胸腰椎骨折椎弓根螺钉内固定系统的生物力学研究进展

赵佶寅(综述)，沈进稳(审校)

(浙江中医药大学，杭州310006)

胸腰段一般指T11～L2，由于其解剖的特殊性，容易由传导暴力造成损伤，引起脊柱不稳、椎管狭窄、脊髓损伤等。椎弓根螺钉内固定术是目前临床上治疗手术胸腰椎骨折的常用术式。近年来，由于临床检查手段的提高、生物力学的发展以及胸腰椎三维有限元模型的建立与应用，国内外学者对于胸腰椎骨折的病理力学改变及椎弓根螺钉内固定术的生物力学特点和进行了较深入的研究，提出了许多新观点。现通过回顾性分析国内外文献，对胸腰椎骨折椎弓根螺钉内固定术的生物力学研究进展进行综述。

1 椎弓根螺钉内固定术的历史

最早的椎弓根螺钉于1949年由King设计制造。1959年，Boucher在行腰骶椎融合固定术时使用了长螺钉经椎弓根到达椎体，并获得良好效果。1963年，法国Roy-Camille研制出完整的椎弓根螺钉钢板。1984年，Roy-Camille和Judet将脊柱钢板系统广泛应用于临床。1986年 Stefee等［1］设计可滑动槽式钢板，可根据椎弓根解剖调整骨达到锥体。而1982年瑞士Dick［2］在Magerl脊柱外固定器的基础上改良设计了一种具有三维固定作用的经椎弓根短节段脊柱内固定器。1993年北美脊柱学会正式认可椎弓根螺钉在临床上的使用。此后，以椎弓根螺钉内固定系统为基础的脊柱矫形固定系统不断被研制开发并用于临床，取得了较好的疗效［3］。

2 椎弓根螺钉内固定系统的生物力学特点

椎弓根螺钉内固定系统具有固定强度大，骨折复位效果好，使患者早期恢复等优势。这得益于椎弓根内固定装置自身的生物力学特点。首先，它选择椎弓根作为内固定系统与椎体的连接部位。椎弓根已被证实是椎体中最坚强的部分，被称为“力核”［4］。穿过椎弓根的螺钉能使内固定系统与椎体紧密联结，这提高了内固定系统的固定强度，Guur等［5］的离体力学实验证实，椎弓根内固定系统的强度明显优于Harrington撑开系统和Luque节段固定系统。另外，螺钉通过椎弓根自后柱到达前柱能撑开椎体和伸展前纵韧带，在恢复骨折椎体高度方面发挥了重要作用。除了提供坚强的支撑以外，椎弓根内固定系统通过撑开和伸展后纵韧带和纤维环后部，能够使突入椎管的骨块达到一定程度的间接复位和减压［6］。Doerr等［7］提出椎弓根内固定系统可以获得与Harrington系统相同的椎管减压效果。椎弓根螺钉内固定术既能迅速恢复脊柱负重功能，又能改善神经症状，加之后路手术解剖较简单，创伤小，出血少，操作较容易，因此长期以来，开展较为广泛。

3 椎弓根螺钉内固定系统的生物力学缺陷

随着椎弓根螺钉内固定术的开展，断钉及角度丢失等术后病例也陆续出现［6］。人们除了完善椎弓根螺钉内固定术的适应证，提高手术技术之外，也发现了一些椎弓根内固定系统的生物力学特征的缺陷。就复位方式而言，撑开相邻椎体使得受伤椎体恢复高度，本身是一种间接复位，容易出现平行四边形效应和悬挂效应，这是出现后期角度丢失的重要原因。而且从解剖结构上看，窄而薄的后纵韧带较宽而厚的前纵韧带强度低，因此其在伸展中对椎管内骨块复位作用不如椎体前缘的复位作用明显，这也影响减压的效果。与前路手术相比，椎弓根螺钉内固定系统较明显改变了脊柱原有的载荷分布。生理状态下，脊柱的中前柱为主要的承载部位，而前、中柱损伤后，载荷主要由后柱承载［8］，对于此类病例，椎弓根螺钉内固定术后，椎体高度恢复，但椎体内骨小梁支架结构并未同时恢复［9］，形成椎体内空隙，即“蛋壳样”椎体［10］，这使得内固定系统载荷的分担明显增加。Duffield等［11］的测试结果提示，对于完整脊柱，约10%的应力通过内固定系统，但切除中前柱之后，经过内固定系统传导的应力提高了11倍。过大的应力增加了发生内固定断裂的可能性，即使牢靠的内固定也会疲劳失败，内固定取出后还会出现塌陷和矫正度的丧失［12］。虽然，提高内固定系统强度，可以减少内固定失败的可能，但是又造成了固定范围内的应力遮挡，进而出现骨丢失，骨质疏松，融合骨质截面积下降［13］。Smith 等［14］则用后路钢板固定了狗的L3～5两个运动节段，观察到术后6个月L4有14%～16%的骨密度丢失。应力遮挡所造成的骨强度的下降甚至被认为是远期内固定松动的一个重要原因。因此，应力遮挡与牢固固定之间的矛盾也是椎弓根系统有待解决的问题。

