影响松质骨螺钉固定强度的相关因素

王江泽 丁真奇

[摘要] 松质骨螺钉是一种常用于四肢干骺端和脊柱的内固定器械，临床上因螺钉固定强度不够导致术后螺钉的松动、脱出时常发生，许多研究表明螺钉的固定强度与螺钉的自身因素、骨密度、医生手术操作技术及熟练程度等有关。

[关键词] 松质骨螺钉；螺钉松动；拔出力

[中图分类号] R318[文献标识码] A[文章编号] 1673-9701（2012）12-0026-03

螺钉是一种常用的骨科内固定器械，其中松质骨螺钉与皮质骨螺钉不同，其螺纹间距（螺纹沟）宽而深，且螺纹径与螺柱径的比例较大，主要用于四肢干骺端和脊柱的固定，临床上因螺钉固定强度不够导致术后螺钉的松动、脱出时常发生，国内外许多研究表明螺钉的固定强度与其内、外在因素密切相关，如螺钉的自身因素、骨密度、医生手术操作技术及熟练程度等。现就其相关因素作一综述。

1 螺钉固定强度的评价指标

螺钉固定失效原因有轴向拔出力、折弯力、扭转力，或上述作用力的组合。螺钉的生物力学实验有强度和疲劳试验，强度试验是通过材料试验机在螺钉上加载载荷，直至出现破坏，如测量螺钉的拔出力，用于评价螺钉与骨界面的固定强度，但是此试验只能评价螺钉的即时强度。疲劳试验是以一定频率循环加载载荷于螺钉上直至破坏，以循环加载次数代表其疲劳寿命。螺钉对骨折块的固定或与钢板贴合的紧密程度依赖于其对骨骼的抓持力和抗拔出强度，螺钉固有的把持力是螺纹径与旋入骨骼内的螺纹长度的乘积，所以其固定强度在实验中主要以拔出力作为评价指标。

2 影响螺钉固定的自身因素

2.1 螺钉材料

选择好的螺钉材料使之置入后具有良好的钉-骨界面尤为重要。国外研究表明，钛合金螺钉较不锈钢螺钉有更好的骨相容性，其与骨界面之间相差33%的骨量，具有更大的轴向拔出力，但螺钉的抗旋转力无明显差别，说明螺钉的拔出力与螺钉的材料关系密切[1，2]。Sanden等[3]比较表面镀HA与不镀HA的不锈钢螺钉的拔出力，发现镀HA的螺钉组的拔出力明显高于对照组，且骨钉接触面积和螺纹内骨含量也均明显高于对照组，从另一方面说明选择相同螺钉材料时，在其表面适当加入一些骨相容性材料同样有提高拔出力的效果。

2.2 螺钉几何形态

螺钉的几何形态包括螺钉直径、有效长度、螺纹深度及螺旋角、螺纹倾斜度、螺距等；其固定强度与螺钉的自身设计密切相关，近年来国内外研究表示适当优化上述因素能增加螺钉的固定强度。

2.2.1 螺钉的设计松质骨螺钉的螺纹深，螺距大，螺芯直径较小，故螺钉的外径与螺芯直径的比值较大，可以增加螺钉对骨骼的抓持力。螺钉的不同螺纹设计对其拔出力具有很大的影响。Klein等[4]在尸体上进行圆形与半圆形螺纹拔出试验时，发现两者并无明显差异。Hale等[5]实验比较FT螺钉（full taper screw）和PT螺钉（proximal taper screw）的拔出力，结果表明FT螺钉的拔出力较高，且受大/小螺纹比例的影响。而Bret等[6]研究认为相同的螺钉规格和螺纹设计，圆锥形螺钉比圆柱形螺钉固定更牢固。有学者如谭映军等[7]对锥形椎弓根螺钉的内、外形设计的生物力学特性进行了比较，结果表明外锥形椎弓根螺钉比内锥形椎弓根螺钉具有更大的拨出力，说明椎弓根螺钉设计成外锥形可明显提高螺钉的拔出力。

2.2.2 螺钉的直径和长度螺钉的抗弯曲强度和抗剪切强度取决于螺钉芯的直径。一般情况下，直径大的螺钉或长的螺钉能增加松质骨螺钉的拔出力。Willett等[8]研究表明螺钉的直径与螺钉的拔出强度相关。而Polly等[9]发现翻修螺钉直径增加2.0 mm时，其旋入力矩增加8.4％，但单独螺钉长度增加不能提高固定强度，而直径增加1.0 mm与长度增加两者则会产生协同作用增强螺钉的稳定性。Hitchon等[10]研究也得出相类似的结果：螺钉拔出力与螺钉有效长度具有很强的相关性，螺钉固定的有效长度越长，其拔出力越大。但Scott等[11]研究表明其与长度的相关性也在一定的范围内，即最优值，并非越长越好。所以在设计螺钉时，应考虑螺钉的长度与直径的最适比例。

