骨質(zhì)疏松椎體中二穩(wěn)次定置性釘?shù)臈l生件物下力骨學(xué)水研泥究劑*量與椎弓根螺釘

李浩 蔡?hào)|嶺 歐志聰 褚學(xué)遠(yuǎn) 韓樁汛 郭偉俊 徐秋研 祝誠(chéng)華 陳曉峰

（廣州市番禺區(qū)中醫(yī)院骨傷三科，廣州 511400）

腰椎退變引起的腰腿痛已經(jīng)成為影響人們生活最常見(jiàn)的疾病之一，流行病學(xué)調(diào)查表明95%以上的人一生中會(huì)經(jīng)歷一次腰腿痛，目前融合內(nèi)固定仍是主要的治療方法。椎弓根螺釘可以在椎間融合過(guò)程中提供穩(wěn)定作用[1]，但由于此類(lèi)患者大多年齡較大，普遍存在骨質(zhì)疏松，會(huì)有椎弓根螺釘松動(dòng)甚至拔出的風(fēng)險(xiǎn)[2]。針對(duì)此類(lèi)并發(fā)癥，臨床上會(huì)采取不同方法來(lái)增加螺釘?shù)姆€(wěn)定性，如：椎體內(nèi)植骨[3]、磷酸鈣材料[4]、選用可膨脹螺釘或可注射骨水泥螺釘[5]等，而使用骨水泥（polymethylmethacrylate，PMMA）對(duì)釘?shù)肋M(jìn)行強(qiáng)化則是最常見(jiàn)的手段[6]。

在實(shí)際手術(shù)過(guò)程中，由于高齡患者常常合并脊柱后凸、側(cè)凸等畸形，置釘難度明顯增加，通常需要對(duì)螺釘位置進(jìn)行一次甚至多次調(diào)整。調(diào)整螺釘會(huì)加劇椎弓根及椎體內(nèi)骨質(zhì)的丟失，導(dǎo)致螺釘把持力進(jìn)一步下降，因此，釘?shù)缽?qiáng)化往往不可避免[7]。既往研究表明，隨著PMMA 灌注量不斷增加，發(fā)生PMMA 滲漏、椎弓根骨折、神經(jīng)根激惹等并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加[8]。同時(shí)，螺釘調(diào)整會(huì)導(dǎo)致椎體內(nèi)骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，PMMA彌散情況及最佳注入劑量也與初次置釘時(shí)不同。目前關(guān)于二次甚至多次螺釘調(diào)整后PMMA 強(qiáng)化效果的研究較少，且沒(méi)有對(duì)注入劑量進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本研究通過(guò)對(duì)比初次及再次置釘后注射不同劑量PMMA，探索再次置釘后PMMA的最佳注射劑量。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本選取及準(zhǔn)備

選用30 個(gè)腰椎標(biāo)本，取自6 具新鮮尸體的脊柱（L1-L5，由南方醫(yī)科大學(xué)解剖學(xué)教研室提供）。所有標(biāo)本先通過(guò)X 線排除先天性畸形、骨折及腫瘤等病變。將60 側(cè)椎弓根隨機(jī)分為10 個(gè)實(shí)驗(yàn)組（A-J 組），A-E為初次置釘組，F(xiàn)-J為二次置釘組。A-E組一次置釘后取出螺釘，F(xiàn)-J 組兩次置釘后取出螺釘，分別經(jīng)釘?shù)老蜃刁w內(nèi)注入1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 ml PMMA。再應(yīng)用雙能X 線吸收骨密度儀（Lunar Prodigy，GE，USA）測(cè)量A-J 組的骨密度（bone mineral density，BMD），分別為0.51±0.07、0.49±0.08、0.52±0.04、0.52±0.01、0.48±0.09、0.51±0.02、0.55±0.04、0.57±0.09、0.58±0.01、0.53±0.04（單位：g/cm2），T 值均小于-3.5，符合重度骨質(zhì)疏松診斷，A-J組間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。仔細(xì)切除標(biāo)本附著肌肉、骨膜、椎間盤(pán)、椎間關(guān)節(jié)及韌帶組織，制成30 個(gè)游離的單個(gè)腰椎標(biāo)本，于-20°C 條件下儲(chǔ)存；在測(cè)試前12小時(shí)取出，在室溫下自然解凍至常溫狀態(tài)。該研究經(jīng)我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用椎弓根螺釘均為普通椎弓根螺釘（UPASS）長(zhǎng)度45.0 mm，直徑6.5 mm，由山東樞法模-威高骨科醫(yī)療器械公司制作，共60 枚，由Ti-6Al4V鈦合金材料制成。釘?shù)缽?qiáng)化材料為PMMA，由意大利Tecres公司提供，包括粉劑（每包20.0 g）和水劑（每支10.0 ml）。配套絲攻、持釘器等器械及灌注PMMA 專用的推桿裝置一套（沒(méi)桿1 ml），由Medtronic 公司提供。

