聚甲基丙烯酸甲酯强化和修复椎弓根螺钉的生物力学研究
作者：朱青安 李鉴轶 赵卫东 吕维加 钟世镇
单位：朱青安 李鉴轶 赵卫东 钟世镇(510515广州，第一军医大学解放军医学生物力学实验室)；吕维加(香港大学医学院骨科学系)
关键词：甲基丙烯酸甲酯类；骨螺丝；生物力学；腰椎
中华骨科杂志000506
【摘要】目的评价聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)强化和修复椎弓根螺钉固定的生物力学效果。方法8具成人新鲜腰椎骨L3～5，随机选择一侧椎弓根放置直径为6.0mm的CCD(compactCD)椎弓根螺钉，另一侧以直径为3.5mm的钻头导孔，均不穿透椎体前皮质。在材料试验机上进行椎弓根螺钉拔出实验，拔出速率为5mm/min。然后沿椎弓根孔道注入PMMA粉和水按体积1∶2混合的PMMA强化修复材料3～5ml，双侧椎弓根分别使用与前相同的CCD椎弓根螺钉，室温下1h后再行前述拔出实验。沿椎弓根螺钉长度方向锯开标本，观察PMMA在螺钉孔道中的分布范围。结果CCD椎弓根螺钉在正常椎弓根内的最大拔出力为(825.5±254.7)N；在经强化后的正常椎弓根内和在修复失效的椎弓根内，CCD椎弓根螺钉最大拔出力分别为(1711.1±488.8)N和(1832.4±497.4)N，高于正常椎弓根螺钉的最大拔出力，差异有显著性意义(P<0.01)。PMMA在螺钉周围的分布与其注入时的粘稠度有关，未见椎管内或椎弓根外有PMMA分布。结论沿椎弓根孔道注入PMMA可显著增加椎弓根螺钉的拔出力，适用于螺钉松动和拔出的修复固定。
, 百拇医药
Augmentation and restoration of pedicle screw fixation with polymethylmethacrylate: an in vitro biomechanical study
ZHU Qing'an, LI Jianyi, ZHAO Weidong, et al
The Medical Biomechanics Lab of PLA, First Military Medical University, Guangzhou 510515, China
【 Abstract】 Objective To evaluate pedicle screw fixation strength following augmentation and restoration with polymethylmethacrylate (PMMA). Methods Compact CD (CCD) screws of 6.0 mm diameter was implanted into the pedicle unilaterally. And a pilot hole was created using 3.5 mm drill contralaterally on eight fresh human lower lumbar vertebrae (L 3- 5).Neither the screws nor the drillings penetrated the anterior cortex of the vertebral bodies. The screws were pulled out from the vertebrae at 5 mm/min. The screw track and the pilot hole were filled with 3- 5 ml of PMMA. Then, the screws were implanted bilaterally, and the PMMA was allowed to harden for 1 hour. Morphology of PMMA around the screws was observed by section of the vertebrae along the screw. Results Pullout force of pedicle screw fixation in normal vertebrae was (825.5± 254.7) N and (1 711.1± 488.8)N following augmentation with PMMA. Restoration of a pullout pedicle screw fixation with PMMA was able to salvage pullout force to (1 832.4± 497.4) N. The pullout forces following augmentation and restoration were significantly greater than that in normal vertebrae. Morphology of PMMA around the screws was related to the viscosity of PMMA during injection. No PMMA was found in vertebral canal or surface of pedicle. Conclusion Augmentation and restoration with PMMA offered a significantly increase of strength for pedicle screw fixation, and could be used clinically in case of failure of pedicle screw fixation.