2.2.3 螺钉的独特设计当螺钉的各种设计参数达不到最优化时，国内外学者开始研究螺钉的特殊设计，目前研究较多的是椎弓根螺钉，有空心开孔和可膨胀两种设计方法，使螺钉能与骨水泥等强化材料有效的结合。空心开孔椎弓根螺钉，为空心椎弓根螺钉，前部分有多个侧孔，螺钉头部与注射器相连，骨水泥注入后沿螺钉内、侧孔向钉道溢出，形成骨水泥柱。Yazu等[12]比较了空心开孔椎弓根螺钉结合CPC强化后和普通螺钉在骨质疏松人腰椎标本上的拔出力，结果表明使用结合CPC空心开孔椎弓根螺钉可提高固定强度。Takigawa等[13]在骨质疏松条件下使用PMMA结合自行设计的螺钉也可显著增强螺钉的稳定性。可膨胀椎弓根螺钉，由外部中空螺钉、可置入中空螺钉内的内栓和螺栓3部分组成，与分叉式髓内钉相似，拧入内栓可以使螺钉尾端膨胀，构成倒刺状，还增加了固定锚点和螺钉-骨界面，螺钉抗拔力明显增加。Cook等[14]研究表明临床上严重骨质疏松患者应用PMMA结合可膨胀椎弓根螺钉进行固定是可行的。

3影响螺钉固定强度的外在因素

3.1 骨密度

目前研究发现骨密度反映了松质骨单位体积内骨的含量，也是影响松质骨螺钉拔出力的重要因素，因为螺钉的轴向拔出力主要来源于骨-钉之间的摩擦力，摩擦力越大，拔出力就越大，皮质骨的固定强度大约是松质骨的十倍以上。Halvorson等[15]用双光子骨密度测定仪测定标本椎体骨密度时发现正常骨密度组平均轴向拔出力较骨质疏松组增大约1000 N，说明螺钉轴向拔出力与椎体骨密度呈正相关。这与Okuyama等[16]研究结果一致：当BMD每降低10 mg/mL，螺钉最大拔出力约减少60 N。Lim等[17]在研究椎体的骨密度与诱发前路椎体螺钉疲劳松动的加载循环次数关系时，表明骨密度与循环加载次数、置入扭力呈正相关。所以骨密度与螺钉拔出力、旋入/出力矩及疲劳稳定性呈正相关性，骨密度越高，螺钉固定强度越大。

3.2 医生手术操作技术及熟练程度

手术操作者的操作技术和熟练程度对内固定术后螺钉的稳定性至关重要，如钉道准备、操作者是否反复改变钉道及反复取出拧入、置钉位置及方向以及在螺钉上反复撑开加压等。George 等[18]比较了用钻头和定位探子两种准备孔道方法后椎弓根螺钉的轴向拔出力，统计学上无显著性差异，但用钻头准备孔道可能破坏椎弓根皮质，降低螺钉固定强度。Polly等[9]发现将椎弓根钉拧出后重新拧入，其旋入扭力降低34%，Bret等[6]认为术中调整螺钉旋出180°或360°不会降低其拔出力。内固定术后螺钉的稳定性与手术操作者置钉的位置和方向也有较大的关系。邹霞等[19]研究发现螺钉拔出力与固定位置有关，进钉点越靠近长骨两端的关节面一侧，其固定强度就越大。国外学者Barber等[20]研究两椎弓根螺钉成30°角相向植入和平行植入进行比较，前者的Fmax较后者平均增加28.6％，螺钉松动前纵向载荷平均增加101％。

3.3 增强螺钉固定强度的强化材料

固定器械、材料以及操作技术的改进最终依赖于被固定骨本身的强度，理想的措施应是直接加强骨质疏松骨基质，提高骨-螺钉界面的强度。用聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）改善螺钉稳定性的方法起初主要应用于四肢和肿瘤外科，以后也被逐步用于脊柱外科的椎弓根螺钉固定。研究表明用PMMA强化后能显著增加椎弓根螺钉在骨质疏松椎体中的轴向拔出力，甚至超过皮质骨的强度[21]。磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）是一种新的骨替代物，凝固时不发热，具有良好的生物安全性、生物相容性、骨传导性和可吸收性，能由外向内缓慢地生物降解，从而被正常的骨组织所替代来完成骨的重建。Renner等[22]研究表明用CPC强化椎弓根螺钉或前路椎体螺钉，显著增加了螺钉的固定强度和弯曲刚度。其他常见的强化材料还有：羟基磷灰石骨水泥（hydroxyapatite cement，HAC）、碳酸磷灰石骨水泥（carbonated apatite cement，CBC）、碳酸钙骨水泥（calcium apatite cement，CAC）、硫酸钙骨水泥（calcium sulfate cement，CSC）、可吸收陶瓷Biobon、复合牛骨形态发生蛋白（bovine bone morphogenetic protein，bBMP）的纤维蛋白胶（fibrin sealant，FS），实验表明使用这些材料强化螺钉均能增加螺钉－骨界面的刚度和固定强度，增强螺钉的即刻稳定性。国内外学者[15， 23]亦有使用骨条、骨屑或颗粒骨修复强化钉道，也能增强螺钉的拔出力。

4 结论

目前国内外对螺钉的自身因素与螺钉固定强度的相关性研究较多，螺钉的设计改进渐趋完善，螺钉进钉技术日臻成熟，但是对内固定器械的疲劳性研究很少，不同试验研究的预负荷、频率、周期性负荷次数均不统一，有待进一步规范和完善。对于外在因素，如骨质疏松导致的螺钉固定失效，目前的研究较多集中在增强螺钉固定强度的生物强化材料上，生物相容性好、可吸收降解、促成骨作用强的新型材料越来越多。随着动物体内试验的进一步研究，生物强化材料及其使用方法会得到更充分的证实，临床上的应用前景也会更加宽广。

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（收稿日期：2012-02-17）