椎弓根螺钉内固定系统生物力学研究进展

椎弓根螺钉内固定系统生物力学研究进展

齐明1，刘建1，李春树2

（1 内蒙古巴彦淖尔市医院骨科，巴彦淖尔 015000；2 大连医科大学附属第二医院骨科，大连 116027）

【关键词】椎弓根螺钉，生物力学

【中图分类号】R681.5 【文献标识码】 A 【文章编号】1009-0959（2009）03-0370-04

椎弓根螺钉固定是一种重要的脊柱稳定技术，1963年Roy-camille[1]第一次应用此技术治疗胸腰椎骨折并取得了成功。几十年来，随着脊柱外科技术和生物力学的发展，极大地促进了椎弓根螺钉内固定技术的临床应用，出现了许多新的椎弓根螺钉内固定系统。而新的内固定系统用于临床前需要进行全面的生物力学评价和测试，以了解该固定系统的生物力学性能，并为今后的研究设计提供一定的借鉴。内固定系统的生物力学评价已成为目前脊柱外科重要的研究内容，各国学者单独或借助脊柱模型，对相关的椎弓根螺钉内固定系统进行了许多的生物力学研究。内固定系统生物力学研究主要包括：强度研究、疲劳研究、稳定性研究及有限元研究，本文拟对这些研究结果进行以下综述。

1 强度研究

椎弓根螺钉的固定强度主要指骨—螺钉界面的结合强度及固定系统的屈服强度。

1.1 椎弓根螺钉的轴向拔出力

目前，研究者多用轴向拔出力评价椎弓根螺钉固定强度，因为轴向拔出力主要由螺钉和其周围的骨组织之间的剪切应力所决定，可以较好地反映骨—螺钉界面结合的初始强度。椎弓根螺钉的轴向拔出力受许多因素影响，包括：螺钉的自身结构、骨密度及置钉方法等。

1.1.1 椎弓根螺钉的自身结构，如直径、长度、杆形等均会影响螺钉轴向拔出力。Polly等[2]研究认为单纯增加螺钉长度不能明显增加固定强度,但如同时增加直径和长度,则两者会发生协同作用增加固定强度。Abshire等[3]及Inceoglu等[4]研究显示不同杆形的螺钉，固定的初始强度不同，圆锥形螺钉的拔出力比圆柱形螺钉的大。Lei等[5]比较4种螺钉的生物力学性能，结果表明，可膨胀螺钉的最大轴向拔出力显著大于其他三种螺钉；在翻修试验中，膨胀螺钉的最大拔出力也大于其他三种螺钉。Lill等[6]设计了一种新型螺钉，这种螺钉的内轴心有2个圆柱形区域，2个区域间是圆锥形的过渡区，外径为圆柱形，试验显示与常规的圆柱形螺钉相比，这种螺钉的拔出力较大，具有更好的锚定作用。

1.1.2 骨密度和置钉方法也影响椎弓根螺钉固定的强度。Halvorson等[7]研究骨密度与椎弓根螺钉固定强度之间关系，结果表明，正常骨质组平均轴向拔出力为(1540±361)N，骨质疏松组为(206±159)N；螺钉的轴向拔出力与骨密度有显著的相关性。对于骨质疏松的患者，骨水泥（PMMA）可提高螺钉的拔出力[8]，其他骨填充材料[9～11]如：羟磷灰石、磷酸钙骨水泥、硫酸钙骨水泥等也可提高螺钉的拔出力。Linhardt等[12]对两种不同的置钉方法进行评价，与常规置钉技术相比，计算机辅助电视透视下植入的椎弓根螺钉的抗拔出力较大，认为计算机辅助电视透视下置钉能增加螺钉的拔出力。对于安装螺钉前孔道攻丝是否影响拔出力的研究较少。有研究[13]显示骨质疏松的腰椎攻丝后能降低螺钉的拔出力，但攻丝对胸椎椎弓根螺钉的拔出力没有影响。Pfeiffer等[14]在合成材料上的研究也显示骨密度接近20 lb/ft3（相当于松质骨或骨质疏松的骨质）孔道攻丝后不能增加螺钉的拔出力，孔道攻丝后的螺钉拔出力低于未攻丝的螺钉。

1.1.3 椎弓根螺钉扭力矩是否可以反映椎弓根螺钉的固定强度，这一直是许多学者所关心的问题。有研究显示，椎弓根螺钉术中扭力矩的大小不能客观地反映术后螺钉的固定情况及临床结果的好坏。Okuyama等[15]观察62名椎弓根螺钉固定患者术中的扭力矩，平均随访

