骨質(zhì)疏松椎弓根螺釘治療的生物力學(xué)進(jìn)展*

楊文悅，劉肖珩，沈陽(yáng)，曾燁，陳宇△，蔣文濤

(1. 四川大學(xué)生物力學(xué)工程省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2. 四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院，成都 610041)

1 引 言

骨質(zhì)疏松癥是一種以骨密度和骨質(zhì)量下降，骨微結(jié)構(gòu)破壞為特征的全身性骨病。患者在輕微暴力作用下即可發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折，在骨折類(lèi)型中椎體骨折所占比例最高，2020年我國(guó)骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折患者每年新增近150萬(wàn)[1]。目前，椎弓根螺釘固定方法已廣泛運(yùn)用于正常骨骨折的治療。但由于疏松骨的力學(xué)性能降低，一般的固定方法無(wú)法提供足夠的穩(wěn)定性，引發(fā)許多并發(fā)癥，因此需要改進(jìn)椎弓根螺釘。本研究對(duì)近五年有關(guān)新型骨質(zhì)疏松椎弓根螺釘?shù)纳锪W(xué)性能的文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，通過(guò)對(duì)比不同增強(qiáng)方式下螺釘?shù)牧W(xué)性能，從而對(duì)臨床骨質(zhì)疏松椎弓根螺釘?shù)倪x擇提供幫助。

2 骨質(zhì)疏松椎弓根螺釘治療背景

骨質(zhì)疏松骨的力學(xué)性能改變使骨質(zhì)疏松骨的骨折比健康骨的骨折更復(fù)雜[2]。椎弓根螺釘?shù)墓潭芰υ诠琴|(zhì)疏松骨中明顯降低[3]，為此需要更有效的固定方式以提高骨的初步穩(wěn)定性。同時(shí)，由于骨質(zhì)疏松性骨的松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨力學(xué)性能降低，螺釘松動(dòng)以及螺釘周?chē)钦凼瞧涑Ｒ?jiàn)并發(fā)癥。所以對(duì)于骨質(zhì)疏松骨來(lái)說(shuō)，螺釘需要能夠承受松動(dòng)，或者以其他方式加固防止骨折固定的失敗。目前主要有添加骨水泥、改變螺釘軌跡、改變螺釘尺寸等方法進(jìn)行加固。本研究系統(tǒng)總結(jié)不同增強(qiáng)方式下螺釘?shù)牧W(xué)性能。

不同類(lèi)型的椎弓根螺釘生物力學(xué)性能主要通過(guò)軸向拉拔試驗(yàn)，扭矩試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)進(jìn)行比較。軸向拉拔試驗(yàn)中測(cè)得的最大抗拔強(qiáng)度和破壞能，在實(shí)際中椎弓根螺釘?shù)陌纬鰮p傷表現(xiàn)為椎弓根或近端椎弓根骨折。扭矩試驗(yàn)所測(cè)的螺釘最大扭矩表現(xiàn)為椎弓根螺釘在體內(nèi)的固定強(qiáng)度。疲勞試驗(yàn)主要分為周期抗彎試驗(yàn)和壓縮疲勞試驗(yàn)等，其測(cè)定結(jié)果表示椎弓根螺釘在疏松骨內(nèi)部的穩(wěn)定性。

3 骨質(zhì)疏松不同類(lèi)型加固椎弓根螺釘?shù)纳锪W(xué)性能比較

3.1 不同軌跡椎弓根螺釘

傳統(tǒng)軌跡(traditionaltrajectory, TT)椎弓根螺釘植入軌跡是由外向內(nèi)，通過(guò)椎弓根軸，而皮質(zhì)骨軌跡(cortical bone trajectory, CBT)螺釘是內(nèi)向外的軌跡，見(jiàn)圖1。

