骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)的研究進展

潘偉李波* 簡月奎吳興林

綜述與講座

骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)的研究進展

潘偉1李波2* 簡月奎2吳興林2

目前，椎弓根螺釘固定技術(shù)由于其三柱穩(wěn)定固定而廣泛應(yīng)用于臨床，但患者一旦合并骨質(zhì)疏松，其內(nèi)固定失敗風(fēng)險將會大大增加。針對骨質(zhì)疏松椎體，骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)不僅操作簡單，安全性高，而且能夠為骨質(zhì)疏松性椎體提供穩(wěn)定持久固定，但同時其也存在設(shè)計不合理，骨水泥彌散不均，翻修困難，遠期療效不明確等缺點。本文就骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)的強化原理、力學(xué)特性和臨床應(yīng)用、骨水泥滲漏及優(yōu)缺點研究現(xiàn)狀作一綜述。

骨水泥；空心側(cè)孔螺釘；骨質(zhì)疏松；強化

椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)由于其經(jīng)過椎弓根進入椎體形成“三柱”穩(wěn)定固定，而被廣泛用于胸椎和腰椎手術(shù)中[1]。然而隨著人口老齡化的加劇，合并骨質(zhì)疏松疾病的老年患者越來越多，在骨質(zhì)疏松患者中，稀疏的骨小梁和破壞的骨組織會使周圍骨質(zhì)對椎弓根螺釘?shù)陌殉至ο陆?，從而增加螺釘松動風(fēng)險并導(dǎo)致手術(shù)失敗[2,3]。因此，對于骨質(zhì)疏松患者，如何提高椎弓根螺釘把持力成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的熱點。針對這一難題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的探索和研究，但都主要集中在改良螺釘設(shè)計[4]、改變置釘技術(shù)[5]和使用骨水泥進行強化等方面，前兩者如增加螺釘直徑、改變螺紋設(shè)計、預(yù)先攻絲、雙皮質(zhì)固定等一定程度上可增加螺釘?shù)姆€(wěn)定性，但同時也增加了椎弓根骨折的風(fēng)險[4]。骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)因其固定穩(wěn)定可靠，操作簡單等優(yōu)點，已經(jīng)成為目前臨床提高骨質(zhì)疏松椎體螺釘把持力的最常用、最有效方式之一。現(xiàn)就將骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)相關(guān)的原理、力學(xué)特性及優(yōu)缺點等研究進展作如下綜述。

1 強化原理

空心側(cè)孔螺釘是一種新型椎弓根螺釘，區(qū)別于傳統(tǒng)普通椎弓根螺釘，其特征之處在于螺釘內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，側(cè)邊有骨水泥灌注孔，并且可通過配套的骨水泥推桿等加壓將骨水泥灌注至特定位置從而達到對骨質(zhì)疏松椎體進行強化的目的 ，其不僅能夠很好的配合骨水泥的灌注，也能夠充分滿足術(shù)后骨質(zhì)疏松性椎體力學(xué)性能要求。國內(nèi)學(xué)者[6,7]研究認為空心側(cè)孔螺釘加強骨質(zhì)疏松性椎體主要通過以下兩個方面：首先，骨水泥通過推桿等加壓從螺釘側(cè)孔流入周圍骨質(zhì)間隙中，加強了螺釘周圍骨質(zhì)疏松性椎體骨質(zhì)，即提高了螺釘周圍骨質(zhì)密度。其次，當植入骨水泥后，骨水泥作為一種中間介質(zhì)，將螺釘和周圍骨質(zhì)堅強的錨定在一起，類似于樹根狀，螺釘、骨水泥、螺釘周圍骨質(zhì)兩兩緊密結(jié)合形成復(fù)合體，從而有效增加螺釘與周圍骨質(zhì)的粘附力。隆海濱等[8]通過對行骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定術(shù)后的尸體椎體標本進行三維重建顯示固化的骨水泥彌散于骨小梁中，形成了一個緊密的“螺釘-骨水泥-骨小梁”復(fù)合體，證明了骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘對骨質(zhì)疏松椎體固定的良好效果。并且，與普通螺釘固定后形成的單一的“螺釘-骨質(zhì)”界面相比，骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘還增加了“螺釘-骨水泥”和“骨水泥-骨質(zhì)”界面，這樣就使螺釘?shù)拈L期穩(wěn)定性不僅與"螺釘-骨質(zhì)"界面相關(guān)，還與“螺釘-骨水泥”和“骨水泥-骨質(zhì)”界面相關(guān)。不僅如此，Goldhahn等[9]通過對空心側(cè)孔螺釘?shù)倪M一步研究，觀察到術(shù)后椎體內(nèi)生長的骨小梁通過螺釘?shù)膫?cè)孔長入到了螺釘內(nèi)部，這樣就使螺釘與骨質(zhì)的緊密結(jié)合不僅局限在螺釘表明，還增加了螺釘內(nèi)部，即進行了二次強化。因此，即使對于重度骨質(zhì)疏松患者，骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘也能夠取得良好的效果。