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【 Key words】 Methylmethacrylates; Bone screws; Biomechanics; Lumbar vertebrae
椎弓根螺钉固定系统是脊柱外科手术中最常用的胸腰椎和腰骶椎后路固定器，当骨的握持力不够或术后承载过大时，都会造成椎弓根螺钉松动或拔出，使固定失效或假关节形成[1-7]。目前修复椎弓根螺钉固定失效的方法有多种，如采用较大直径的椎弓根螺钉进行替换修复固定[8,9]；在椎弓根螺钉孔道中填充骨条修复固定；以及向孔道中注入骨粘合剂强化修复椎弓根螺钉固定系统[5,10-14]。在所有强化修复材料中以自凝聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)最为常用。有关PMMA修复椎弓根螺钉固定失效的生物力学研究，国外已有报道[15-17]，但国内尚未见系统的报道。本文针对CCD(compactCD)椎弓根螺钉固定系统，分析PMMA强化和修复椎弓根螺钉固定的生物力学效果，并观察PMMA强化的形态学特征，为今后的临床应用提供参考依据。
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材料与方法
一、材料
(一)标本:8具L3～5椎体标本取自4具新鲜成人尸体，经X线检查，均无明显的骨质疏松和畸形。清除椎骨后部结构上的软组织，双层塑料袋密封，-30℃冷冻保存。测试前，室温下自然解冻。
(二)强化修复材料:为上海第二医科大学口腔材料厂生产的PMMA，使用时将粉和水按体积1∶2混合搅拌成粘稠状。
(三)椎弓根螺钉:椎弓根螺钉为美国Sofamor公司的CCD螺钉2枚，直径为6.0mm，螺钉长度为40mm。
(四)实验仪器:实验用仪器为长春试验机研究所生产的SWD-10材料试验机，最大拉压力为10kN，拉压速率介于0.5～500mm/min。本实验螺钉拔出速率为5.0mm/min。
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二、方法
(一)实验分组:随机选择8具L3～5椎体的一侧椎弓根，以PMMA修复之前进行的椎弓根内螺钉拔出实验为正常对照组；修复后进行的螺钉拔出实验称为修复固定组。另一侧椎弓根以直径为3.5mm的钻头导孔，经PMMA强化后所行的螺钉拔出实验为强化固定组。
(二)观察项目:观察CCD螺钉的轴向最大拔出力，以及在椎弓根螺钉拔出过程中椎骨或椎弓根是否出现骨折。对强化后的椎骨进行冠状切割，或沿椎弓根螺钉的长轴行纵向水平切割，观察PMMA在椎弓根螺钉周围的分布状况。
(三)实验方法:按常规方法沿双侧椎弓根各插入1枚直径为1mm的克氏针，再沿克氏针方向以直径3.5mm的钻头导孔。任意选择一侧的椎弓根导孔旋入CCD椎弓根螺钉，但不穿透椎体前骨皮质，对该侧进行螺钉拔出实验，并记录轴向最大拔出力数据(正常对照组)。然后，取出拔出时破坏的螺钉，将已配制好的粘稠状PMMA用注射器缓慢地注入已拔出螺钉的椎弓根孔道内(修复固定组)，同时于另一侧导孔内亦注入PMMA(强化固定组)，每侧PMMA的注入量为3～5ml。然后，于双侧分别旋入CCD椎弓根螺钉，室温下(28℃)放置1h，PMMA在室温下自行固化的时间约30min，1h后达最大强度[18]，再行椎弓根螺钉拔出实验，方法同前。
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拔出实验在SWD-10材料试验机上进行，将腰椎块固定于特制的固定夹具上(图1)，调整夹具的角度，使椎弓根螺钉的长轴与试验机的加载方向一致。沿椎弓根螺钉的长度方向以5mm/min的恒定速率拔出，当螺钉在拔出过程中被破坏时即停止拉伸。以载荷-变形曲线出现最高点为椎弓根螺钉拔出破坏的标准，即螺钉的拔出力出现下降。试验机的载荷信号由计算机数据采集系统记录，并由相应的测试分析软件计算获得椎弓根螺钉的最大拔出力。
图1 椎弓根螺钉拔出实验示意图.