圖1 (a).TT螺釘；(b).CBT螺釘

將CBT螺釘與TT螺釘進(jìn)行插入扭矩測(cè)量、疲勞試驗(yàn)和拔出試驗(yàn)來(lái)評(píng)估其力學(xué)性能。軸向拔出試驗(yàn)以5 mm/min的速率進(jìn)行，記錄其失效載荷。循環(huán)疲勞試驗(yàn)通過(guò)施加正弦循環(huán)(1Hz)力來(lái)進(jìn)行，壓縮施加的力每500個(gè)循環(huán)增加25 N，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)力傳感器的尾端位移超過(guò)5 mm時(shí)，試驗(yàn)停止，記錄其循環(huán)次數(shù)與失效載荷。試驗(yàn)結(jié)果表明，CBT螺釘?shù)牟迦肱ぞ?、拔出載荷和疲勞性能均優(yōu)于TT螺釘[4]。通過(guò)軸向拉拔分析來(lái)評(píng)估疲勞載荷下CBT螺釘與TT螺釘?shù)纳锪W(xué)性能。該試驗(yàn)通過(guò)50 000個(gè)循環(huán)(25 000個(gè)屈伸，15000個(gè)橫向彎曲和10 000個(gè)軸向旋轉(zhuǎn))進(jìn)行疲勞測(cè)試，然后進(jìn)行拉伸至失效。其中CBT螺釘?shù)某叽鐬?.0 mm×45 mm和7.0 mm×45 mm，TT螺釘?shù)某叽鐬?.35 mm×30/35 mm和5.0 mm×30 /35 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，盡管直徑和長(zhǎng)度較小，但CBT螺釘所導(dǎo)致的失效與較大的TT螺釘相比無(wú)明顯差異[5]。將兩種不同插入長(zhǎng)度的椎弓根螺釘：?jiǎn)纹べ|(zhì)螺釘(深度40 mm)和雙皮質(zhì)螺釘(深度55/60 mm)。按以下三種不同的軌跡插入：直行(平行于上終板)，頭側(cè)(朝向前上角)，尾側(cè)(朝向前下角)。測(cè)量最大插入扭矩和拔出強(qiáng)度。結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于骨質(zhì)疏松性腰椎椎體，在尾側(cè)路徑使用雙皮質(zhì)椎弓根螺釘可能是改善固定效果的最佳選擇[6]。

上述試驗(yàn)表明，在力學(xué)性能方面CBT螺釘比TT螺釘擁有更好的固定效果。這是由于CBT螺釘是內(nèi)向外的軌跡，插入疏松椎體骨后其螺紋能夠最大限度地接觸高密度皮質(zhì)骨，從而增大螺釘與疏松骨之間的阻力，能夠有效減少螺釘松動(dòng)等并發(fā)癥。雙皮質(zhì)椎弓根螺釘固定性比單皮質(zhì)螺釘強(qiáng)的主要原因是雙皮質(zhì)螺釘插入更深，螺釘螺紋與疏松骨接觸面積增大，產(chǎn)生更大的切應(yīng)力，從而達(dá)到更好的固定效果。

3.2 膨脹椎弓根螺釘

等尺寸膨脹椎弓根螺釘(expansive pedicle screw, EPS)與常規(guī)椎弓根螺釘(conventional pedicle screw, CPS)分別植入十塊骨質(zhì)疏松性人工合成骨中，并進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)。該試驗(yàn)以5 mm/min的恒定速度逐漸向螺釘頭部施加拉伸載荷，直到螺釘從試塊中拔出, 得到載荷-位移曲線并定義了兩個(gè)輸出參數(shù)：最大抗拔強(qiáng)度(Fmax，荷載-位移曲線中的拐點(diǎn))和破壞能(E，荷載-位移曲線下的面積)。試驗(yàn)證明了EPS組螺釘穩(wěn)定性顯著高于CPS組[7]。

EPS的固定性比CPS強(qiáng)的原因是與CPS相比， EPS有兩大主要部件：空心外管螺釘和內(nèi)置圓柱螺釘膨脹器。膨脹后，螺釘?shù)那叭种糠种睆皆龃?，從而加?qiáng)對(duì)螺釘周?chē)氖杷晒堑膲毫?，同時(shí)利用楔形斜度加大螺釘與疏松骨之間的摩擦力,增強(qiáng)固定效果。

3.3 骨水泥增強(qiáng)椎弓根螺釘

骨水泥增強(qiáng)型椎弓根螺釘(polymethylmethacrylate-augmented pedicle screw , PMMA-PS)是將骨水泥注入疏松骨并且插入椎弓根螺釘。將PMMA-PS與非增強(qiáng)椎弓根螺釘插入骨質(zhì)疏松椎骨中進(jìn)行疲勞載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)證明PMMA-PS的穩(wěn)定性顯著高于非增強(qiáng)椎弓根螺釘[8]。PMMA-PS與非增強(qiáng)椎弓根螺釘插入骨質(zhì)疏松椎骨中進(jìn)行軸向拔出試驗(yàn)。拉拔結(jié)果證明了PMMA-PS的優(yōu)越性[9]。等尺寸PMMA-PS與EPS分別植入十塊骨質(zhì)疏松性人工合成骨中，并進(jìn)行了軸向拉拔試驗(yàn)。該試驗(yàn)得到了載荷-位移曲線并定義了兩個(gè)輸出參數(shù)：最大抗拔強(qiáng)度和破壞能。結(jié)果證明了PMMA-PS組螺釘穩(wěn)定性顯著高于EPS組[7]。通過(guò)對(duì)骨質(zhì)疏松和嚴(yán)重骨質(zhì)疏松人工骨塊注射不同體積的骨水泥，比較不同體積PMMA-PS的穩(wěn)定性。插入螺釘后進(jìn)行軸向拉拔試驗(yàn)，記錄最大值Fmax。結(jié)果顯示，隨著注射骨水泥的體積從0 mL增加，螺釘?shù)姆€(wěn)定性同步增加。由于過(guò)多骨水泥會(huì)增加其滲漏風(fēng)險(xiǎn)，在該研究中，注射3 mL和4 mL PMMA是骨質(zhì)疏松癥和嚴(yán)重骨質(zhì)疏松癥的首選治療方法[10]。

