影響松質(zhì)骨螺釘固定強(qiáng)度的相關(guān)因素

王江澤 丁真奇

[摘要] 松質(zhì)骨螺釘是一種常用于四肢干骺端和脊柱的內(nèi)固定器械，臨床上因螺釘固定強(qiáng)度不夠?qū)е滦g(shù)后螺釘?shù)乃蓜?dòng)、脫出時(shí)常發(fā)生，許多研究表明螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度與螺釘?shù)淖陨硪蛩亍⒐敲芏?、醫(yī)生手術(shù)操作技術(shù)及熟練程度等有關(guān)。

[關(guān)鍵詞] 松質(zhì)骨螺釘；螺釘松動(dòng)；拔出力

[中圖分類號(hào)] R318[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1673-9701（2012）12-0026-03

螺釘是一種常用的骨科內(nèi)固定器械，其中松質(zhì)骨螺釘與皮質(zhì)骨螺釘不同，其螺紋間距（螺紋溝）寬而深，且螺紋徑與螺柱徑的比例較大，主要用于四肢干骺端和脊柱的固定，臨床上因螺釘固定強(qiáng)度不夠?qū)е滦g(shù)后螺釘?shù)乃蓜?dòng)、脫出時(shí)常發(fā)生，國(guó)內(nèi)外許多研究表明螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度與其內(nèi)、外在因素密切相關(guān)，如螺釘?shù)淖陨硪蛩?、骨密度、醫(yī)生手術(shù)操作技術(shù)及熟練程度等?，F(xiàn)就其相關(guān)因素作一綜述。

1 螺釘固定強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)

螺釘固定失效原因有軸向拔出力、折彎力、扭轉(zhuǎn)力，或上述作用力的組合。螺釘?shù)纳锪W(xué)實(shí)驗(yàn)有強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)，強(qiáng)度試驗(yàn)是通過材料試驗(yàn)機(jī)在螺釘上加載載荷，直至出現(xiàn)破壞，如測(cè)量螺釘?shù)陌纬隽?，用于評(píng)價(jià)螺釘與骨界面的固定強(qiáng)度，但是此試驗(yàn)只能評(píng)價(jià)螺釘?shù)募磿r(shí)強(qiáng)度。疲勞試驗(yàn)是以一定頻率循環(huán)加載載荷于螺釘上直至破壞，以循環(huán)加載次數(shù)代表其疲勞壽命。螺釘對(duì)骨折塊的固定或與鋼板貼合的緊密程度依賴于其對(duì)骨骼的抓持力和抗拔出強(qiáng)度，螺釘固有的把持力是螺紋徑與旋入骨骼內(nèi)的螺紋長(zhǎng)度的乘積，所以其固定強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)中主要以拔出力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 影響螺釘固定的自身因素

2.1 螺釘材料

選擇好的螺釘材料使之置入后具有良好的釘-骨界面尤為重要。國(guó)外研究表明，鈦合金螺釘較不銹鋼螺釘有更好的骨相容性，其與骨界面之間相差33%的骨量，具有更大的軸向拔出力，但螺釘?shù)目剐D(zhuǎn)力無(wú)明顯差別，說明螺釘?shù)陌纬隽εc螺釘?shù)牟牧详P(guān)系密切[1，2]。Sanden等[3]比較表面鍍HA與不鍍HA的不銹鋼螺釘?shù)陌纬隽?，發(fā)現(xiàn)鍍HA的螺釘組的拔出力明顯高于對(duì)照組，且骨釘接觸面積和螺紋內(nèi)骨含量也均明顯高于對(duì)照組，從另一方面說明選擇相同螺釘材料時(shí)，在其表面適當(dāng)加入一些骨相容性材料同樣有提高拔出力的效果。

2.2 螺釘幾何形態(tài)

螺釘?shù)膸缀涡螒B(tài)包括螺釘直徑、有效長(zhǎng)度、螺紋深度及螺旋角、螺紋傾斜度、螺距等；其固定強(qiáng)度與螺釘?shù)淖陨碓O(shè)計(jì)密切相關(guān)，近年來國(guó)內(nèi)外研究表示適當(dāng)優(yōu)化上述因素能增加螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度。

2.2.1 螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)松質(zhì)骨螺釘?shù)穆菁y深，螺距大，螺芯直徑較小，故螺釘?shù)耐鈴脚c螺芯直徑的比值較大，可以增加螺釘對(duì)骨骼的抓持力。螺釘?shù)牟煌菁y設(shè)計(jì)對(duì)其拔出力具有很大的影響。Klein等[4]在尸體上進(jìn)行圓形與半圓形螺紋拔出試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩者并無(wú)明顯差異。Hale等[5]實(shí)驗(yàn)比較FT螺釘（full taper screw）和PT螺釘（proximal taper screw）的拔出力，結(jié)果表明FT螺釘?shù)陌纬隽^高，且受大/小螺紋比例的影響。而Bret等[6]研究認(rèn)為相同的螺釘規(guī)格和螺紋設(shè)計(jì)，圓錐形螺釘比圓柱形螺釘固定更牢固。有學(xué)者如譚映軍等[7]對(duì)錐形椎弓根螺釘?shù)膬?nèi)、外形設(shè)計(jì)的生物力學(xué)特性進(jìn)行了比較，結(jié)果表明外錐形椎弓根螺釘比內(nèi)錐形椎弓根螺釘具有更大的撥出力，說明椎弓根螺釘設(shè)計(jì)成外錐形可明顯提高螺釘?shù)陌纬隽Α?/p>

