腰骶椎弓根螺钉翻修及强化固定后稳定性比较
作者：丁宇 阮狄克 李超 石金峰 付裕
【关键词】 椎弓根螺钉
摘要：［目的］从生物力学角度评价腰骶椎弓根螺钉翻修及强化固定的稳定性。［方法］采用7具新鲜成人尸体L5S1椎体标本，于L5椎体首先置入5．5mm／45mm椎弓根螺钉，然后再置入7．0mm／55mm螺钉翻修，最后应用骨水泥强化固定；S1椎弓根置入初始螺钉为6．25mm／35mm、翻修螺钉为8．0mm／45mm、最后同样行骨水泥强化固定。在858MiniMTS生物力学实验机上分别测试各状态轴向最大拔出力及最大扭力矩。［结果］(1)在L5，初始、翻修及骨水泥强化固定状态的最大把持力分别为（1680．7±242．8）N、（2410．3±366．1）N、（3273．0±688．5）N(P<0．05)，最大扭力矩分别为（1006．1±205．3）N・mm、（1432．6±213．7）N・mm、（590．7±83．5）N・m(P<0．05)；(2)在S1，初始、翻修及骨水泥强化的把持力分别为（926．3±274．2）N、（957．5±336．3）N、（1825．3±199．9）N，最大扭力矩分别为（667．6±88．3）N・mm、（681．4±79．4）N・mm、（558．8±97．2）N・mm；其中初始及翻修状态把持力及扭力矩均无明显差别(P>0．05)，骨水泥强化固定后把持力明显增加、扭力矩明显减小(P<0．05)。［结论］(1)L5椎弓根螺钉翻修时，螺钉直径增加1．5mm、长度增加10mm或骨水泥强化均可达到翻修固定的生物力学要求，增加脊椎稳定性，以骨水泥强化固定更为明显；(2)S1椎弓根螺钉翻修时，单纯增加螺钉直径和长度不能获得理想的稳定性，而骨水泥强化螺钉固定效果明显。
关键词：腰椎；骶椎；椎弓根螺钉；翻修；生物力学
Biomechanical stabilization in the revision and augmentation for lumbar and sacral pedicle screws
Abstract：［Objective］ To evaluate the biomechanical stabilization of augmentation and revision of L5 and S1 pedicle screws.［Method］Seven lumbosacral spines from fresh adult cadavers were harvested,and dismembered into single vertebrae before testing. 5.5mm/45mm screws were implanted in L5 pedicles as control initially, then 7.0mm/55mm screws were used for the revision, and finally, the failed pedicles were augmented by cement.The original screws implanting in S1 pedicles were 6.25mm/35mm, the revision screws were 8.0mm/45mm, and also cement was used to salvage failed pedicles finally.The maximum pullout strength and insertional torque in all groups was tested on 858MiniMTS.［Result］（1）For L5 vertebrae, the screw pullout strength in control, revision and augmented groups were （1 680.7±242.8）N, （2410.3±366.1）N and （3273.0±688.5）N,respectively with significant difference(P<0.05).The insertional torque of the lumbar groups was （1006.1±205.3）N・mm, （1432.6±213.7）N・mm and （590.7±83.5）N・mm respectively with significant difference(P<0.05)；(2)For S1 vertebrae, the pullout strength in control, revision screws was （926.3±274.2）N, （957.5 ±336.3）N respectively without obvious difference (P>0.05).The strength of augmented screws was （1 825.3±199.9）N,and much higher than other two groups (P<0.05).The insertional torque was （667.6±88.3）N・mm, （681.4±79.4）N・mm and （558.84±97.2）N・mm respectively without any difference of the torque between control and revision group (P>0.05),but the torque of augmented group was smaller than other two groups (P<0.05).［Conclusion］(1)Increasing the screw diameter with 1.5mm and the length with 10mm of screws,or using cement to salvage failed L5 pedicles can all increase biomechanical stability;(2)Increasing the screw length and diameter in S1 may not improve the pullout strength,but a good result is achieved by using cement augmentation.