通過(guò)拉拔、周期性抗彎和壓縮疲勞試驗(yàn)，對(duì)不同骨水泥充填量(25%、50%、75%、100%)的椎弓根螺釘內(nèi)固定的生物力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。拉拔實(shí)驗(yàn)以5 mm/min的速度進(jìn)行軸向牽引，以突然下降(拔出強(qiáng)度)或拔出損傷時(shí)的強(qiáng)度作為拔出或松動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)。周期性抗彎試驗(yàn)：載荷沿長(zhǎng)軸的垂直方向施加在螺旋尾上。負(fù)載先由0增至25 N，然后降至0 N，循環(huán)重復(fù)100次。使用0～50 N、0～75 N直到0～300 N各負(fù)載100次。共1 200次記錄最大載荷與螺釘頭的位移。壓縮疲勞試驗(yàn)：連續(xù)加載200 N循環(huán)1200次觀察松動(dòng)狀態(tài)，記錄松動(dòng)引起的位移。試驗(yàn)結(jié)果表明骨水泥的最佳充填量為軌跡體積的75%[11]。

進(jìn)行不同側(cè)孔不同體積骨水泥增強(qiáng)可注射空心椎弓根螺釘(cement-injectable cannulated pedicle screws ,CICPS)的生物力學(xué)比較。將骨質(zhì)疏松椎體分為三組：A組由帶四個(gè)180°側(cè)孔的CICPS組成，B組由6個(gè)180°側(cè)孔的CICPS組成，C組采用CPS，見(jiàn)圖2。進(jìn)行軸向拔出試驗(yàn)記錄最大值Fmax[12]。

圖2 A、B、C螺釘示意圖[12]

可以看出，螺釘穩(wěn)定性與骨水泥的分布方式和注射量顯著相關(guān)。骨水泥離椎弓根越近，注射量越大，CICPS穩(wěn)定性越好。通過(guò)帶四個(gè)180°側(cè)方孔的螺釘注射2.0 mL骨水泥或通過(guò)帶六個(gè)180°側(cè)方孔的螺釘注射1.0 mL骨水泥可增加椎弓根螺釘?shù)姆€(wěn)定性。

PMMA-PS擁有比CPS更好的穩(wěn)定性，是由于將骨水泥注入疏松骨中有效加強(qiáng)了周?chē)杷晒堑墓敲芏龋瑫r(shí)插入椎弓根螺釘后骨水泥會(huì)緊緊包裹住螺釘，使螺釘與疏松骨緊密結(jié)合，改善了骨螺釘?shù)慕缑妗ＥcCPS相比，PMMA-PS改善了螺釘周?chē)拿芏龋瑥母淖兪杷晒堑纳锪W(xué)屬性方面增強(qiáng)椎弓根螺釘?shù)墓潭ㄐЧ?/p>

PMMA-PS比EPS擁有更好的固定效果。這可能與其不同的穩(wěn)定性機(jī)制有關(guān)。EPS的穩(wěn)定性主要是通過(guò)螺釘前部的膨脹和壓縮來(lái)提高的，而PMMA-PS則是通過(guò)螺釘通道周?chē)撬嗟南鄬?duì)均勻分布，增加螺釘?shù)目傊睆揭约奥葆斉c周?chē)堑慕佑|面積來(lái)提高的螺釘拔出過(guò)程中螺釘與疏松骨之間的摩擦。

對(duì)于PMMA-PS來(lái)說(shuō)，在一定范圍內(nèi)，隨著注射骨水泥體積的增加，疏松骨的骨密度以及螺釘與周?chē)铣晒堑慕佑|面積均逐漸增大。對(duì)此，文獻(xiàn)[10-11]得出了相似的結(jié)論，但文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)結(jié)果中，骨水泥注射量達(dá)到軌跡體積的75%為失效荷載峰值，文獻(xiàn)[10]的試驗(yàn)中卻是一直增加的趨勢(shì)，這與選擇不同的疏松骨材料、加載機(jī)制以及軌跡體積等有關(guān)。

CICPS通過(guò)側(cè)孔注射骨水泥，可以達(dá)到骨水泥最佳填充量，并且使得骨水泥在疏松骨中分布更均勻。臨床試驗(yàn)[13-15]也證明了CICPS可以提供更好的植入物穩(wěn)定性，并且松動(dòng)率很低，是治療骨質(zhì)疏松相關(guān)性椎體骨折的一種有效且安全的手術(shù)技術(shù)。