2.2.2 螺釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度螺釘?shù)目箯澢鷱?qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度取決于螺釘芯的直徑。一般情況下，直徑大的螺釘或長(zhǎng)的螺釘能增加松質(zhì)骨螺釘?shù)陌纬隽?。Willett等[8]研究表明螺釘?shù)闹睆脚c螺釘?shù)陌纬鰪?qiáng)度相關(guān)。而Polly等[9]發(fā)現(xiàn)翻修螺釘直徑增加2.0 mm時(shí)，其旋入力矩增加8.4％，但單獨(dú)螺釘長(zhǎng)度增加不能提高固定強(qiáng)度，而直徑增加1.0 mm與長(zhǎng)度增加兩者則會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用增強(qiáng)螺釘?shù)姆€(wěn)定性。Hitchon等[10]研究也得出相類似的結(jié)果：螺釘拔出力與螺釘有效長(zhǎng)度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，螺釘固定的有效長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其拔出力越大。但Scott等[11]研究表明其與長(zhǎng)度的相關(guān)性也在一定的范圍內(nèi)，即最優(yōu)值，并非越長(zhǎng)越好。所以在設(shè)計(jì)螺釘時(shí)，應(yīng)考慮螺釘?shù)拈L(zhǎng)度與直徑的最適比例。

2.2.3 螺釘?shù)莫?dú)特設(shè)計(jì)當(dāng)螺釘?shù)母鞣N設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)不到最優(yōu)化時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始研究螺釘?shù)奶厥庠O(shè)計(jì)，目前研究較多的是椎弓根螺釘，有空心開孔和可膨脹兩種設(shè)計(jì)方法，使螺釘能與骨水泥等強(qiáng)化材料有效的結(jié)合?？招拈_孔椎弓根螺釘，為空心椎弓根螺釘，前部分有多個(gè)側(cè)孔，螺釘頭部與注射器相連，骨水泥注入后沿螺釘內(nèi)、側(cè)孔向釘?shù)酪绯觯纬晒撬嘀?。Yazu等[12]比較了空心開孔椎弓根螺釘結(jié)合CPC強(qiáng)化后和普通螺釘在骨質(zhì)疏松人腰椎標(biāo)本上的拔出力，結(jié)果表明使用結(jié)合CPC空心開孔椎弓根螺釘可提高固定強(qiáng)度。Takigawa等[13]在骨質(zhì)疏松條件下使用PMMA結(jié)合自行設(shè)計(jì)的螺釘也可顯著增強(qiáng)螺釘?shù)姆€(wěn)定性?？膳蛎涀倒葆?，由外部中空螺釘、可置入中空螺釘內(nèi)的內(nèi)栓和螺栓3部分組成，與分叉式髓內(nèi)釘相似，擰入內(nèi)栓可以使螺釘尾端膨脹，構(gòu)成倒刺狀，還增加了固定錨點(diǎn)和螺釘-骨界面，螺釘抗拔力明顯增加。Cook等[14]研究表明臨床上嚴(yán)重骨質(zhì)疏松患者應(yīng)用PMMA結(jié)合可膨脹椎弓根螺釘進(jìn)行固定是可行的。

3影響螺釘固定強(qiáng)度的外在因素

3.1 骨密度

目前研究發(fā)現(xiàn)骨密度反映了松質(zhì)骨單位體積內(nèi)骨的含量，也是影響松質(zhì)骨螺釘拔出力的重要因素，因?yàn)槁葆數(shù)妮S向拔出力主要來源于骨-釘之間的摩擦力，摩擦力越大，拔出力就越大，皮質(zhì)骨的固定強(qiáng)度大約是松質(zhì)骨的十倍以上。Halvorson等[15]用雙光子骨密度測(cè)定儀測(cè)定標(biāo)本椎體骨密度時(shí)發(fā)現(xiàn)正常骨密度組平均軸向拔出力較骨質(zhì)疏松組增大約1000 N，說明螺釘軸向拔出力與椎體骨密度呈正相關(guān)。這與Okuyama等[16]研究結(jié)果一致：當(dāng)BMD每降低10 mg/mL，螺釘最大拔出力約減少60 N。Lim等[17]在研究椎體的骨密度與誘發(fā)前路椎體螺釘疲勞松動(dòng)的加載循環(huán)次數(shù)關(guān)系時(shí)，表明骨密度與循環(huán)加載次數(shù)、置入扭力呈正相關(guān)。所以骨密度與螺釘拔出力、旋入/出力矩及疲勞穩(wěn)定性呈正相關(guān)性，骨密度越高，螺釘固定強(qiáng)度越大。