拔出力的作用线与螺钉的长度方向一致
(四)统计学方法:采用SPSS8.0进行统计学分析。三组间椎弓根螺钉拔出力的差异采用配伍组设计的方差分析及Turkey多重比较方法；三组间椎弓根螺钉拔出力的相关性采用线性相关分析。显著性水平设为0.05。
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结果
一、椎弓根螺钉的最大拔出力
由图2可见，正常对照组、强化固定组和修复固定组的初始拉伸刚度均相等，但正常对照组位移和最大拔出力都明显小于另外两组(P<0.01)。在强化固定组和修复固定组，随着拉伸载荷的增加，椎骨与夹具之间的位移增大。由于拔出位移包括了椎骨与夹具之间的移动，所以本文未计算拔出破坏时的螺钉拔出位移以及与之相关的螺钉拔出刚度。但图2所显示的最大载荷代表了螺钉的最大拔出力。正常对照组的平均最大拔出力为(825.5±254.7)N，而强化固定组和修复固定组的平均最大拔出力分别为(1711.1±488.8)N和(1832.4±497.4)N(表1)。配伍组设计的方差分析表明，三组间的拔出力差异有显著性意义(F=13.71,P=0.001)。强化固定组和修复固定组的拔出力与对照组比较，差异均有显著性意义(P=0.001和P=0.000)；强化固定组与修复固定组的最大拔出力之间的差异无显著性意义(P=0.573)。仅修复固定组的最大拔出力与对照组呈正相关(r=0.741，P=0.035)。
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图2 椎弓根螺钉在正常和PMMA
强化状态下的拔出实验曲线图。
表1PMMA强化和修复椎弓根螺钉的轴向拔出力(N) 标本编号
对照组
强化固定组
修复固定组
1
1003.1
1727.7
1607.7
2
792.1
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1513.8
1405.4
3
354.6
2026.5
1154.9
4
1089.0
1118.3
2104.6
5
1074.4
2346.3
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2668.6
6
588.5
2238.9
1706.7
7
777.5
1714.0
1696.9
8
925.0
1003.6
2314.6
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平均值
825.5
1711.1
1832.4
标准差
254.7
488.8
497.4
二、椎弓根螺钉拔出时的破坏
对照组椎弓根螺钉的拔出破坏均为椎弓根螺钉的抽出，即骨-螺钉界面的剥离。强化固定组和修复固定组的主要拔出破坏形式亦为椎弓根螺钉抽出，但也有在椎体(3个)或椎弓根(2个)处的破坏。由于强化固定组和修复固定组椎弓根螺钉的拔出力相当大，故在拔出过程中夹具经常对椎体造成挤压，需要在椎弓与夹具之间增加钢丝固定以抵抗螺钉拔出的力量。
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三、PMMA的分布范围
对经PMMA强化后的椎骨进行断面观察，发现PMMA在椎弓根螺钉周围的分布密度强弱不一。PMMA在椎骨内的分布范围与注入PMMA时的粘稠度有关。粘稠的PMMA扩散范围较小，但在椎弓根部强化程度较好；稀的PMMA的强化部位主要位于椎弓根螺钉的尖部，其强化范围相对较大，在椎弓根部无强化。
讨论
椎弓根螺钉固定系统对治疗骨折、骨转移瘤、畸形、脊柱失稳，以及脊柱退行性病变、滑脱和椎管狭窄等病症疗效卓越，其坚强稳定的内固定能够提供较好的三维固定、短节段固定和解剖复位。但有时由于椎弓根螺钉的握持力不够或手术后负荷过大，会出现螺钉松动，从而导致固定失效或假关节形成。因此必须予以相应的修复固定，以保证治疗成功。