Key words：Lumbar vertebrae; Sacram;Pedicle; Revision;Biomechanics
随着经椎弓根内固定技术的广泛应用和，改进椎弓根螺钉置入技术及提高椎弓根螺钉翻修术是当前人们探讨的课题之一［1］，而L5S1的椎弓根内固定有其特殊性，翻修术更为困难。本实验拟对腰骶椎弓根螺钉翻修的不同方法进行生物力学评估，为临床应用提供依据。
1 材料与方法
1．1 材料
1．1．1 标本准备
7具新鲜健康青壮年尸体腰骶椎标本，实验前经X线片检查排除先天性畸形、骨折、肿瘤、骨质疏松等脊柱疾患。清除椎体周围的软组织，自椎间盘处离断，L5游离成单个椎体、骶骨修整过程中保留S1椎体的完整，双层塑料袋密封，放入-20℃超低温冰箱中冷冻保存。测试前24h将标本取出，室温下解冻。
1．1．2 椎弓根螺钉
华杰豪公司提供，有5．5mm／45mm、7．0mm／55mm、6．25mm／35mm及8．0mm／45mm4种规格，螺钉尾部加长，以利实验中夹具固定。螺纹间距为1．2mm、深度1mm(图1)。
1．1．3 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥
天津市合成材料研究所提供，由甲基丙烯酸酯／苯乙烯共聚酚与甲基丙烯酸甲酯单体组成的室温自凝剂。
1．2 方法
1．2．1 椎弓根螺钉生物力学测试
按常规椎弓根进针方法置入螺钉，单个椎体固定于特制夹具，在美国产858Mini-MTS多轴试验机上进行椎弓根螺钉生物力学测试。根据实验设计首先置入不同型号椎弓根螺钉，在末端预留1个螺纹，然后将试件安放到MTS机上完全拧入螺钉，同时记录各时段扭力矩数据、最终获得最大扭力矩；既而进行螺钉拔出实验，设置最大轴向拔出力为4000N，单纯螺钉固定组最大位移为5mm，螺钉加骨水泥固定组最大位移为30mm，沿椎弓根长轴方向以5mm／min加载速率行螺钉拔出，当载荷-变形曲线出现屈服(图2)、达到最大位移或椎体椎弓根破坏后即予停止。
1．2．2 实验分组
腰骶椎分别进行生物力学实验评估。
1．2．2．1 L5实验分组
正常对照组：于7节L5椎体置入5．5mm／45mm椎弓根螺钉。单纯螺钉翻修组：正常对照组实验完成后，置入7．0mm／55mm螺钉翻修。骨水泥强化固定组：前两组实验完成后随机选择一侧椎弓根行5．5mm／45mm螺钉加骨水泥强化固定翻修，另一侧应用7．0mm／55mm螺钉加骨水泥强化固定翻修。
1．2．2．2 S1实验分组
正常对照组：于7节骶椎标本置入6．25mm／35mm椎弓根螺钉。单纯螺钉翻修组：正常对照组实验完成后，置入8．0mm／45mm螺钉翻修；骨水泥强化固定组：前两组实验完成后随机选择一侧椎弓根行6．25mm／35mm螺钉加骨水泥强化固定翻修，另一侧应用8．0mm／45mm螺钉加骨水泥强化固定翻修。
1．2．2．3 观察内容
椎弓根螺钉的轴向最大拔出力、横向最大扭力矩，以及在椎弓根螺钉强化固定翻修后拔出过程中椎骨或椎弓根破坏情况。骨水泥强化固定组拔出实验后，沿椎弓根长轴进行冠状或矢状切割，观察PMMA在椎弓根螺钉周围的分布状况。
1．2．2．4 统计学处理
将实验误差和粗差进行修正处理，将全部数据进行双向分类方差分析(StudentNewmanKeuls法)。各处理组与对照组间、同一组不同直径螺钉间进行随机化配对设计资料均数的t检验，显著性水平设为0．05。
2 结果
2．1 椎弓根螺钉最大把持力