1.3 置釘及強(qiáng)化操作

初次置釘組：采用“人字嵴”頂點(diǎn)法確定進(jìn)釘點(diǎn)，開(kāi)口器打孔后，以棘突為中線取15°～30°外展角，以椎體上終板為水平面取30°頭傾角為方向，使用直徑3.5 mm 的開(kāi)路錐沿椎弓根緩慢旋入制備釘?shù)?，深度約45 mm，探查釘?shù)劳暾?，使用直?.0 mm 的絲錐進(jìn)行攻絲，將螺釘緩慢沿制備釘?shù)佬胨少|(zhì)骨標(biāo)本中，直至釘頭接觸椎體骨面（圖1A）。隨后小心擰出螺釘，分別向釘?shù)纼?nèi)注入1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 ml PMMA，每個(gè)劑量各6 個(gè)椎弓根，依次標(biāo)記為A-E 組，將粉劑和水劑嚴(yán)格按照2∶1 的比例充分?jǐn)嚢杈鶆颍罰MMA 呈牙膏狀時(shí)勻速注入椎體內(nèi)，擰入螺釘（圖1C）。

圖1 置釘及強(qiáng)化操作

二次置釘組：初次置釘步驟同前，擰出螺釘后，在相同進(jìn)釘點(diǎn)以棘突為中線取15°～30°外展角，以椎體上終板為水平面取0°頭傾角為方向，使用直徑3.5 mm的手鉆沿椎弓根重新制備釘?shù)?，深度約45 mm，探查釘?shù)劳暾?，使用直?.0 mm的絲錐進(jìn)行攻絲，將螺釘緩慢沿制備釘?shù)佬胨少|(zhì)骨標(biāo)本中，直至釘頭接觸椎體骨面（圖1B），強(qiáng)化過(guò)程同初次置釘，每個(gè)劑量各6個(gè)椎弓根，依次標(biāo)記為F-J組（圖1D）。

1.4 觀察指標(biāo)

影像學(xué)觀察：強(qiáng)化完成后，室溫靜置24 h。待PMMA 完全固化，行X 射線機(jī)軸位及側(cè)位攝片（SIEMENS公司）。

周期抗屈實(shí)驗(yàn)：牙托粉固定后安裝于MTS 858（MTS System,Minneapolis，MN，USA）力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)的夾具內(nèi)，將負(fù)荷垂直于螺釘縱軸施加在螺釘尾部，開(kāi)始時(shí)負(fù)荷從0增加到25 N，再減至0，反復(fù)100次。然后調(diào)整負(fù)荷范圍為0～50 N，0～75 N……直至0～200 N，各負(fù)荷段均100 次。共800 個(gè)周期的遞增負(fù)荷。用特殊測(cè)量?jī)x記錄螺釘尾的位移。如果在最大負(fù)荷200 N、周期800 次以前出現(xiàn)螺釘松動(dòng)（規(guī)定為位移＞1.0 mm），則記錄該時(shí)刻的最大負(fù)荷。如螺釘未松動(dòng)，則記錄完成試驗(yàn)后螺釘尾的位移。實(shí)驗(yàn)機(jī)的載荷信號(hào)由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，并由相應(yīng)的測(cè)試軟件計(jì)算出螺釘?shù)闹芷诳骨畲筘?fù)荷（the maximum periodic bending resistance strength，F(xiàn)max）。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)，F(xiàn)max和PMMA 劑量之間進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 影像學(xué)觀察