研究证实，PMMA能显著增加椎弓根螺钉的拔出强度[14，15]。Zindrick等[15]的研究表明，不加压的PMMA可使已剥离的椎弓根螺钉的拔出强度恢复至剥离前的水平，而加压强化后的拔出强度能达到剥离前的两倍。其他研究也证实，随着PMMA强化方式的不同，椎弓根螺钉的固定强度可增加49%～162%[10,13]。本文结果亦显示，CCD椎弓根螺钉在经PMMA强化前，拔出力为825.5N，强化后增加了115%，为1832.4N，与Moore等[17]的结果相似。Yamagata等[19]认为，当骨密度小于80mg/cm2时，即应采用PMMA等材料对椎弓根螺钉进行强化固定。据文献报道，一侧椎弓根螺钉孔道所注入液状PMMA的量为2～5ml[8,14,16]，但这种液状的PMMA加压后可能流出椎弓根或椎体，阻塞营养血管和密质骨孔洞，或沿椎弓根流出压迫脊神经根，造成占位性压迫[11]，由于PMMA不能被机体吸收，需要手术方可解除其对神经根的压迫。我们在实验过程中也发现，当较稀的PMMA注入椎弓根螺钉孔道内时，从椎体前方甚至从椎体后方的静脉窦可见少量PMMA流出，而且所需PMMA的量也较多；但注入椎弓根螺钉孔道的PMMA若为粘稠状，旋入螺钉时则几乎没有PMMA渗出，并能够在整个椎弓根螺钉周围均匀分布。因此我们建议在临床应用时应在PMMA呈粘稠状时注入螺钉孔道，避免注入PMMA和旋入螺钉时PMMA渗出，同时也可以使PMMA在螺钉周围呈较均匀地分布。本文分别对直径为3.5mm的椎弓根螺钉导孔和固定失效的椎弓根螺钉孔两种孔径进行了PMMA强化和修复固定，两组最大轴向拔出力差异无显著性意义。Yerby等[8]对羟基磷灰石骨水泥(hydroxyapatite cement,HAC)强化椎弓根螺钉的生物力学作用的研究也证实，椎弓根螺钉的导孔直径对椎弓根螺钉的拔出力无明显影响。Lotz等[16]比较了PMMA和磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement,CPC)的强化作用，结果显示经PMMA强化的椎弓根螺钉拔出强度显著高于CPC强化，从强化椎弓根螺钉的拔出破坏形式也可以说明CPC的固定强度低于PMMA。采用CPC强化的椎弓根螺钉的拔出破坏主要为螺钉-骨界面剥离，而在PMMA强化后椎弓根螺钉拔出破坏特征则表现为椎弓根骨折或椎体近椎弓根处骨折，较少发生螺钉抽出，由此对PMMA的坚强程度可见一斑[8]。在本研究中，PMMA强化或修复后椎弓根螺钉拔出破坏时出现的椎体或椎弓根骨折，也说明PMMA的强化或修复过于坚强。
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在对椎弓根螺钉固定失效的修复过程中，除了应用骨粘合剂进行强化或修复以外，还可采用较大直径的椎弓根螺钉替换和骨条填充修复失效的椎弓根螺钉固定系统等方法。如用直径为7.0mm的椎弓根螺钉替换6.0mm螺钉，其拔出力较小；而改用8.0mm螺钉拔出力则显著增高[9]。但在螺钉直径加大的同时也增加了脊髓和神经损伤的危险性。采用骨粉和火柴棍状松质骨骨条填充修复松动的椎弓根螺钉的效果也不明显[13]，尤其对骨质疏松椎骨的收效甚微，而PMMA强化后则可使螺钉的拔出力增至149%[20]。本文仅对PMMA强化或修复椎弓根螺钉的生物力学作用进行了初步研究，有关PMMA的不同配比和粘稠度对其在螺钉周围分布及对螺钉固定的生物力学影响尚待进一步研究。
(感谢第一军医大学统计学教研室陈平雁教授对本文统计学方法的指导)
参 考 文 献
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17，Moore DC, Maitra RS, Farjo LA, et al. Restoration of pedicle screw fixation with an in situ setting calcium phospate cement. Spine,1997,22:1696- 1705.
18，李忠华，主编.铸型标本制作技术.第1版.广州:华南理工大学出版社，1992.15-29.
