1、磷酸钙骨水泥强化单侧椎体钉固定的生物力学研究者：武明鑫 刘志彬 邹菁 许立 张志文 陈锐雄 【摘要】 目的：磷酸钙骨水泥(CPC)强化穿透单侧椎体皮质椎体钉固定的生物力学影响。方法：选用新鲜成人尸体标本 16个，实验组磷酸钙骨水泥强化后椎体钉穿透单侧椎体皮质固定;对照组为无骨水泥强化，螺钉穿透双侧椎体皮质固定。应用螺钉拔出实验，记录螺钉最大拔出力并观察椎体破坏形态。结果：拉力值 CPC组(1393.33189.37)、对照组(957.4271.34)差异有显著性，P0.01。对照组椎体中螺钉抽出占75%(6/8)，螺钉入口处皮质破损占 25%(2/8)。CPC 强化椎体中螺钉入口处皮质破损占
2、87.5%(7/8)，螺钉抽出占 12.5%(1/8)。结论：CPC 强化椎体钉后固定效果更好，增加手术安全性。 【关键词】 磷酸钙骨水泥;骨螺钉;生物力学 Abstract Objective：To determine the biomechanics effect of Calcium Phosphate Cement(CPC)that Strengthen the penetration of unilateral vertebral cortical vertebral screw fixation.Methods：Selected 16 fresh adult cadaveric s
3、pecimens. In the experimental group， CPC Strengthen the posterior vertebral body screw penetration unilateral vertebral cortical fixation. In the control group， no bone cement augmentation to screw penetration of bilateral vertebral cortical fixation. Apply screw pull-out experiment， record screw pu
4、ll-out strength and the observation of vertebral destruction form.Results：The Tensile Force Values of CPC group (1393.33189.37) and control group (957.4271.34) have significant difference (P0.01). In the control group， vertebral body screw extraction accounted for 75% and screw entrance cortical dam
5、age accounted for 25%. In the CPC group， however， screw entrance cortical damage accounted for 87.5% and vertebral body screw extraction accounted for 12.5%.Conclusions：The effect of CPC that Strengthen vertebral screw fixation is better and increased operation safety. Key words Calcium Phosphate Ce
6、ment; Bone screw; Biomechanics 目前，胸腰段的前路手术广泛应用于创伤、侧弯畸形、退行性变和肿瘤。实施可靠的椎体间融合、固定是治疗的关键所在。但是，由于椎体骨质较疏松，即使进行了椎体双侧皮质固定，手术并发症亦时有发生。磷酸钙骨水泥( calcium phosphate cement， CPC)是目前研究最多并被认为是最有发展前途的一种生物活性骨水泥，它具有良好的生物相容性、可降解性、骨传导性、可随意塑形、与周围骨组织紧密连接等多种优点。本研究通过螺钉最大拔出力等生物力学实验方法观察可吸收骨水泥强化骨螺钉界面强度后强化效果并对比观察了骨水泥的强化效果，探讨可吸收骨水泥
