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(英文)

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。     

骶骨S2椎弓根外进钉固定的生物力学分析

背景：模拟骶骨骨折S2椎弓根钉外进钉固定拔出力与在拔出椎弓钉时的应变电测分析鲜有报道。目的：测量S2椎弓根外进钉固定拔出力与骶骨应变分布,为临床提供生物力学参数。方法：取正常国人新鲜尸体骶骨标本,以椎弓根钉外进钉方法固定于S2椎弓根,以小型力传感器与椎弓根钉固定装置连接测量椎弓根钉的拔出力,同时以动静态电阻应变仪,对预先粘贴在4个椎弓根螺栓固定边缘部位和骶骨不同部位的应变片进行应变电测量。1号进钉点位置为左侧第1骶后孔下缘最低点,2号进钉点位置为右侧第1骶后孔下缘最低点,3号进钉点为左侧第1骶后孔连线与骶外侧嵴的交点,4号进钉点为右侧第1骶后孔连线与骶外侧嵴的交点。测量椎弓根螺钉最大拔出力和骶骨各测点应变值。结果与结论：外进钉1号螺钉拔出力为（399.0±7.2）N,2号螺钉拔出力为（281.0±5.2）N,3号螺钉拔出力为（196.0±4.3）N,4号螺钉拔出力为（220.1±4.6）N。应变电测量最小应变发生在2号螺钉8号测点,应变为（13.5±1.1）με;最大应变发生在1号螺钉1号测点,应变为（96.8±6.5）με。提示S2椎弓根钉外进钉固定方法符合生物力学原理。     

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。     

腰椎内固定中两种椎弓根钉加强技术与骨水泥的应用

背景：骨质疏松伴腰椎退行性病变行椎弓根钉固定骨质疏松的椎体后可能会出现螺钉的松动、脱落,使用固化材料强化椎弓根钉能提高治疗效果。目的：比较骨质疏松患者腰椎内固定中使用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥和可注射硫酸钙骨水泥加强椎弓根钉两种技巧的临床效果。方法：腰椎滑脱、腰椎失稳、严重腰椎管狭窄合并骨质疏松的患者共61例,根据治疗方式分为2组：传统聚甲基丙烯酸甲酯强化椎弓根钉组和可注射硫酸钙骨水泥强化椎弓根钉组。结果与结论：两组患者治疗操作时间、出血量、治疗前后目测类比评分、日本骨科协会评估治疗分数评分及改善率比较差异均无显著性意义（P〉0.05）。聚甲基丙烯酸甲酯组中2例患者出现了注入的骨水泥渗漏,随访未造成新的神经损伤。聚甲基丙烯酸甲酯组患者治疗后骨密度随着随访时间的延长未出现逐渐的增强趋势;硫酸钙骨水泥组患者治疗后骨密度出现渐进性的改善,与患者治疗后日本骨科协会评估治疗分数改善率呈线性相关。两组患者未出现螺钉松动、拔出及神经功能的异常。表明与聚甲基丙烯酸甲酯相似,硫酸钙骨水泥能增加椎弓根螺钉的稳定性。     

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5～7mL;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。     

骶骨S2椎弓根外进钉固定的生物力学分析

背景:模拟骶骨骨折S2椎弓根钉外进钉固定拔出力与在拔出椎弓钉时的应变电测分析鲜有报道。目的:测量S2椎弓根外进钉固定拔出力与骶骨应变分布,为临床提供生物力学参数。方法:取正常国人新鲜尸体骶骨标本,以椎弓根钉外进钉方法固定于S2椎弓根,以小型力传感器与椎弓根钉固定装置连接测量椎弓根钉的拔出力,同时以动静态电阻应变仪,对预先粘贴在4个椎弓根螺栓固定边缘部位和骶骨不同部位的应变片进行应变电测量。1号进钉点位置为左侧第1骶后孔下缘最低点,2号进钉点位置为右侧第1骶后孔下缘最低点,3号进钉点为左侧第1骶后孔连线与骶外侧嵴的交点,4号进钉点为右侧第1骶后孔连线与骶外侧嵴的交点。测量椎弓根螺钉最大拔出力和骶骨各测点应变值。结果与结论:外进钉1号螺钉拔出力为(399.0±7.2)N,2号螺钉拔出力为(281.0±5.2)N,3号螺钉拔出力为(196.0±4.3)N,4号螺钉拔出力为(220.1±4.6)N。应变电测量最小应变发生在2号螺钉8号测点,应变为(13.5±1.1)με;最大应变发生在1号螺钉1号测点,应变为(96.8±6.5)με。提示S2椎弓根钉外进钉固定方法符合生物力学原理。     