19，Yamagata M, Kitahara H, Minami S, et al. Mechanical stability of the pedicle screw fixation systems for the lumbar spine. Spine,1992,17 Suppl 3:51- 54.
20，Halvorson TL, Kelley LA, Thomas KA, et al. Effects of bone mineral density on pedicle screw fixation. Spine,1994,19:2415- 2420.
(收稿日期:1999-08-03), 百拇医药
单位：朱青安 李鉴轶 赵卫东 钟世镇(510515广州，第一军医大学解放军医学生物力学实验室)；吕维加(香港大学医学院骨科学系)
关键词：甲基丙烯酸甲酯类；骨螺丝；生物力学；腰椎
中华骨科杂志000506
【摘要】目的评价聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)强化和修复椎弓根螺钉固定的生物力学效果。方法8具成人新鲜腰椎骨L3～5，随机选择一侧椎弓根放置直径为6.0mm的CCD(compactCD)椎弓根螺钉，另一侧以直径为3.5mm的钻头导孔，均不穿透椎体前皮质。在材料试验机上进行椎弓根螺钉拔出实验，拔出速率为5mm/min。然后沿椎弓根孔道注入PMMA粉和水按体积1∶2混合的PMMA强化修复材料3～5ml，双侧椎弓根分别使用与前相同的CCD椎弓根螺钉，室温下1h后再行前述拔出实验。沿椎弓根螺钉长度方向锯开标本，观察PMMA在螺钉孔道中的分布范围。结果CCD椎弓根螺钉在正常椎弓根内的最大拔出力为(825.5±254.7)N；在经强化后的正常椎弓根内和在修复失效的椎弓根内，CCD椎弓根螺钉最大拔出力分别为(1711.1±488.8)N和(1832.4±497.4)N，高于正常椎弓根螺钉的最大拔出力，差异有显著性意义(P<0.01)。PMMA在螺钉周围的分布与其注入时的粘稠度有关，未见椎管内或椎弓根外有PMMA分布。结论沿椎弓根孔道注入PMMA可显著增加椎弓根螺钉的拔出力，适用于螺钉松动和拔出的修复固定。
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Augmentation and restoration of pedicle screw fixation with polymethylmethacrylate: an in vitro biomechanical study
ZHU Qing'an, LI Jianyi, ZHAO Weidong, et al
The Medical Biomechanics Lab of PLA, First Military Medical University, Guangzhou 510515, China
【 Abstract】 Objective To evaluate pedicle screw fixation strength following augmentation and restoration with polymethylmethacrylate (PMMA). Methods Compact CD (CCD) screws of 6.0 mm diameter was implanted into the pedicle unilaterally. And a pilot hole was created using 3.5 mm drill contralaterally on eight fresh human lower lumbar vertebrae (L 3- 5).Neither the screws nor the drillings penetrated the anterior cortex of the vertebral bodies. The screws were pulled out from the vertebrae at 5 mm/min. The screw track and the pilot hole were filled with 3- 5 ml of PMMA. Then, the screws were implanted bilaterally, and the PMMA was allowed to harden for 1 hour. Morphology of PMMA around the screws was observed by section of the vertebrae along the screw. Results Pullout force of pedicle screw fixation in normal vertebrae was (825.5± 254.7) N and (1 711.1± 488.8)N following augmentation with PMMA. Restoration of a pullout pedicle screw fixation with PMMA was able to salvage pullout force to (1 832.4± 497.4) N. The pullout forces following augmentation and restoration were significantly greater than that in normal vertebrae. Morphology of PMMA around the screws was related to the viscosity of PMMA during injection. No PMMA was found in vertebral canal or surface of pedicle. Conclusion Augmentation and restoration with PMMA offered a significantly increase of strength for pedicle screw fixation, and could be used clinically in case of failure of pedicle screw fixation.