2 力學(xué)特性及臨床應(yīng)用

近年來，越來越多的研究證實了骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘在骨質(zhì)疏松性椎體內(nèi)良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，因此，成為脊柱外科關(guān)注和研究的熱點。

Yazu等[10]比較了骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘和普通螺釘抗拔出力，發(fā)現(xiàn)與普通螺釘?shù)?58 N相比，空心側(cè)孔螺釘抗拔出力提高了147%，達到了637 N，能夠為骨質(zhì)疏松椎體提供滿意的穩(wěn)定的固定。BM Frankel SD等[11]研究表明應(yīng)用PMMA強化空心側(cè)孔螺釘固定骨質(zhì)疏松性椎體，可提高穩(wěn)定強度在119%～162%。馬江衛(wèi)等[12]通過對空心側(cè)孔螺釘與普通螺釘進行生物力學(xué)對比研究發(fā)現(xiàn)，42例骨質(zhì)疏松性椎體標本中，空心側(cè)孔螺釘最大軸向拔出力為10356 N，顯著高于對照組506 N（<0.05），最大旋出力矩較普通螺釘組的（0.448±0.205）Nom提高了176%（<0.05）至（1.340±0.377）Nom，并且空心側(cè)孔螺釘在周期抗屈實驗中也表現(xiàn)良好，普通螺釘在最大負荷介于50~200 N時開始松動，平均載荷為（104±35）N，而空心側(cè)孔螺釘僅有少量出現(xiàn)松動。這一結(jié)果與劉揚等[13]研究結(jié)果高度一致。對于骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)，將其與釘?shù)拦撬鄰娀倒葆敼潭夹g(shù)相比更具有參考意義，盡管兩者強化效果仍存在爭議，但國外有關(guān)學(xué)者[14]通過對兩者對比研究發(fā)現(xiàn)，兩者雖然都能夠很好地提高椎弓根螺釘?shù)目拱纬隽Γ趹?yīng)力方面，與對照組相比，空心側(cè)孔螺釘骨水泥強化組提高了27%，而釘?shù)拦撬鄰娀M降低7%。國內(nèi)學(xué)者郭文龍等[15]通過對老年骨質(zhì)疏松尸體標本進行椎弓根螺釘拔出實驗發(fā)現(xiàn)，與空白對照組相比，釘?shù)拦撬鄰娀M提高最大軸向拔出力61%，而空心側(cè)孔螺釘骨水泥強化組效果更佳，為91%。這也充分說明骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定穩(wěn)定，效果良好，能夠很好滿足骨質(zhì)疏松椎體機械性能要求。