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。毒性和不可吸收等特点。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，液相主要成分是构橼酸盐溶液，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5mml，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：钉道直接置人椎弓根螺钉；强化侧：填人磷酸钙骨水泥再置人椎弓根螺钉。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人椎弓根螺钉，强化侧填入骨水泥后再置人椎弓根螺钉，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：（1）50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）。强化骨一螺钉界面的抗剪切应力中位数从1．16N／mm^2增加到2．13N／mm^2。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／mm^22增加到1．61N／mm^2.（3）50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。     

椎弓根螺钉骨水泥强化修复老年腰椎退变的早期效果

背景：老年腰椎退变患者在手术中常面临椎弓根螺钉把持力不足情况,易发生脱钉、固定不牢靠等风险,如何增加螺钉的把持力成为研究的热点。目的：探讨使用椎弓根螺钉骨水泥强化方案治疗老年腰椎退变的早期临床效果。方法：选择2012年8月至2014年4月收治的患腰椎退行性疾病行腰椎内固定治疗的患者65例,根据修复方案分为2组,椎弓根螺钉内固定骨水泥强化组24例,常规椎弓根螺钉内固定组41例。比较两组患者的一般情况,采用目测类比评分法和日本矫形科学学会腰椎功能评分表对患者腰背疼痛及下肢神经功能恢复情况进行评估。结果与结论：65例患者均完成手术,获得随访,随访时间为3-20个月,随访中均行腰椎正侧位片X射线片,未发现螺钉松动、脱落、断裂、椎间隙高度丢失等情况。椎弓根螺钉内固定骨水泥强化组患者的手术出血量、住院时间与常规椎弓根螺钉内固定组差异无显著性意义（P〉0.05）,椎弓根螺钉内固定骨水泥强化组术后3,6个月日本矫形科学学会腰椎功能评分及术后3个月的目测类比评分均较常规椎弓根螺钉内固定组显著改善（P 〈0.05）;两组术后6个月的目测类比评分差异无显著性意义（P 〉0.05）。提示将骨水泥沿椎弓根螺钉钉道注入椎弓根及椎体,可达到螺钉骨水泥强化的目的,增加螺钉的把持力,重建腰椎的稳定性,取得了满意的近期疗效。     

骨水泥椎体强化椎弓根钉置入对骨质疏松脊柱生物力学稳定性的影响

背景:伴有骨质疏松患者的脊柱内固定松动、脱落是脊柱外科一个复杂而棘手的问题.用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥强化椎弓根螺钉可增加伴有骨质疏松患者的椎弓根螺钉防止椎弓根钉的松动及脱落.目的:评价聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥椎体强化后椎弓根钉固定对不稳定骨质疏松脊柱的生物力学稳定性影响.设计、时间及地点:体外生物力学实验,于2008-03在上海大学生物力学实验室完成生物力学实验.材料:12具新鲜老年女性尸体T10-L3椎体标本,制成T12、L1间的不稳定模型,采用椎弓根螺钉系统固定.方法:将标奉按照不同的处理方式分为4组.①对照组:为完整标本,只进行生物力学性能的测试.②一次固定组:对照组测试后随机选取6具不稳定模型,行T11～L2椎弓根钉固定.③二次固定组:一次固定组标本完成稳定性测试后,取出所有椎弓根螺钉,分别用注射器向T11～L2椎弓根钉道注入配制好的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥骨水泥2.0 mL后再次拧入螺钉固定.④强化固定组:将余下的6具标本于T11～L2双侧椎弓根分别以直径3.5 mm的钻头导孔,沿孔道插入直径3.5 mm的穿刺导管,插入深度为40 mm,用加压注射器经导管缓慢向椎体内加压注射配制好的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥3.5 mL后拧入螺钉固定.主要观察指标:进行轴向压缩、前屈,后伸、左,右侧弯、左,右旋转7项非损伤性加载,比较上述4组不同状态下脊柱的相对运动范围变化.结果:与一次固定组比较,二次固定组及强化固定组脊柱的相对运动范围增加(P<0.05),强化固定组与二次固定组组间比较,差异无统计学意义(P>0.05).结论:椎体成形强化椎弓根钉固定及钉道强化固定均可明显增强不稳定骨质疏松脊柱的稳定性.     