二次置釘后側(cè)位X 線檢查可見(jiàn)原釘?shù)拦敲芏容^周?chē)韵陆?；軸位X線檢查可見(jiàn)各組PMMA均較密集地分布于螺釘尾部周?chē)墓琴|(zhì)中，無(wú)一例出現(xiàn)PMMA滲漏（圖1C-1E）。

2.2 周期抗屈實(shí)驗(yàn)

A-J 組螺釘在200 N 負(fù)荷內(nèi)均出現(xiàn)位移，松動(dòng)率為100%。初次置釘和二次置釘時(shí)，注入不同骨水泥劑量的Fmax見(jiàn)表1。相同注射劑量時(shí)，二次置釘組Fmax均小于初次置釘組，除1 ml 組（P=0.023）和1.5 ml 組（P=0.043）外，其他注射劑量時(shí)，初次置釘與二次置釘組間均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。初次置釘?shù)腁-E組中，C組與D組（P=0.318）、D組與E組（P=0.146）、C組與E 組（P=0.341）間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其余各組間均有顯著差異。二次置釘?shù)腇-J組中，除I組與J組間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外（P=0.642），其余各組間均有顯著差異（表2）。初次置釘與二次置釘時(shí)Fmax與PMMA 劑量均呈正相關(guān)（圖2），Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.662和0.686（P＜0.05）。

表1 初次、二次置釘時(shí)注射不同劑量骨水泥時(shí)螺釘?shù)闹芷诳骨畲筝d荷比較（，N）

表1 初次、二次置釘時(shí)注射不同劑量骨水泥時(shí)螺釘?shù)闹芷诳骨畲筝d荷比較（，N）

表2 初次置釘與二次置釘時(shí)不同骨水泥注射劑量組之間Fmax的配對(duì)t檢驗(yàn)

圖2 初次置釘組（A）與二次置釘組（B）PMMA劑量與Fmax的相關(guān)性分析

3 討論

經(jīng)椎弓根螺釘固定廣泛應(yīng)用于治療脊柱退行性疾病、不穩(wěn)定骨折、脊柱畸形和腫瘤等[3-5]。然而，骨質(zhì)疏松癥嚴(yán)重影響了螺釘與骨界面的結(jié)合強(qiáng)度，降低了螺釘?shù)膴A持強(qiáng)度，常導(dǎo)致螺釘松動(dòng)、移位或退釘。嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松癥增加了對(duì)椎弓根螺釘固定強(qiáng)度的需要[9]，長(zhǎng)期以來(lái)一直是脊柱內(nèi)固定的禁忌證之一[10-13]。Pfeifer等[7]研究發(fā)現(xiàn)，為了有效地提高椎弓根螺釘?shù)姆€(wěn)定性，可以使用PMMA 來(lái)增強(qiáng)固定強(qiáng)度[15-18]。然而，目前關(guān)于二次置釘后PMMA釘?shù)缽?qiáng)化效果的文獻(xiàn)較少，沒(méi)有評(píng)估骨質(zhì)疏松患者在二次置釘條件下椎弓根螺釘穩(wěn)定性與PMMA 體積的關(guān)系。眾所周知，造成椎弓根螺釘松動(dòng)、拔出的因素除了軸向拔出力外，還有反復(fù)作用于椎弓根螺釘?shù)那?，因此本研究采用周期抗屈試?yàn)來(lái)探索二次置釘條件下PMMA強(qiáng)化的特點(diǎn)及注射的最佳劑量。

本實(shí)驗(yàn)選擇實(shí)際手術(shù)操作過(guò)程的方法來(lái)建立二次置釘模型，為避免螺釘位置及深度不同影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中均采用標(biāo)準(zhǔn)方法置釘，通過(guò)X 線確保螺釘在椎弓根內(nèi)且與椎弓根皮質(zhì)無(wú)明顯接觸。從側(cè)位X線可見(jiàn)更改椎弓根螺釘方向后，原釘?shù)纼?nèi)骨密度下降，提示椎體內(nèi)骨松質(zhì)丟失。而椎弓根螺釘內(nèi)固定的穩(wěn)定性取決于骨-螺釘界面的生物力學(xué)特性，隨著骨松質(zhì)的減少，椎弓根螺釘發(fā)生松動(dòng)、拔出，內(nèi)固定失敗的風(fēng)險(xiǎn)逐漸增加。Aycan等通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，可膨脹螺釘?shù)目拱纬隽ψ畹停琍MMA強(qiáng)化后的普通螺釘次之，可注射骨水泥螺釘最高，但后兩者之間無(wú)明顯差異[19]。Liu 等認(rèn)為使用可注射空心椎弓根螺釘時(shí)，PMMA越靠近椎弓根，螺釘穩(wěn)定性越高，但滲漏風(fēng)險(xiǎn)亦越大[20]。