不同组椎弓根螺钉把持力见表1。腰椎：单纯7．0mm／55mm螺钉翻修及应用骨水泥强化固定后，均可获得明显增加的椎弓根螺钉把持力，以骨水泥强化固定增加更为明显应用；其中骨水泥强化固定后，不同直径与长度椎弓根螺钉间的把持力没有显著性差别(P>0．05)。骶椎：单纯8．0mm／45mm螺钉翻修后，椎弓根螺钉把持力与对照组比较没有明显差别；应用骨水泥强化固定后，把持力明显高于正常对照组及单纯螺钉翻修组，不同型号螺钉间把持力亦没有明显差别(P>0．05)。表1 不同分组椎弓根螺钉把持力(略) *表示实验组螺钉把持力与对照组间有统计学差异(P<0.05)；**表示两者间有显著性差异(P<0.01)。
2．2 椎弓根螺钉最大扭力矩
不同组椎弓根螺钉扭力矩见表2。L5椎弓根单纯7．0mm／55mm螺钉翻修后，扭力矩明显增加；而S1椎弓根单纯8．0mm／45mm螺钉翻修后，扭力矩变化不明显。在腰骶椎，骨水泥强化固定后扭力矩均明显减小(骨水泥固化后仍可较轻松地将螺钉拧出，图3)，且不同直径与长度螺钉间扭力矩没有明显差别(P>0．05)。表2 不同分组椎弓根螺钉扭力矩(略)*表示实验组螺钉扭力矩与对照组间有统计学差异(P<0.05)；**表示两者间有显著性差异(P<0.01)。
2．3 椎弓根螺钉最大把持力与最大扭力矩相关性分析
实验结果显示单纯螺钉翻修组螺钉把持力与扭力矩大都呈现增加趋势，而骨水泥强化固定组螺钉把持力增加、扭力矩减小。分别将对照组与单纯螺钉翻修组螺钉的最大把持力及最大扭力矩设为自变量与应变量，统计分析得相关系数r=0．85，表明单纯螺钉与骨结合时扭力矩与把持力成正相关。
2．4 椎弓根螺钉拔出时的破坏情况及骨水泥在椎弓根内的分布
因在正常对照组与单纯螺钉翻修组的实验设置中采取了保护性参数，故未观察到椎弓根或椎体的破坏。骨水泥强化固定组中椎弓根螺钉的拔出破坏大都为椎弓根螺钉的抽出，即骨-螺钉界面的剥离；仅2例L5椎弓根骨水泥强化翻修时发生椎弓根和椎体交界区的断裂(图4)。本实验条件下，骨水泥粉和水按2∶3配比混合后较易注入且在椎弓根内分布均匀，螺钉纹理痕迹清晰(图3)。
3 讨论
随着经椎弓根内固定技术在脊柱外科的广泛应用，内固定失败的病例也逐渐增多，Moore等认为［2］退行性滑脱术中及术后螺钉松动退出的发生率近5．5％，而脊柱骨折术后内固定失败率高达9％。近年来，国内外已有关于椎弓根螺钉翻修及强化固定的文章发表，但针对腰骶椎特定解剖结构进行相关评价及比较的生物力学研究却鲜有报道。
3．1 翻修螺钉大小的选择
不同大小的螺钉呈现出不同的生物力学特性，在椎弓根的解剖形态及内固定力学需要的限制内，增加翻修螺钉的直径或长度，可增强螺钉与骨的结合力［3］。拔出的力量与圆柱状骨的表面积有关，决定于螺钉的外径和进入深度。大直径螺钉置入时，椎弓根中心的松质骨被推挤到周边相对密质层，螺纹可置入到周边相对密质层；针对不同直径的椎弓根螺钉进行拔出强度测试，显示直径大的螺钉拔出强度大于直径小的螺钉，拔出强度随外径的增加而增加［4］。螺钉越长，固定强度越大，研究发现螺钉固定强度的60％在椎弓根内，达椎体松质骨后强度增加15%～20％，至前方骨皮质但又未穿透时又增加16％，穿破前方骨皮质则增加20%～25％［5］。Polly等［6］认为直径增加2mm，是椎弓根螺钉翻修的最理想方法；直径增加1mm，长度增加5～10mm，也是可靠的手段。但临床常用的单纯增大螺钉直径以提高稳定性的方法受到椎弓根解剖学条件的严格限制，采用较大直径的椎弓根螺钉还增加了神经根损伤和椎弓根骨折的风险，螺钉外径最大不应超过椎弓根外径80％［7］。笔者认为，螺钉翻修时由于先前钉道已遭破坏，在进针点准确的情况下，同时适当增加螺钉直径及长度应为最佳选择。