目前，骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)因其良好的穩(wěn)定性及可靠性已被越來越多的脊柱外科醫(yī)師所接受并廣泛應(yīng)用于臨床。2007年，F(xiàn)ransen等[16]首次報道并采用骨水泥強化椎弓根螺釘固定技術(shù)治療腰椎退行性疾病，術(shù)后隨訪效果良好，從而引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者[17,18]通過對應(yīng)用骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)治療的患者進行隨訪，發(fā)現(xiàn)隨訪周期內(nèi)，椎體間融合率良好，螺釘均未出現(xiàn)斷裂、松動及滑移，且術(shù)后VAS評分較術(shù)前明顯降低，JOA評分等均較術(shù)前明顯改善（<0.01），臨床效果滿意，提示骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘能夠顯著增強骨質(zhì)疏松性椎體的穩(wěn)定性。杜蟠等[19]通過對空心側(cè)孔螺釘與傳統(tǒng)普通椎弓根螺釘對比研究發(fā)現(xiàn)，兩組骨密度、住院時間、術(shù)中出血量差異無統(tǒng)計學(xué)意義（均>0.05）,而手術(shù)時間空心側(cè)孔螺釘固定組較對照組略微延長，但進一步隨訪發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)普通椎弓根螺釘固定組1例患者出現(xiàn)螺釘松動，并引起了局部疼痛，因此相比傳統(tǒng)普通椎弓根螺釘，骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘不僅能夠較好的緩解疼痛，改善功能，提高患者生活質(zhì)量，還能明顯增強骨質(zhì)疏松性椎體的穩(wěn)定性，減少螺釘?shù)乃蓜印嗔训炔l(fā)癥。同時這也與國外學(xué)者Chang等[20]和Lubansu等[21]研究結(jié)論一致。但隨著對臨床患者隨訪時間的逐漸延長發(fā)現(xiàn)，骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘應(yīng)用于骨質(zhì)疏松椎體后可能會出現(xiàn)固定節(jié)段應(yīng)力集中并加快鄰近節(jié)段退變，從而導(dǎo)致脊柱不穩(wěn)和鄰近椎體骨折風(fēng)險增加等并發(fā)癥[22,23]。Baroud等[24]通過對骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘和普通螺釘對比研究，觀察到相較于普通椎弓根螺釘組，空心側(cè)孔螺釘固定組椎體變形指數(shù)和椎間隙高度等指標均明顯改變且大于對照組，分析原因是由于椎體內(nèi)填充了骨水泥，其椎體形態(tài)及剛度發(fā)生了改變，從而加速了鄰近節(jié)段退變。但即使如此，骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘對責任節(jié)段的固定效果肯定，仍然值得推廣應(yīng)用。

3 骨水泥滲漏

骨水泥滲漏是空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)的主要并發(fā)癥，目前，PMMA為臨床使用最廣泛的骨水泥材料，其一旦滲漏引起的不良后果主要包括[25-27]：骨水泥單體液毒性，進入血管可導(dǎo)致一過性低血壓，休克、心肌梗死、肺栓塞、猝死等并發(fā)癥；骨水泥滲漏入椎管壓迫神經(jīng)根、脊髓、馬尾神經(jīng)等導(dǎo)致患者術(shù)后截癱，感覺喪失；PMMA生物相容性差，不能被降解，不能誘導(dǎo)新骨形成，容易造成螺釘?shù)暮笃谒蓜?。國外學(xué)者[22]對比PMMA強化釘?shù)兰翱招膫?cè)孔螺釘發(fā)現(xiàn)：實心螺釘組骨水泥滲漏率為17.9%，滲漏入椎管發(fā)生率為11.7%；而空心側(cè)孔螺釘骨水泥滲漏率為13.6%，滲漏入椎管發(fā)生率為8%，兩組間無統(tǒng)計學(xué)差異。但部分學(xué)者認為相較于釘?shù)缽娀招膫?cè)孔螺釘能夠有效降低骨水泥滲漏風(fēng)險。Moon等[28]應(yīng)用骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定術(shù)治療37例骨質(zhì)疏松患者，其中2例發(fā)生滲漏，無椎管內(nèi)滲漏，滲漏率5.4%，并且術(shù)后分析認為滲漏與患者嚴重骨質(zhì)疏松相關(guān)。關(guān)于骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘降低骨水泥滲漏的原因，研究認為與螺釘側(cè)孔分布位置有關(guān)，螺釘植入椎體后，側(cè)孔分布離椎管越遠，PMMA滲漏風(fēng)險越低[29]。Hu等[22]應(yīng)用空心側(cè)孔螺釘對椎體椎弓根部進行強化發(fā)現(xiàn)骨水泥滲漏率高達40%。因此，螺釘遠端1/3是預(yù)防骨水泥滲漏的側(cè)孔分布安全區(qū)域。然而Hirno等[30]通過生物力學(xué)實驗研究發(fā)現(xiàn)，椎弓根螺釘?shù)目拱纬隽?0%由椎弓根部位提供，椎體部位提供的抗拔出力較小，這也充分說明臨床正使用的大部分空心側(cè)孔螺釘并未發(fā)揮最大強化作用。因此，在骨質(zhì)疏松椎體內(nèi)如何平衡骨水泥滲漏風(fēng)險和椎弓根螺釘?shù)姆€(wěn)定持久固定是脊柱外科醫(yī)師面臨的難題。

