弓根螺钉,骨水泥组在钉道内注入骨水泥后植入椎弓根螺钉,纳米骨浆组在钉道内注入纳米骨浆后植入椎弓根螺钉。植入2 h后,检测各组标本最大轴向拔出力和最大旋出力矩。 结果与结论：骨水泥组、纳米骨浆组的最大轴向拔出力和最大旋出力矩均大于对照组(P < 0.05),并且骨水泥组的最大轴向拔出力和最大旋出力矩大于纳米骨浆组(P < 0.05)。表明骨水泥和纳米骨浆强化可有效提高椎弓根螺钉植入固定骨质疏松椎体的最大轴向拔出力和最大旋出力矩,且骨水泥强化效果更明显。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

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。     

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：     

利用图像存储传输系统数据库构建下颈椎椎弓根模型及其临床意义

背景：下颈椎椎弓根钉内固定技术具有良好的生物力学强度、三维稳定性和植骨融合率。然而,由于下颈椎解剖结构复杂且个体差异性大,常导致螺钉置入困难,复位风险高。 目的：利用图像存储传输系统结合64排CT片及X射线片于内固定前精确测量下颈椎后方解剖学结构,指导下颈椎内固定过程中椎弓根置钉。 方法：51例下颈椎疾患病例利用图像存储传输系统测量定位法行颈椎椎弓根内固定。同时对比同期开展治疗的两种不同方案的颈椎内固定患者：解剖置钉法26例,管道疏通法17例。以Andrew椎弓根螺钉CT位置分级标准评价3组患者的置钉准确率。 结果与结论：图像存储传输系统测量定位组置钉准确率显著高于其他两组(P < 0.05),图像存储传输系统测量定位组病例均未发现脊髓、椎动脉、神经等组织损伤。提示应用图像存储传输系统结合64排CT及X射线片内固定前测量,能够指导内固定过程中安全置入颈椎椎弓根螺钉,置钉效果明显强于传统的解剖置钉法及管道疏通法。     

腰椎皮质骨钉道螺钉内固定技术的研究进展

如何对骨质疏松性腰椎疾病患者实施可靠的腰椎内固定技术,是脊柱外科医生共同面临的难题。皮质骨钉道(cortical bone trajectory,CBT)螺钉内固定技术是近几年出现的一种新型的腰椎椎弓根螺钉技术,通过椎弓根皮质骨钉道,使螺钉与皮质骨最大化接触,增加了螺钉固定强度,减少了螺钉松动。本文从腰椎CBT螺钉内固定技术的技术特点、生物力学研究、临床应用状况、优缺点等方面进行综述,并对该技术的未来作一简略展望。     

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。