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【 Key words】 Methylmethacrylates; Bone screws; Biomechanics; Lumbar vertebrae
椎弓根螺钉固定系统是脊柱外科手术中最常用的胸腰椎和腰骶椎后路固定器，当骨的握持力不够或术后承载过大时，都会造成椎弓根螺钉松动或拔出，使固定失效或假关节形成[1-7]。目前修复椎弓根螺钉固定失效的方法有多种，如采用较大直径的椎弓根螺钉进行替换修复固定[8,9]；在椎弓根螺钉孔道中填充骨条修复固定；以及向孔道中注入骨粘合剂强化修复椎弓根螺钉固定系统[5,10-14]。在所有强化修复材料中以自凝聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)最为常用。有关PMMA修复椎弓根螺钉固定失效的生物力学研究，国外已有报道[15-17]，但国内尚未见系统的报道。本文针对CCD(compactCD)椎弓根螺钉固定系统，分析PMMA强化和修复椎弓根螺钉固定的生物力学效果，并观察PMMA强化的形态学特征，为今后的临床应用提供参考依据。
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材料与方法
一、材料
(一)标本:8具L3～5椎体标本取自4具新鲜成人尸体，经X线检查，均无明显的骨质疏松和畸形。清除椎骨后部结构上的软组织，双层塑料袋密封，-30℃冷冻保存。测试前，室温下自然解冻。
(二)强化修复材料:为上海第二医科大学口腔材料厂生产的PMMA，使用时将粉和水按体积1∶2混合搅拌成粘稠状。
(三)椎弓根螺钉:椎弓根螺钉为美国Sofamor公司的CCD螺钉2枚，直径为6.0mm，螺钉长度为40mm。
(四)实验仪器:实验用仪器为长春试验机研究所生产的SWD-10材料试验机，最大拉压力为10kN，拉压速率介于0.5～500mm/min。本实验螺钉拔出速率为5.0mm/min。
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二、方法
(一)实验分组:随机选择8具L3～5椎体的一侧椎弓根，以PMMA修复之前进行的椎弓根内螺钉拔出实验为正常对照组；修复后进行的螺钉拔出实验称为修复固定组。另一侧椎弓根以直径为3.5mm的钻头导孔，经PMMA强化后所行的螺钉拔出实验为强化固定组。
(二)观察项目:观察CCD螺钉的轴向最大拔出力，以及在椎弓根螺钉拔出过程中椎骨或椎弓根是否出现骨折。对强化后的椎骨进行冠状切割，或沿椎弓根螺钉的长轴行纵向水平切割，观察PMMA在椎弓根螺钉周围的分布状况。
(三)实验方法:按常规方法沿双侧椎弓根各插入1枚直径为1mm的克氏针，再沿克氏针方向以直径3.5mm的钻头导孔。任意选择一侧的椎弓根导孔旋入CCD椎弓根螺钉，但不穿透椎体前骨皮质，对该侧进行螺钉拔出实验，并记录轴向最大拔出力数据(正常对照组)。然后，取出拔出时破坏的螺钉，将已配制好的粘稠状PMMA用注射器缓慢地注入已拔出螺钉的椎弓根孔道内(修复固定组)，同时于另一侧导孔内亦注入PMMA(强化固定组)，每侧PMMA的注入量为3～5ml。然后，于双侧分别旋入CCD椎弓根螺钉，室温下(28℃)放置1h，PMMA在室温下自行固化的时间约30min，1h后达最大强度[18]，再行椎弓根螺钉拔出实验，方法同前。
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拔出实验在SWD-10材料试验机上进行，将腰椎块固定于特制的固定夹具上(图1)，调整夹具的角度，使椎弓根螺钉的长轴与试验机的加载方向一致。沿椎弓根螺钉的长度方向以5mm/min的恒定速率拔出，当螺钉在拔出过程中被破坏时即停止拉伸。以载荷-变形曲线出现最高点为椎弓根螺钉拔出破坏的标准，即螺钉的拔出力出现下降。试验机的载荷信号由计算机数据采集系统记录，并由相应的测试分析软件计算获得椎弓根螺钉的最大拔出力。
图1 椎弓根螺钉拔出实验示意图.