3.4 注入新型材料的骨水泥椎弓根螺釘

將磷酸鈣納米復(fù)合材料(calcium phosphate-based nanocomposite,CPN)增強(qiáng)型椎弓根螺釘與聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)增強(qiáng)型椎弓根螺釘插入骨質(zhì)疏松骨折椎骨后，測(cè)試其軸向拔出強(qiáng)度和最大扭矩[16]。

用機(jī)械試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了軸向拔出強(qiáng)度和最大扭矩。結(jié)果表明，CPN與PMMA相比，具有獨(dú)特的分散能力。CPN沿螺釘均勻?qū)ΨQ(chēng)分布，PMMA僅限于螺釘近端。雖然CPN是一種力學(xué)性能弱于PMMA的材料，但CPN在應(yīng)用于尸體椎體固定時(shí)，表現(xiàn)出與PMMA相似的生物力學(xué)特性。

CPN增強(qiáng)型椎弓根螺釘也是一種增強(qiáng)椎弓根螺釘固定強(qiáng)度的有效方法。CPN材料的力學(xué)性能雖然弱于PMMA，但是其獨(dú)特的分散能力增強(qiáng)了疏松骨骨密度的均勻性，使之擁有與PMMA相似的固定強(qiáng)度。這也為加固骨質(zhì)疏松椎弓根螺釘提供了一個(gè)新思路。

3.5 支架-螺釘輔助內(nèi)固定

一種新型治療嚴(yán)重骨質(zhì)疏松椎體骨折的微創(chuàng)增強(qiáng)技術(shù)，稱(chēng)為支架-螺釘輔助內(nèi)固定。該技術(shù)在支架擴(kuò)張和螺釘就位后，通過(guò)注入水泥實(shí)現(xiàn)椎體的最佳填充[17]。為了評(píng)價(jià)該技術(shù)的生物力學(xué)性能，建立了骨質(zhì)疏松性腰椎的有限元模型，模擬椎體成形術(shù)和支架-螺釘輔助內(nèi)固定術(shù)。模擬考慮日?；顒?dòng)(站立和屈曲)的情況，比較兩種技術(shù)在椎體上的應(yīng)變分布。其中站立模擬施加軸向壓縮力500 N，彎曲模擬施加軸向壓縮力1 175 N與椎體最上端力矩7.5 N·m。有限元模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，支架-螺釘輔助內(nèi)固定技術(shù)在生物力學(xué)上優(yōu)于椎體成形術(shù)，能顯著降低椎體上的應(yīng)變分布，從而在治療水平上降低再骨折風(fēng)險(xiǎn)[18]。

支架-螺釘輔助技術(shù)中內(nèi)固定支架為椎體提供很好的支撐力，防止可能的塌陷。骨水泥增強(qiáng)骨密度的同時(shí)，將支架-骨水泥-螺釘牢牢結(jié)合，顯著加強(qiáng)了疏松骨的固定強(qiáng)度。 并且在支架擴(kuò)張和螺釘就位之后注入水泥的方法也實(shí)現(xiàn)椎體的最佳填充。

4 總結(jié)

綜上所述，CBT螺釘比TT螺釘擁有更好的固定效果；雙皮質(zhì)椎弓根螺釘比單皮質(zhì)椎弓根螺釘擁有更好的固定效果；EST比CPS擁有更好的固定效果；PMMA-PS比CPS擁有更好的固定效果；PMMA-PS比EPS擁有更好的固定效果?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變螺釘軌跡、改用膨脹螺釘、增大插入深度、添加骨水泥等方法均可以增強(qiáng)椎弓根螺釘?shù)墓潭ㄐЧ?jiàn)表1。

表1 不同螺釘固定方式治療骨質(zhì)疏松椎體骨折的生物力學(xué)試驗(yàn)P值

5 展望

生物相容性一直是生物材料應(yīng)用于醫(yī)療的中心話題，在增強(qiáng)椎弓根螺釘固定強(qiáng)度的方法中，增強(qiáng)材料的生物相容性仍是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。CPN增強(qiáng)型椎弓根螺釘與PMMA增強(qiáng)型椎弓根螺釘具有相似的固定強(qiáng)度，但CNP比PMMA擁有更好的生物相容性，在骨生長(zhǎng)方面具有正面積極的生物作用。支架-螺釘輔助技術(shù)中內(nèi)固定支架也可以采取生物相容性材料，更適合在生物體內(nèi)吸收，促進(jìn)骨的生長(zhǎng)。在今后的研究中，生物材料加固可能會(huì)成為增強(qiáng)骨質(zhì)疏松椎弓根螺釘?shù)囊粋€(gè)新方向。