影响椎弓根螺钉拔出力的相关因素

椎弓根螺钉的松动和轴向脱出是导致脊柱内固定失败的主要原因,螺钉的松动、脱出与螺钉的拔出力有关,螺钉的拔出力与椎弓根螺钉直径、螺纹设计、骨密度及螺钉的操作技术有关。拔出强度随外径的增加而增加,螺钉越长,拔出强度越大。椎弓根螺钉的稳定性在骨质疏松时明显降低,对于骨质疏松患者,单纯增加螺钉直径较为困难,一般需进一步强化椎弓根螺钉的稳定性,聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥强化骨质疏松椎弓根螺钉能显著增加螺钉的稳定性和抗屈强度,但由于骨水泥聚合产生高热可导致组织损伤,体内长期留置会产生毒性和致癌作用,具有良好生物相容性的新型添加材料,如羟基磷灰石骨水泥、磷酸钙骨水泥等将逐渐替代聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥。同时螺钉置入过程中准确的进钉点、进钉方向和置入位置可以减少因螺钉重新拧入而导致的把持力下降,提高螺钉的拔出强度和稳定性。     

A bicortical pedicle screw in the caudad trajectory is the best option for the fixation of an osteoporotic vertebra: An in-vitro experimental study using synthetic lumbar osteoporotic bone models

BackgroundIn pedicle screw fixation, the optimal depth and trajectory of insertion are controversial, and this might be because of the wide variations in specimens. The present study aimed to investigate the biomechanically optimal depth and trajectory of screw insertion using synthetic lumbar osteoporotic vertebrae.MethodsA total of 27 synthetic osteoporotic lumbar vertebrae (L3) were used to ensure standard vertebral quality and shape. Pedicle screws having two different lengths (unicortical: to the center of the vertebra; bicortical: to the anterior cortex of the vertebra) were inserted in the following three different trajectories: 1) straight-forward (parallel to the superior endplate), 2) cephalad (toward the anterosuperior corner), and 3) caudad (toward the anteroinferior corner). Maximum insertional torque and pull-out strength were measured.FindingsFor the straight-forward, cephalad, and caudad trajectories, the maximum insertional torque (Ncm) values of unicortical screws were 144.4, 143.1, and 148.9, respectively, and those of bicortical screws were 205.5, 156.2, and 207.8, respectively. The maximum insertional torque values were significantly higher for bicortical screws than unicortical screws (p < 0.001). Additionally, regarding bicortical screws, the maximum insertional torque values were significantly lower for the cephalad trajectory than other trajectories (p = 0.002). The pull-out strength (N) values of bicortical screws for the straight-forward, cephalad, and caudad trajectories were 703.3, 783.9, and 981.3, respectively. The pull-out strength values were significantly lower for the straight-forward trajectory than other trajectories (p = 0.034).InterpretationA bicortical pedicle screw in the caudad trajectory might be the best option to improve fixation in an osteoporotic lumbar vertebra.     

Biomechanical effects of insertion location and bone cement augmentation on the anchoring strength of iliac screw

Background

Iliac screw loosening has been a clinical problem in the lumbo-pelvic reconstruction. Although iliac screws are commonly inserted into either upper or lower iliac column, the biomechanical effects of the two fixations and their revision techniques with bone cement remain undetermined. The purpose of this study was to compare the anchoring strengths of the upper and lower iliac screws with and without cement augmentation.

Methods

5 pairs of formalin fixed cadaveric ilia with the bone mineral density values ranged from 0.82 to 0.97 g/cm² were adopted in this study. Using screws with 70-mm length and 7.5-mm diameter, 2 conventional iliac screw fixations and their revision techniques with cement augmentation were sequentially established and tested on the same ilium as follows: upper screw, upper cement screw, lower screw, and lower cement screw. Following 2000 cyclic compressive loading of − 300 N to −100 N to the screw on a material testing machine, the maximum pull-out strengths were measured and analyzed.

Findings

The average pull-out strengths of upper, upper cement, lower, and lower cement screws were 964 N, 1462 N, 1537 N, and 1964 N, respectively. The lower screw showed significantly higher pull-out strength than the upper one (P = 0.008). The cement augmentation notably increased the pull-out strengths of both upper and lower screws. The positive correlation between pull-out strength and bone mineral density value was obtained for the 4 fixations.

Interpretation

The lower iliac screw technique should be the preferred choice in lumbo-pelvic stabilization surgery; cement augmentation may serve as a useful salvage technique for iliac screw loosening; preoperative evaluation of bone quality is crucial for predicting fixation strength of iliac screw.     

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.     