7、强化后椎体钉穿透单侧椎体皮质固定的可行性。本实验应用系统生物力学实验方法来研究磷酸钙骨水泥和骨水泥对椎体钉固定的强化作用，旨在从生物力学的角度为胸腰段脊柱前路单皮质固定手术治疗探索新的途径。 1 材料与方法 1.1 实验标本 16 个(T11L2)胸腰段椎体标本取自 4具新鲜成人尸体，年龄小于35岁，平均年龄 32岁。X 检查排除先天性畸形、骨折、肿瘤等病变。去除周围软组织，自椎间盘处离断，保留终板，游离成单个椎体。用 QCT法量每个椎体骨密度值。实验前用双层塑料袋密封后置于-70低温保存。测试前 24 h取出，室温下自然解冻后进行实验。 1.2 实验分组 同序列椎体配伍作为控制因素选取标本，
8、随机分成对照组、CPC 组，每组均包括 T11L2(n=8)。每个椎体只穿一枚螺钉以避免人为因素。 1.3 实验步骤 1.3.1 对照组螺钉植入 在上下终板中部平面上，椎体前后缘中点位置至对侧椎体中点，应用深度测量器测量椎体横径。在导向器引导下用钻头平行于冠状面，向对侧椎体中点转孔，对照组预先钻透双侧椎体皮质。测量孔道长度并记录。在导向器引导下拧入螺钉，螺钉钻透对侧皮质 23 mm1个螺纹以上。 1.3.2 强化组螺钉植入 相同位置测量椎体横径并记录，用胶布缠绕钻头标记预先测得椎体横径的 80%位置，穿单侧椎体皮质钻孔。将 PMMA按照水和粉体积比 23和CPC水和粉体积按 12少量多次搅匀后
9、用 20 mL注射器逐个标本注入，每个孔道注入强化材料 2 mL。在导向器引导下拧入螺钉，拧至对侧刚好可以看到螺钉尖端，不穿过对侧皮质。CPC 放置于 37恒温箱中 24 h，以完成最大机械强度后测量其最大拔出力。(磷酸钙骨水泥 4 h可基本达到最大抗压强度，24 h 反应基本完成9)。 1.3.4 标本固定 在装有牙托粉的固定槽内固定标本，在模具中将椎体后半部分全部包埋成型。 1.3.5 螺钉轴向拔出试验 应用长春实验机研究所生产的 CSS-44020材料实验机。将标本固定于夹具上，调整夹具角度，使椎体钉的长轴与实验机加载方向一致。以 5 mm/min的加载速率进行拔出试验，直至出现椎体钉拔
10、出破坏。记录椎体破坏形态，以载荷-变形曲线出现最高点为椎体钉拔出破坏的标准，即螺钉的轴向拔出力出现下降。实验机的载荷信号由计算机数据采集系统记录，并有相应的测试系统软件给出螺钉的最大拔出力。 1.3.6 实验结果记录 记录每次螺钉拉出时最大拔出力。因骨-螺钉界面结合强度不同而造成椎体螺钉拔出时椎骨破坏形态不同，通过直接观察椎骨破坏的形态并记录。 1.4 数据统计处理 应用两因素方差分析two-way ANOVA(analysis of variance)比较对照组、CPC 组拉出力。各处理组间的比较应用 NewmanKeuls法(q 检验);椎体破坏形态按记录结果分为优(椎体骨折)、良(螺钉入
11、口处椎体皮质破损)、差(螺钉脱出)三个等级并进行量化(优=3、良=2、差=1)，应用秩和检验(Kruskal-Walls)法比较螺钉失败时骨的破坏形式。所有统计计算应用 SPSS软件包完成。 2 结果 2.1 各组椎体钉拔出力的比较 二组标本间骨密度及螺钉插入长度均无显著差异(P0.05)。CPC组的拉出力值均明显高于对照组，P0.01，增加 52%16%。表 1 对照组和 CPC组拉出力检验结果比较 2.2 比较不同固定方式中螺钉拉出时骨的破坏形式 对照组螺钉抽出占 75%(6/8)，螺钉入口处皮质破损占 25%(2/8)。CPC强化椎体中螺钉入口处皮质破损占 62.5%(5/8)，螺钉抽出
12、仅 1例占12.5%，无 1例椎体骨折。表 2 对照组、CPC 组骨-螺钉界面强度比较 3 讨论 目前胸腰椎前路带锁钢板的应用日益广泛， 临床上使用骨螺钉治疗骨折时常会发生螺钉滑丝、松动和脱出等情况，尤其是老年性和继发性骨质疏松患者，因此，强化螺钉的即刻固定非常重要1。各国学者从不同方面着手来减少这个并发症的发生。前路手术应用广泛，但由于前路椎体钉固定于椎体松质骨中，所以骨-螺钉界面上的机械强度是影响固定效果的一个主要因素。为了加强前路器械的稳定性，目前普遍采用穿透双侧椎体皮质的椎体钉-棒系统和钉-板系统2-4，但突出的螺钉尖端会增加血管损伤的风险。 已有相关的实验研究证实：影响骨-螺钉界面机