拔出力的作用线与螺钉的长度方向一致
(四)统计学方法:采用SPSS8.0进行统计学分析。三组间椎弓根螺钉拔出力的差异采用配伍组设计的方差分析及Turkey多重比较方法；三组间椎弓根螺钉拔出力的相关性采用线性相关分析。显著性水平设为0.05。
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结果
一、椎弓根螺钉的最大拔出力
由图2可见，正常对照组、强化固定组和修复固定组的初始拉伸刚度均相等，但正常对照组位移和最大拔出力都明显小于另外两组(P<0.01)。在强化固定组和修复固定组，随着拉伸载荷的增加，椎骨与夹具之间的位移增大。由于拔出位移包括了椎骨与夹具之间的移动，所以本文未计算拔出破坏时的螺钉拔出位移以及与之相关的螺钉拔出刚度。但图2所显示的最大载荷代表了螺钉的最大拔出力。正常对照组的平均最大拔出力为(825.5±254.7)N，而强化固定组和修复固定组的平均最大拔出力分别为(1711.1±488.8)N和(1832.4±497.4)N(表1)。配伍组设计的方差分析表明，三组间的拔出力差异有显著性意义(F=13.71,P=0.001)。强化固定组和修复固定组的拔出力与对照组比较，差异均有显著性意义(P=0.001和P=0.000)；强化固定组与修复固定组的最大拔出力之间的差异无显著性意义(P=0.573)。仅修复固定组的最大拔出力与对照组呈正相关(r=0.741，P=0.035)。
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图2 椎弓根螺钉在正常和PMMA
强化状态下的拔出实验曲线图。
表1PMMA强化和修复椎弓根螺钉的轴向拔出力(N) 标本编号
对照组
强化固定组
修复固定组
1
1003.1
1727.7
1607.7
2
792.1
, http://www.100md.com
1513.8
1405.4
3
354.6
2026.5
1154.9
4
1089.0
1118.3
2104.6
5
1074.4
2346.3
, 百拇医药
2668.6
6
588.5
2238.9
1706.7
7
777.5
1714.0
1696.9
8
925.0
1003.6
2314.6
, 百拇医药
平均值
825.5
1711.1
1832.4
标准差
254.7
488.8
497.4
二、椎弓根螺钉拔出时的破坏
对照组椎弓根螺钉的拔出破坏均为椎弓根螺钉的抽出，即骨-螺钉界面的剥离。强化固定组和修复固定组的主要拔出破坏形式亦为椎弓根螺钉抽出，但也有在椎体(3个)或椎弓根(2个)处的破坏。由于强化固定组和修复固定组椎弓根螺钉的拔出力相当大，故在拔出过程中夹具经常对椎体造成挤压，需要在椎弓与夹具之间增加钢丝固定以抵抗螺钉拔出的力量。
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三、PMMA的分布范围
对经PMMA强化后的椎骨进行断面观察，发现PMMA在椎弓根螺钉周围的分布密度强弱不一。PMMA在椎骨内的分布范围与注入PMMA时的粘稠度有关。粘稠的PMMA扩散范围较小，但在椎弓根部强化程度较好；稀的PMMA的强化部位主要位于椎弓根螺钉的尖部，其强化范围相对较大，在椎弓根部无强化。
讨论
椎弓根螺钉固定系统对治疗骨折、骨转移瘤、畸形、脊柱失稳，以及脊柱退行性病变、滑脱和椎管狭窄等病症疗效卓越，其坚强稳定的内固定能够提供较好的三维固定、短节段固定和解剖复位。但有时由于椎弓根螺钉的握持力不够或手术后负荷过大，会出现螺钉松动，从而导致固定失效或假关节形成。因此必须予以相应的修复固定，以保证治疗成功。