2.7年，发现术后螺钉松动的患者的扭力矩为(1.28±0.37)Nm，螺钉未松动的患者的螺钉扭力矩为(1.50±0.40)Nm，两者之间没有统计学意义。Ozawa等[16]为了确定老年患者椎弓根螺钉的术中扭力矩是否可以预测术后螺钉的固定强度及临床结果，记录了术中螺钉的扭力矩，随访2.8年，发现术中扭力矩与螺钉松动没有显著相关性，而且术中高扭力矩患者的临床结果与术中低扭力矩患者的临床结果没有区别。Mizuno 等[17]推测扭力矩可能与椎弓根螺钉早期的固定强度有关，但两者之间没有统计学意义。

2 疲劳研究

疲劳试验是人为的对试件施加一定量预负荷，在一定的频率下，周期性作用于内固定系统直至断裂。所需周期数表示系统在该负荷强度下的疲劳寿命。

Cunningham等[18]对植入聚乙烯柱的不同椎弓根螺钉内固定系统进行了评价。600N、5Hz条件下，纵棒固定系统的断裂平均周期数明显高于钢板系统。Stanford等[19]研究万向螺钉的疲劳特性，结果显示，在75％的极限负荷下，螺钉疲劳的周期数为42ⅹ103～4719ⅹ103；在静态和循环加载的情况，疲劳断裂多发生在万向螺钉的头部连接处。Fogel等[20]也得出了相似的结论，100N/s的条件下，万向螺钉的第一个疲劳点多为万向头与螺钉的连接部分。Lei 等[5]对可膨胀螺钉进行体外生物力学评价，结果显示，1500000次的循环负荷后，可膨胀螺钉没有断裂或弯曲；可膨胀螺钉与其他三种螺钉的抗疲劳性能相似。Akbay等[21]研究显示在胸椎上采用经关节突螺钉固定与椎弓根螺钉固定相比，刚性及疲劳负荷相似，认为在治疗胸椎损伤时，经关节突螺钉可以代替椎弓根螺钉。Luk等[22]研究两种双皮质骶椎椎弓根螺钉固定效果：一是向上穿过S1终板，二是向前内穿过S1的前皮质，结果显示，20 000次循

环负荷后，与穿过S1前皮质的固定方法相比，穿过S1终板的固定方法的螺钉拔出力和扭力矩较大；循环负荷后，两种置钉方法的螺钉拔出力和扭力矩有显著的相关性。Johnston等[23]对比了颈椎椎弓根螺钉和侧块螺钉疲劳试验后的拔出力，结果表明，与侧块螺钉相比，椎弓根螺钉松动几率小、拔出力大。Sterba等[24]在50N、2Hz、2 000次循环负荷后，分析直向进钉和成角度进钉螺钉总的疲劳破坏程度，认为直向进钉时螺钉的疲劳破坏程度较小，提供的稳定程度更大。

通过疲劳研究可以模拟固定系统在体内长期受力情况，借此了解内固定系统的疲劳反应及其变化规律，用以指导内固定系统的设计和临床应用。但是，试验本身具有破坏性，因此只能用于特定的若干负荷模式，同时这种试验也无法显示在不同负荷模式下损伤及固定部位的生物力学特性，而这一点在促进愈合方面常比维持矫形更值得注意。

3 稳定性研究

为了全面评价内固定系统的生物力学性能，有学者[25]提出了稳定性试验，这是一种非破坏性试验，可详细地反映固定节段的生物力学特性。稳定性试验包括刚度试验和柔度试验。

3.1 刚度试验

刚度试验是将内固定结构的一端固定于实验台上，另一端置于材料试验机的连杆器上。在非破坏范围内对架好的标本施加轴向压力负荷。将连杆器沿标本轴向移动，产生负荷，并改变负荷线的位置以造成不同的负荷模式。Burney等[26]进行体外生物力学试验研究多节段椎弓根螺钉固定时，横向连接装置对固定节段刚度的影响，结果显示，无论是否加用横向连接装置，在人椎体和木制模型上，固定节段的旋转刚度均随椎弓根螺钉数量增多而呈线性增加；在木制模型上，两个横向连接装置能显著增加用12和20个螺钉固定节段的旋转刚度，而对6个螺钉固定节段的旋转刚度没有影响；在人的脊柱标本上，横向连接装置对固定节段的旋转刚度没影响。Valdevit等[27]比较不同的横向连接装置的扭转刚度，认为与水平方向加用连接装置或不加用连接装置的椎弓根螺钉固定系统相比对角线方向加用连接装置的椎弓根螺钉固定系统扭转刚度较大。Rhee等[28]研究C7侧块螺钉（C7LM），C7侧块螺钉+棘突钢丝（C7LM+W），C7、C6侧块螺钉（C6C7LM），C7、C6侧块螺钉+棘突钢丝（C6C7LM+W）及C7椎弓根螺钉（C7PS）的标化刚度，结果显示，所有采用钢丝加强的侧块螺钉固定方法的标化刚度均没有增加；轴向压缩时，C7PS的标化刚度显著大于其它四种固定方法；后伸时，五种固定方法的标化刚度没有区别；屈曲、左右侧弯、左右旋转时，C7PS 的标化刚度显著大于C7LM，C6C7LM的标化刚度与C7PS的标化刚度相似。Mahar等[29]研究认为单节段融合时，经皮关节突关节螺钉固定的刚度与椎弓根螺钉固定的刚度相当，并且可以最小程度的破坏软组织及保存临近的关节突关节。