4 優(yōu)點與不足

對于骨質(zhì)疏松性椎體，空心側(cè)孔螺釘由于其創(chuàng)新的設(shè)計，因此相比釘?shù)拦撬鄰娀倒葆?，其?yōu)勢也更加明顯。首先，因其采用配套的骨水泥灌注裝置，容易掌握，具有更強的操作性。其次，較釘?shù)拦撬鄰娀?，骨水泥空心?cè)孔螺釘強化操作程序化，術(shù)中骨水泥灌注可操作時間延長，可控性強，能夠有效避免術(shù)中骨水泥滲漏風(fēng)險，提高手術(shù)安全性[31]。再次，采用骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘手術(shù)過程中，多枚螺釘骨水泥灌注可同時進行，不僅節(jié)約了骨水泥用量，同時也相對縮短了手術(shù)時間[17]。最后，與釘?shù)拦撬鄰娀倒葆斝纬傻摹肮琴|(zhì)-骨水泥”和“骨水泥-螺釘”界面相比，空心側(cè)孔螺釘還保留了部分“骨質(zhì)-螺釘”界面，增加了骨質(zhì)疏松椎體術(shù)后穩(wěn)定性，減少了松動風(fēng)險，更有利于椎弓根螺釘?shù)拈L期固定[32]。正因如此，骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)也受到越來越多的基礎(chǔ)和臨床學(xué)者關(guān)注。

然而隨著骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘在臨床上的廣泛的使用，許多學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了一些不足。首先，目前臨床使用的大部分空心側(cè)孔螺釘為“U”形固定頭設(shè)計，增大手術(shù)操作難度，且術(shù)中安裝鈦棒及旋釘過程中，會再次對骨水泥凝固后已經(jīng)形成的穩(wěn)定的“骨水泥-螺釘”結(jié)合界面形成破壞，降低強化效果，增加了椎弓根螺釘術(shù)后松動風(fēng)險[14]。其次，由于骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘后形成了牢固的骨質(zhì)-骨水泥-螺釘復(fù)合體，患者一旦發(fā)生內(nèi)固定失效，將面臨翻修困難，王慶偉等[33]通過骨質(zhì)疏松尸體椎體標本進行空心側(cè)孔螺釘和普通螺釘對比拔出實驗，觀察到空心側(cè)孔螺釘組最大軸向拔出力較普通螺釘?shù)模?35.191±98.102）N提高了87.5%至（1003.582±136.018）N，因此，骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定后的翻修術(shù)中，空心側(cè)孔螺釘將很難順利取出，即使強行取出，也將對患者椎體造成巨大破壞。最后，應(yīng)用骨水泥對空心側(cè)孔螺釘進行強化時，骨水泥主要從空心螺釘?shù)谝粋€側(cè)孔流出，而遠端側(cè)孔幾乎無骨水泥強化，導(dǎo)致骨水泥在椎體內(nèi)彌散分布不均勻，增加了骨水泥滲漏風(fēng)險[34]。因此臨床中如何能夠使骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)既能夠取得堅強固定，又能夠操作方便，減少骨水泥滲漏，尚需要進一步探索研究。吳劍維等[6]以安全性及生物力學(xué)穩(wěn)定性為評價指標設(shè)計了新型空心側(cè)孔椎弓根螺釘并在尸體椎體標本上進行試驗，發(fā)現(xiàn)側(cè)孔分布間距不同，螺釘提供的力學(xué)穩(wěn)定性不同，側(cè)孔間隔兩個螺紋者較間隔一個螺紋者能夠部分強化椎弓根，因而強化效果更優(yōu)。進一步研究還發(fā)現(xiàn)，側(cè)孔設(shè)計可控制骨水泥在椎體內(nèi)的分布，側(cè)孔直徑相同的空心螺釘骨水泥灌注后呈圓柱形分布，而側(cè)孔直徑不等的空心螺釘骨水泥灌注后呈圓錐形分布，拔出實驗表明：相較于側(cè)孔直徑相同組空心螺釘，側(cè)孔直徑不等組空心螺釘不僅能夠提供更好的力學(xué)強度，而且骨水泥滲漏風(fēng)險更低。目前，關(guān)于改良空心側(cè)孔螺釘設(shè)計的各種研究已正在進行之中。