研究证实，PMMA能显著增加椎弓根螺钉的拔出强度[14，15]。Zindrick等[15]的研究表明，不加压的PMMA可使已剥离的椎弓根螺钉的拔出强度恢复至剥离前的水平，而加压强化后的拔出强度能达到剥离前的两倍。其他研究也证实，随着PMMA强化方式的不同，椎弓根螺钉的固定强度可增加49%～162%[10,13]。本文结果亦显示，CCD椎弓根螺钉在经PMMA强化前，拔出力为825.5N，强化后增加了115%，为1832.4N，与Moore等[17]的结果相似。Yamagata等[19]认为，当骨密度小于80mg/cm2时，即应采用PMMA等材料对椎弓根螺钉进行强化固定。据文献报道，一侧椎弓根螺钉孔道所注入液状PMMA的量为2～5ml[8,14,16]，但这种液状的PMMA加压后可能流出椎弓根或椎体，阻塞营养血管和密质骨孔洞，或沿椎弓根流出压迫脊神经根，造成占位性压迫[11]，由于PMMA不能被机体吸收，需要手术方可解除其对神经根的压迫。我们在实验过程中也发现，当较稀的PMMA注入椎弓根螺钉孔道内时，从椎体前方甚至从椎体后方的静脉窦可见少量PMMA流出，而且所需PMMA的量也较多；但注入椎弓根螺钉孔道的PMMA若为粘稠状，旋入螺钉时则几乎没有PMMA渗出，并能够在整个椎弓根螺钉周围均匀分布。因此我们建议在临床应用时应在PMMA呈粘稠状时注入螺钉孔道，避免注入PMMA和旋入螺钉时PMMA渗出，同时也可以使PMMA在螺钉周围呈较均匀地分布。本文分别对直径为3.5mm的椎弓根螺钉导孔和固定失效的椎弓根螺钉孔两种孔径进行了PMMA强化和修复固定，两组最大轴向拔出力差异无显著性意义。Yerby等[8]对羟基磷灰石骨水泥(hydroxyapatite cement,HAC)强化椎弓根螺钉的生物力学作用的研究也证实，椎弓根螺钉的导孔直径对椎弓根螺钉的拔出力无明显影响。Lotz等[16]比较了PMMA和磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement,CPC)的强化作用，结果显示经PMMA强化的椎弓根螺钉拔出强度显著高于CPC强化，从强化椎弓根螺钉的拔出破坏形式也可以说明CPC的固定强度低于PMMA。采用CPC强化的椎弓根螺钉的拔出破坏主要为螺钉-骨界面剥离，而在PMMA强化后椎弓根螺钉拔出破坏特征则表现为椎弓根骨折或椎体近椎弓根处骨折，较少发生螺钉抽出，由此对PMMA的坚强程度可见一斑[8]。在本研究中，PMMA强化或修复后椎弓根螺钉拔出破坏时出现的椎体或椎弓根骨折，也说明PMMA的强化或修复过于坚强。
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在对椎弓根螺钉固定失效的修复过程中，除了应用骨粘合剂进行强化或修复以外，还可采用较大直径的椎弓根螺钉替换和骨条填充修复失效的椎弓根螺钉固定系统等方法。如用直径为7.0mm的椎弓根螺钉替换6.0mm螺钉，其拔出力较小；而改用8.0mm螺钉拔出力则显著增高[9]。但在螺钉直径加大的同时也增加了脊髓和神经损伤的危险性。采用骨粉和火柴棍状松质骨骨条填充修复松动的椎弓根螺钉的效果也不明显[13]，尤其对骨质疏松椎骨的收效甚微，而PMMA强化后则可使螺钉的拔出力增至149%[20]。本文仅对PMMA强化或修复椎弓根螺钉的生物力学作用进行了初步研究，有关PMMA的不同配比和粘稠度对其在螺钉周围分布及对螺钉固定的生物力学影响尚待进一步研究。
(感谢第一军医大学统计学教研室陈平雁教授对本文统计学方法的指导)
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(收稿日期:1999-08-03), 百拇医药