3.2 柔度试验

柔度试验即将标本下端固定于试验台上，而其上端仍保持自由。然后，非限制性对标本上端施以一单一力矩，使标本产生多方向位移。Burton等[30]和An等[31]比较不同后路固定方法的稳定性，结果表明，椎弓根螺钉能为损伤节段提供足够的稳定性。Niemeyer等[32]也认为椎弓根螺钉可以加强损伤节段的稳定性，采用椎弓根螺钉固定后，cage的设计和植入方式对节段稳定性的影响很小。Eichholz等[33]比较脊柱前后路固定的稳定性，结果显示，在轴向旋转上，与正常完整椎体相比，后路椎弓根螺钉固定能显著增加损伤节段的稳定性，但前路固定不能。Deviren等[34]研究椎弓根螺钉对失稳脊柱的固定效果。取人尸体胸椎T5～T11节段，制成两种失稳模型：①T5～T11相邻椎体的双侧关节突关节切除（失稳程度小），②T5～T11相邻椎体的双侧关节突关节切除+相邻椎体间的纤维环切除（失稳程度大）。依次采用Min法（T5、T11双侧椎弓根螺钉固定）、Apex法（T5、T8、T11双侧椎弓根螺钉固定）、Alt法（T5、T7、T9和T11双侧椎弓根螺钉固定）、Fullmin法（T5、T6、T10和T11双侧椎弓根螺钉固定）、Fulluniapex法（T5、T6、T10和T11双侧椎弓根螺钉固定；T8单侧椎弓根螺钉固定）、Max法（T5、T6、T7、T8、T9、T10和T11双侧椎弓根螺钉固定）对失稳模型进行固定，结果显示，与正常完整状态和第一种失稳状态相比，各种固定方法均能显著减少节段的活动范围；Max 法稳定性最大，Min法稳定性最小。Beaubien等[35]研究显示，前路腰椎钢板固定的稳定性虽然小于椎弓根螺钉和椎板螺钉，但前路钢板可以作为后路固定的辅助系统以加强损伤节段的稳定性。Slucky等[36]比较①TLIF（经椎间孔腰椎椎体间融合)+双侧椎弓根螺钉固定、②TLIF +单侧椎弓根螺钉固定、③TLIF +单侧椎弓根螺钉固定+对侧关节突螺钉固定对失稳模型的固定效果，结果显示，三种固定方法均能减少节段的活动范围；①与③固定提供的稳定性相当；与①、③相比，②固定提供的稳定性较小。

与前两种破坏性试验不同，稳定性试验不会对固定装置和脊柱标本造成破坏，同时可以测试多种载荷模式，因此该类实验获得的数据更多，可以提供更为全面的骨折固定部位或融合部位局部生物力学环境的变化，因而在临床上意义更大。

4 有限元研究

近年来,三维有限元法（finite element method,FEM）在脊柱生物力学研究方面的应用日益增多。随着计算机技术的不断更新，有限元法所构建的三维非线性模型不仅能逼真地模拟椎骨、椎间盘，还能将周围的韧带、肌肉直接或间接地加入模型，使模拟更加真实和完美。用三维有限元构建的脊柱模型对内固定系统进行力学评价，能较全面的反映不同固定系统的生物力学性能，椎弓根螺钉固定后受力情况，分析螺钉弯曲和螺钉断裂的机制等。

目前，许多学者利用有限元对脊柱固定系统进行生物力学的评价和研究。Lim等[37]采用有限元对腰椎椎弓根螺钉固定系统的生物力学特性进行评价，结果显示，与常规横向加用连接装置的椎弓根螺钉固定系统相比，对角线方