5 展望

隨著椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的持續(xù)改進和發(fā)展，骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)因其操作簡單，安全性高，固定穩(wěn)定可靠等優(yōu)點為骨質(zhì)疏松患者脊柱內(nèi)固定提供了良好選擇。然而，空心側(cè)孔螺釘因其內(nèi)部中空，強化集中于椎體前部導(dǎo)致受力不均等因素使螺釘?shù)牧W(xué)分布及周期抗疲勞性發(fā)生了改變，目前尚缺乏與之相關(guān)研究。此外，如何通過改進椎弓根螺紋設(shè)計，螺釘側(cè)孔分布、螺釘直徑大小等使骨水泥強化空心側(cè)孔螺釘固定技術(shù)既能夠取得滿意的持久固定，又能有效減少骨水泥滲漏風(fēng)險，仍需要大量的基礎(chǔ)及臨床研究去探索。

另外，目前臨床常用的骨水泥強化椎弓根螺釘固定方式有兩種，即傳統(tǒng)釘?shù)拦撬鄰娀涂招膫?cè)孔螺釘骨水泥強化。這兩種方法各有特點，都能夠很好的滿足骨質(zhì)疏松性椎體的穩(wěn)定固定，但兩種方式對骨質(zhì)疏松性椎體的強化效果仍存爭議，兩者孰優(yōu)孰劣及二者在力學(xué)穩(wěn)定性方面的差異尚不明確。因此，不同年齡、不同程度骨質(zhì)疏松條件下，選用何種強化方式既能夠?qū)崿F(xiàn)持久穩(wěn)定固定，又能夠最大程度降低近遠期并發(fā)癥，如滲漏、鄰近節(jié)段退變等問題的發(fā)生，需要進一步研究。我們相信，隨著骨水泥強化椎弓根螺釘固定術(shù)的越來越廣泛使用，隨著對相關(guān)病例近遠期隨訪的完善，針對不同年齡、不同骨質(zhì)疏松條件，選擇合適的強化方式，將會使骨水泥強化椎弓根螺釘固定技術(shù)取得更好的臨床效果。

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The research progress of bone cement augmented fenestrated pedicle screw technique

Pan Wei1,Li Bo2,Jian Yuekui2,et al.1 Guizhou Medical University,Guiyang Guizhou,550004;2 Department of Orthopedics,Guizhou Provincial people's Hospital,Guiyang Guizhou,550002,China

Pedicle screw fixation technique is now widely used in clinic because of its three-columns stable fixation,but once the patients with osteoporosis,the risk of failure of fixation will be greatly increased.For the osteoporotic vertebral body,the technique of bone cement augmented fenestrated pedicle screw is not only convenient,safe,but also can provide stable and lasting fixed.However,italso hasunreasonable design,uneven dispersion of bone cement,renovation difficulties,far term efficacy is not clear and other shortcomings.This article will review research progress of bone cement augmented fenestrated pedicle screw technique,including the principle,the biomechanical analysis and clinical application,the bone cement leakage,the advantages and disadvantages.

Bone cement;Fenestrated pedicle screw;Osteoporosis;Augmentation

R681.5

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.03.016

swgk2016-12-00295

2016-12-22）

1貴州醫(yī)科大學(xué)，貴州貴陽550004；2貴州省人民醫(yī)院骨科，貴州貴陽550002

潘偉（1989-）男，碩士研究生在讀。研究方向：脊柱外科。

*[通訊作者]李波（1963-）男，主任醫(yī)師，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：脊柱外科。