磷酸钙骨水泥对颈椎前路螺钉置入体强化作用的生物力学分析

背景:有研究表明磷酸钙骨水泥通过改善骨与螺钉界面的质量,从而强化螺钉的即刻和早期固定强度.目的:实验拟验证磷酸钙骨水泥对颈椎前路单皮质骨螺钉的强化作用.设计:对比观察.单位:中南大学湘雅医学院附属湘雅一医院骨科.材料:实验于2003-09/2004-01在中南大学材料科学与工程学院电子拉伸力学性能室完成.由张家港市欣达医疗器械有限公司生产的颈椎前路单皮质骨自攻螺钉,材质为纯钛.注射型磷酸钙骨水泥由上海瑞邦生物材料有限公司生产.轴向拔出套筒由中南大学机械制造基地制造.方法:①选取4具新鲜青年男性尸体C3～C6椎体标本共16个椎体,单个椎体骨密度测量,证实无骨质疏松.4具新鲜老年男性尸体C3～C6椎体标本共16个椎体,单个椎体骨密度测量,证实骨质疏松.标本由中南大学湘雅医学院解剖教研室提供,死者生前自愿捐献遗体,家属均知情同意.每组随机选择12个椎体进行3个试验,轴向拔出试验选取6个椎体,周期抗屈试验和抗屈后抗剪切试验选取6个椎体.在椎体前方中线两侧8 mm处向中线倾斜5°攻丝锥导孔,钻出钉道备用,不穿透椎体后方骨皮质.②轴向拔出实验:随机选取椎体一侧置入螺钉作为对照组,在材料实验机上行轴向拔出实验,拔出速率为5 mm/min.螺钉拔出后用磷酸钙骨水泥 0.10～0.15 mL修复钉道再次置入螺钉作为修复组,另一侧直接以磷酸钙骨水泥填充后置入螺钉作为强化组,37 ℃下放置24 h后再行轴向拔出试验.③周期抗屈试验和抗屈后抗剪切试验:随机选取椎体一侧置入螺钉作为对照组,另一侧直接以磷酸钙骨水泥填充后置入螺钉作为强化组行周期抗屈试验和抗屈后抗剪切试验.主要观察指标:①螺钉的最大轴向拔出力.②周期抗屈实验后螺钉的位移.③周期抗屈后螺钉的最大抗剪切力.结果:①轴向拔出试验:骨质正常椎体,对照组拔出力为(313± 64)N,修复组为(376±88)N,强化组为(446±121)N;骨质疏松椎体,对照组拔出力为(106±47)N,修复组为(154±67)N,强化组为(191±80)N.修复组、强化组的轴向拔出力均明显高于对照组(P < 0.05).②周期抗屈实验:强化组在相同载荷下产生的位移明显小于对照组(P < 0.05).③最大抗剪切力:骨质正常椎体:对照组为(301± 79)N,强化组为(395±105)N.骨质疏松椎体:对照组为(87±39)N,强化组为(149±63)N,强化组的最大抗剪切力明显强于对照组(P < 0.05).结论:磷酸钙骨水泥能提高螺钉的轴向拔出力及抗剪切能力,在骨质疏松时强化效果更加明显.     

Biplanar fixation of a locking plate in the diaphysis improves construct strength

Background

Elevation of a locking plate over the bone surface not only supports biological fixation, but also decreases the torsional strength of the fixation construct. Biplanar fixation by means of a staggered screw hole arrangement may combat this decreased torsional strength caused by plate elevation. This biomechanical study evaluated the effect of biplanar fixation on the torsional strength of locking plate fixation in the femoral diaphysis.

Methods

Custom titanium plates were manufactured with either a linear or staggered hole pattern to evaluate planar and biplanar fixation, respectively. Fixation strength under torsional loading was evaluated in surrogates of the femoral diaphysis representative of osteoporotic and non-osteoporotic bone. Furthermore, fixation strength was determined for plate fixation with unicortical or bicortical locking screws. Five specimens per configuration were loaded to failure in torsion to determine their strength, stiffness, and failure mode.

Findings

In osteoporotic bone, biplanar fixation was 32% stronger (P = 0.01) than planar fixation when unicortical screws were used and 9% stronger (P = 0.02) when bicortical screws were used. In non-osteoporotic bone, biplanar fixation was 55% stronger (P < 0.001) than planar fixation when unicortical screws were used and 42% (P < 0.001) stronger when bicortical screws were used.

Interpretation

A biplanar screw configuration improves the torsional strength of diaphyseal plate fixation relative to a planar configuration in both osteoporotic and normal bone. With biplanar fixation, unicortical screws provide the same fixation strength as bicortical screws in non-osteoporotic bone.     

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,虽然胸椎椎弓根一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—60mm）,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6．5mm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5．5mm、25枚6．0mm和26枚6．5mm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6．5mm与5．5mm螺钉的最大轴向拔出力的差异有显著性意义（P〈0．05）。提示中上胸椎椎弓根-肋骨复合体中应用直径5．5mm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。