3．2 腰骶椎弓根螺钉的把持力差异与解剖特点
本实验表明L5椎弓根螺钉翻修时，直径增加1．5mm、长度增加10mm，椎弓根螺钉把持力超出原螺钉强度；S1螺钉的把持力普遍比腰椎小，单纯螺钉翻修结果也不同于腰椎，其把持力仅达到原有螺钉水平。椎弓根螺钉把持力取决于螺纹-骨界面的结合强度，螺钉周围骨的质量成为决定螺钉把持力的关键因素，高质量的骨可获得较大的把持强度。在腰椎，螺钉旋入时将松质骨压缩至坚强的皮质骨上，螺钉周围骨密度相对增高，有较满意的骨质量；粗大螺钉的置入甚至可以切入周边的骨皮质，增加了把持强度。在骶骨，由于其椎弓根明显增宽，松质骨含量多、骨皮质亦不够坚强，螺钉旋入后其周围骨密度偏低、骨强度较低，把持力相对较小，通过有限增加螺钉的直径、长度往往很难获得满意的把持强度。因此，临床上骶骨椎弓根内固定有较多改进方法，如增加螺钉长度以使其穿破前方骨皮质、改变进针方向穿过S1上终板乃至L5下终板或在S2增加附加螺钉等。
3．3 骨水泥强化固定翻修
临床上当椎弓根钉道破坏严重或骨质疏松时，单纯采用大直径螺钉翻修较为困难，常添加生物材料强化椎弓根螺钉稳定性。骨水泥强化后，把持力的实现由骨-螺钉界面转化为较为坚强的骨-黏合剂-螺钉界面［8］，可显著增加椎弓根螺钉把持力，而与螺钉自身结构关系不大，螺钉拔出主要依靠骨水泥骨界面剥脱实现；在使用骨水泥翻修时，螺钉的作用得不到体现，其本身结构已显得不重要，如何调配、注入骨水泥，使之在椎弓根内均匀分布、与螺钉达到最佳结合，成为翻修的关键。临床上成功应用单纯螺钉翻修常假设为较理想的状态，实际情况往往非常复杂，如骨质疏松、钉道破坏严重、进针位置欠佳需另行改道等，单纯采用大直径螺钉翻修较为困难，需添加生物材料强化椎弓根螺钉稳定性。尤其骶椎具有特殊的解剖学结构，椎弓根宽大且松质骨含量多，当初次螺钉固定失败后，螺钉松动致松质骨挤压，使得钉道较原螺钉明显增大，螺钉直径长度的有限增加很难获得足够的把持力，此时骨水泥强化固定在骶椎的翻修中的意义更为显著。因骨-黏合剂-螺钉界面强度均超过脊椎本身结构强度，生物材料的改进应着眼于控制添加物的组织化学反应，过度增加强化材料的黏合强度已没有太大意义。普通骨水泥的临床应用会产生一系列的问题，如聚合热致周围组织(包括脊髓和神经根)损伤、体内长期留置产生毒性和致癌作用等，目前逐渐被新型生物材料所取代［9］。
3．4 椎弓根螺钉把持力与扭力矩的相关性
大多数生物力学实验以轴向拔出力为评定螺钉把持强度的指标，近来研究发现横向加载往往是螺钉早期松动的主要原因［2］，故将把持力与拔出力相结合更能反映出螺钉的把持强度。本实验结果显示螺钉把持力与扭力矩不呈现绝对的一致，不同螺钉结合界面，把持力与扭力矩间的相关性有很大差异。单纯骨-螺钉界面结合强度与扭力矩间具有明显的相关性，这与既往研究是一致的(相关系数为0．83～0．925)［10］；而实际操作时，医师同样习惯通过扭力矩判断椎弓根螺钉的把持强度，具有一定临床实用性。骨水泥强化固定为螺钉-水泥-骨界面，螺钉置入时骨水泥尚未固化，此时扭力矩没有意义。当骨水泥固化后，骨-水泥间为牢固结合，而螺钉-水泥间结合不够紧密，故螺钉仍可较容易扭动；螺钉的把持力主要依靠骨水泥固化后与螺纹镶嵌吻合获得，取决于骨水泥本身强度及骨-水泥结合强度。
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