相比可膨脹螺釘，PMMA 在臨床中的應(yīng)用更廣泛，且有研究表明兩種螺釘?shù)目拱纬鰪?qiáng)度接近[19,21]。Paré 等通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骨水泥注射劑量為1.5 ml、2.0 ml和2.5 ml時(shí)，螺釘?shù)陌殉至Ψ謩e增加264%、221%和198%，且均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但繼續(xù)增加水泥體積并不會(huì)顯著提高抗拔強(qiáng)度，建議避免過(guò)量使用，以降低水泥毒性、熱損傷和滲漏的風(fēng)險(xiǎn)[22,23]。根據(jù)既往研究結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)將注射劑量設(shè)置在3.0 ml 以內(nèi)。結(jié)果顯示，在最大負(fù)荷為200 N的初次置釘組及二次置釘組中的Fmax與骨水泥劑量均呈正相關(guān)關(guān)系，相同劑量情況下，二次置釘組Fmax均小于初次置釘組，除1 ml組（P=0.023）及1.5 ml組（P=0.043）外，均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。初次置釘時(shí)，2.0 ml、2.5 ml、3.0 ml組之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；二次置釘時(shí)，各個(gè)劑量組之間，2.5 ml組和3.0 ml組之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。因此我們認(rèn)為，初次置釘時(shí)注射PMMA 2.0 ml 即可獲得滿意的周期抗屈能力，而二次置釘時(shí)需要注射2.5 ml骨水泥。初次置釘組結(jié)果與國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究類(lèi)似，劉達(dá)等[24]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在1～3 ml的PMMA用量時(shí)，螺釘?shù)陌殉至μ嵘容^大，當(dāng)注射劑量為1.5 ml 時(shí)，螺釘可獲得有效的穩(wěn)定性，劑量繼續(xù)增大時(shí)，把持力增長(zhǎng)幅度減緩，并可能逐漸趨向于一個(gè)固定值。Tan 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)亦發(fā)現(xiàn)對(duì)于普通椎弓根螺釘，PMMA劑量達(dá)到1.5 ml即可獲得良好的穩(wěn)定性，而劑量增加后滲漏風(fēng)險(xiǎn)亦隨之增加[25,26]。二次置釘組的結(jié)果提示由于二次置釘導(dǎo)致骨質(zhì)進(jìn)一步丟失，釘?shù)乐車(chē)障对龃?，因此需要更大劑量的骨水泥進(jìn)行填充。

本研究存在的一定的局限性。第一，本研究采用的是靜態(tài)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，而臨床中患者的年齡、體重、活動(dòng)量等多種因素可能對(duì)Fmax產(chǎn)生不同的影響；第二，本實(shí)驗(yàn)未單獨(dú)對(duì)骨水泥的彌散特點(diǎn)進(jìn)行分析，不同的彌散分布可能對(duì)螺釘?shù)陌殉至Ξa(chǎn)生影響。因此在下一步實(shí)驗(yàn)中，還需要納入更多的因素進(jìn)行有限元分析，進(jìn)一步探索二次置釘后骨水泥的強(qiáng)化特點(diǎn)、彌散分布特點(diǎn)及最佳注射劑量。

本研究初步探討了不同置釘條件下骨水泥注射劑量與最大周期抗屈載荷間的關(guān)系，認(rèn)為初次置釘時(shí)最佳注射劑量為2 ml，二次置釘時(shí)為2.5 ml。這一結(jié)果可對(duì)臨床工作有一定的提示作用，也可為將來(lái)對(duì)二次甚至多次置釘時(shí)螺釘固定強(qiáng)度的研究提供一部分的生物力學(xué)數(shù)據(jù)。