4 椎弓根螺钉内固定系统的生物力学改进

随着影像学和计算机技术的发展，近些年来国内外学者对于椎弓根内螺钉内固定系统进行了一系列的生物力学研究，并针对其缺陷进行了多项改进。Cripton等［15］认为，严重的前中柱破坏时，缺乏前柱的支撑，单靠后路内固定不能达到满意的力学稳定性。因而有学者提出在手术过程中行椎体成形术恢复椎体强度，并进行相关生物力学实验［16-17］，结果表明采用伤椎内灌注骨水泥或其他成骨材料的椎体成形术，能有效恢复椎体的强度。但如何防止灌注材料向椎管内的渗漏是需要解决的难题。椎弓根螺钉作为内固定与脊柱直接相连的结构，一直以来都是研究的重点［18］。Krag等［19］研究了螺钉的正确长度，认为将钉道延伸至椎体的80%以上可以提高螺钉的力学性能。Barber等［20］的试验室生物力学测试显示，以30°会聚角置入的螺钉可提供更大的轴向拔出力，并在临床松动阈值内维持更高的载荷能力，此项试验对临床有重要的指导意义。Brantley等［21］认为，螺钉的直径对于固定强度有显著的影响。应该采用临床能够允许的最长最粗的螺钉。但是过粗的螺钉容易造成椎弓根骨折，Misenhimer等［22］应用尸体标本在螺钉置入前后应用CT进行平扫，发现如果螺钉直径＞80%的椎弓根直径，在螺钉置入时椎弓根会发生弹性变，这个发现对于指导临床上螺钉的应用十分重要。近年来又有学者提出对螺钉进行涂层处理，以加强其固定效果。Lotz等［23］研究了碳酸磷灰石骨水泥强化椎弓根螺钉对腰椎的固定作用，测试数据表明，碳酸磷灰石网状骨水泥可加强螺钉的固定。在椎弓根螺钉内固定系统上增加一些结构以增强内固定的强度也是一种研究思路，如附加横向连接杆和在螺钉固定节段附加椎板钩固定等。目前研究较多的一种方式是在骨折椎行椎弓根螺钉固定［24-25］。Dick 等［26］的离体生物实验显示，附加的椎弓根螺钉能增加整个节段在屈伸、轴向以及旋转的稳定性。胡樵等［27］通过类似的体外生物力学试验也证明三椎体六钉椎弓根伤椎内固定方式较传统跨伤椎四钉内固定方式相比能显著增加脊柱的强度、刚度及稳定性。一般认为伤椎置钉的生物力学优越性主要体现在以下几个方面［28］:①伤椎上的椎弓根螺钉能够直接顶推骨折椎，提高伤椎的复位效果，防止高度丢失。②附加的椎根螺钉，能够维持骨折椎椎弓根与关节突和横突的连续性，产生三平面效应，改善载荷的分布，使螺钉所承受的应力相应减少［29］，避免应力集中和出现悬挂效应。③同时背侧加压，伤椎上的椎弓根螺钉与上下节段的椎弓根螺钉在撑开复位时分别构成张力带作用，使其张力带作用更加坚强。经伤椎附加螺钉内固定术已在临床上开展，但也有生物实验认为这种手术方式效果并不明显且增加了手术的风险［30］。

5 小结

几十年来，椎弓根螺钉内固定术取得了很大的发展，其间生物力学研究在指导手术方式和改进内固定装置方面发挥了重大的推动作用。近些年来，实验仪器、影像处理系统及计算机技术的发展，提高了生物实验的精确性。有限元等研究手段逐渐应用到了脊柱损伤领域，这增加了生物力学研究的效率。新材料的开发和应用也使得更高性能的内固定装置的设计和制造成为可能。虽然没有任何一种固定系统的生物力学特点能够等同或优于脊柱的本身。各国的专家们仍在不懈努力，理想的经椎弓根内固定系统应具有结构简单、装置方便、创伤小、符合力学原理、能达到三维矫形牢固固定等优点。相信随着科学的进步和脊柱外科的发展，经推弓根螺钉内固定技术必将日趋完善。

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