3.2 醫(yī)生手術(shù)操作技術(shù)及熟練程度

手術(shù)操作者的操作技術(shù)和熟練程度對(duì)內(nèi)固定術(shù)后螺釘?shù)姆€(wěn)定性至關(guān)重要，如釘?shù)罍?zhǔn)備、操作者是否反復(fù)改變釘?shù)兰胺磸?fù)取出擰入、置釘位置及方向以及在螺釘上反復(fù)撐開加壓等。George 等[18]比較了用鉆頭和定位探子兩種準(zhǔn)備孔道方法后椎弓根螺釘?shù)妮S向拔出力，統(tǒng)計(jì)學(xué)上無(wú)顯著性差異，但用鉆頭準(zhǔn)備孔道可能破壞椎弓根皮質(zhì)，降低螺釘固定強(qiáng)度。Polly等[9]發(fā)現(xiàn)將椎弓根釘擰出后重新擰入，其旋入扭力降低34%，Bret等[6]認(rèn)為術(shù)中調(diào)整螺釘旋出180°或360°不會(huì)降低其拔出力。內(nèi)固定術(shù)后螺釘?shù)姆€(wěn)定性與手術(shù)操作者置釘?shù)奈恢煤头较蛞灿休^大的關(guān)系。鄒霞等[19]研究發(fā)現(xiàn)螺釘拔出力與固定位置有關(guān)，進(jìn)釘點(diǎn)越靠近長(zhǎng)骨兩端的關(guān)節(jié)面一側(cè)，其固定強(qiáng)度就越大。國(guó)外學(xué)者Barber等[20]研究?jī)勺倒葆敵?0°角相向植入和平行植入進(jìn)行比較，前者的Fmax較后者平均增加28.6％，螺釘松動(dòng)前縱向載荷平均增加101％。

3.3 增強(qiáng)螺釘固定強(qiáng)度的強(qiáng)化材料

固定器械、材料以及操作技術(shù)的改進(jìn)最終依賴于被固定骨本身的強(qiáng)度，理想的措施應(yīng)是直接加強(qiáng)骨質(zhì)疏松骨基質(zhì)，提高骨-螺釘界面的強(qiáng)度。用聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）改善螺釘穩(wěn)定性的方法起初主要應(yīng)用于四肢和腫瘤外科，以后也被逐步用于脊柱外科的椎弓根螺釘固定。研究表明用PMMA強(qiáng)化后能顯著增加椎弓根螺釘在骨質(zhì)疏松椎體中的軸向拔出力，甚至超過皮質(zhì)骨的強(qiáng)度[21]。磷酸鈣骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）是一種新的骨替代物，凝固時(shí)不發(fā)熱，具有良好的生物安全性、生物相容性、骨傳導(dǎo)性和可吸收性，能由外向內(nèi)緩慢地生物降解，從而被正常的骨組織所替代來完成骨的重建。Renner等[22]研究表明用CPC強(qiáng)化椎弓根螺釘或前路椎體螺釘，顯著增加了螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度和彎曲剛度。其他常見的強(qiáng)化材料還有：羥基磷灰石骨水泥（hydroxyapatite cement，HAC）、碳酸磷灰石骨水泥（carbonated apatite cement，CBC）、碳酸鈣骨水泥（calcium apatite cement，CAC）、硫酸鈣骨水泥（calcium sulfate cement，CSC）、可吸收陶瓷Biobon、復(fù)合牛骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bovine bone morphogenetic protein，bBMP）的纖維蛋白膠（fibrin sealant，F(xiàn)S），實(shí)驗(yàn)表明使用這些材料強(qiáng)化螺釘均能增加螺釘－骨界面的剛度和固定強(qiáng)度，增強(qiáng)螺釘?shù)募纯谭€(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[15， 23]亦有使用骨條、骨屑或顆粒骨修復(fù)強(qiáng)化釘?shù)?，也能增?qiáng)螺釘?shù)陌纬隽Α?/p>

4 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)螺釘?shù)淖陨硪蛩嘏c螺釘固定強(qiáng)度的相關(guān)性研究較多，螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)改進(jìn)漸趨完善，螺釘進(jìn)釘技術(shù)日臻成熟，但是對(duì)內(nèi)固定器械的疲勞性研究很少，不同試驗(yàn)研究的預(yù)負(fù)荷、頻率、周期性負(fù)荷次數(shù)均不統(tǒng)一，有待進(jìn)一步規(guī)范和完善。對(duì)于外在因素，如骨質(zhì)疏松導(dǎo)致的螺釘固定失效，目前的研究較多集中在增強(qiáng)螺釘固定強(qiáng)度的生物強(qiáng)化材料上，生物相容性好、可吸收降解、促成骨作用強(qiáng)的新型材料越來越多。隨著動(dòng)物體內(nèi)試驗(yàn)的進(jìn)一步研究，生物強(qiáng)化材料及其使用方法會(huì)得到更充分的證實(shí)，臨床上的應(yīng)用前景也會(huì)更加寬廣。

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（收稿日期：2012-02-17）