13、械强度的因素除骨密度外同时还与螺钉大小、螺纹深浅、钉道、标本大小密切相关。但是针对这些方面的改进对提高螺钉固定强度的作用有限。而且，在严重骨质疏松条件下，单纯改变螺钉结构并不能彻底解决螺钉稳定性的问题。同时还存在一些风险，而应用长螺钉则导致血管损伤。在强化钉道界面方面，国内外学者多采用钉道整体硬化的方法，即向钉道内灌注固化材料，常用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(PMMA)。虽然钉道整体硬化能够增加固定强度5，但也存在一些难以克服的缺点：固化材料完全而严密地包裹螺钉，骨水泥-骨质-螺钉三者之间紧密粘和呈团块状，取钉时容易造成较大范围的骨质破坏，为二次手术带来困难;固化材料不易降解，长期存在于螺钉与骨质
14、之间，形成了二次界面，难以获得长期的生物性稳定;向钉道内灌注较多的骨水泥后，再次置钉导致骨水泥外溢，形成占位性病变;PMMA 聚合反应放热，易损伤周围神经和其他软组织。 磷酸钙骨水泥是 20世纪 80年代中期由 Brown和 Chow研制出来的一种新型自固化型， 非陶瓷型骨水泥。由固相和液相两部分组成。按比例调和经晶体化反应而固化6。它主要由磷酸钙粉末和液相(蒸馏水，溶液以及血液等)组成。当两者混合成浆体后，在短时间内及一定的环境(温度：37，湿度：100%)下发生水凝固，最终的产物为骨骼的主要无机成分-羟基磷灰石。研究证实 CPC具有良好的生物相容性， 在体内的降解过程与正常骨重建过程相似，
15、 骨水泥吸收与骨形成协调同步进行。尽管 CPC强化效果不及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)， 但由于 CPC避免了PMMA的缺点，如聚合时的放热反应、骨水泥界面的异物反应、无生物降解性和骨诱导活性等， 目前正在逐步替代 PMMA， 成为医用材料界的研究热点之一。 本文的实验结果显示，经骨水泥强化后的穿单侧椎体皮质固定其拔出力与穿双侧皮质相比，不但没有下降反而增高了。应用 CPC加固后穿透单侧椎体皮质固定强度可完全达到正常骨密度条件下穿透双侧椎体皮质固定强度。螺钉拔出时， 螺纹间带有骨块; 用 CPC修复或强化后，螺钉拔出时， 螺纹间主要是 CPC。CPC 可通过充填骨小梁间隙， 固化后起到镶嵌作用
16、， 从而明显增加界面结合强度， 并使界面的剪应力转化成压应力， 增加固定强度。而且在 CPC填充后拧入螺钉， 可使 CPC与骨结合更加紧密， 并挤压松质骨， 使之更加致密， 从而改善了骨- 螺钉界面的情况， 提高了最大轴向拔出力和抗剪切应力。在对照组螺钉的拔出破坏均为椎弓根螺钉的抽出，这在一定程度上说明应用 CPC强化后骨-螺钉界面机械强度的增强。 骨水泥虽然可以起到早期有效固定，但由于后期出现骨水泥与骨界面出现松动。另外，骨水泥在固化过程会产生 60100 度的高温而潜在对周围组织的损伤。在骨水泥强化椎弓根螺钉拔出实验和本实验中均发现，螺钉拔出时易引起椎弓根和/或椎体骨折而潜在对周围组织结构
17、的损伤。因此骨水泥一直是一种很有争议的强化固定材料。 通过 CPC强化后椎体钉行穿透单侧椎体皮质固定，其力学强度明显大于无骨水泥强化穿透双侧椎体皮质固定。因而在多数情况下应用该方法可以简化手术步骤、增加手术安全性。 Krebs 等7发现，注射型 CPC的崩解会使肺部产生非凝血性栓塞，导致肺部动脉血压增加，心血管系统参数发生改变，有并发心血管疾患的可能，近期还有发现一些关于 CPC的人体安全性问题，所以我们尚需进一步研究其抗周期性负荷的疲劳实验特性以及活体实验观察这个过程对骨- 螺钉界面生物力学特性的影响体内降解过程中力学性能改变。 【参考文献】 1 Barralet JE， Tremayne
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