不同骨密度对胸腰椎椎弓根内固定早期稳定性的生物力学研究

王春生 苏峰 张春玲 宗治国 王燕波 张志敏

1.河北北方学院研究生学院，河北 张家口 075000 2.河北北方学院附属第一医院脊柱外科，河北 张家口 075000 3.河北北方学院附属第一医院放射科

脊柱椎弓根钉内固定技术在治疗脊柱疾病中相对来说创伤小，手术操作安全，能够达到脊柱内固定的力学要求，并且已经取得了较为满意的临床治疗效果，使之成为脊柱手术治疗中的首先考虑的技术方式[1-2]。但随着我国老龄化人口比例的不断上升，越来越多的需要进行脊柱内固定的病人伴有不同程度的骨质疏松[3]。临床治疗过程中，许多患有骨质疏松症病人行脊椎椎弓根内固定手术后复查，发现椎弓根螺钉的松动、拔出等现象，甚至有些患者因此出现复位、固定失败[4-5]。以往的研究报道主要针对脊柱椎体骨密度与内固定术后即刻稳定性关系的研究，临床上脊椎从内固定开始到骨性融合大约需要3-4个月的时间，在这段时间内椎弓根钉内固定生物力学稳定性与脊柱骨密度的关系研究的报道鲜有[6-7]。该研究通过探讨不同脊柱骨密度与早期椎弓根内固定稳定性的关系，旨在为临床医师椎弓根螺钉的置入及术后指导患者功能锻炼提供参考，以及研究内固定术后螺钉产生松动原因的生物力学机制提供依据。

1 材料与方法

1.1新鲜成年绵羊胸腰椎尸体标本(T13～ L3节段) 36 具，均为(30.0±2.5) 月龄，雌雄各半，X线透视下无骨骼缺损、畸形及病变，以保证测试标本正常。 生物力学机；双能X线吸收骨密度仪；直径4 mm的钻头2枚；椎弓根螺钉系统；台钳；游标卡尺；3%稀盐酸；自凝牙托水、牙托粉材料等。

1.2采用双层塑料袋将36具新鲜的羊脊柱标本密封，放入泡沫箱中后，置于-20 ℃冰柜中低温保存。在测试实验前6 h在实验室常温下解冻，把脊柱标本周围的肌肉等软组织剥除，但保留脊柱周围的相关韧带、椎间盘、小关节等，确保骨及周围附属关节软骨的完整性，大量清水冲洗标本。

1.3将36个新鲜绵羊腰椎标本完全随机分为 4组，应用微量注射泵椎弓根内灌注浸注及整体浸泡盐酸的脱钙方法[8]对各组进行相应处理，A 组(正常骨质组，未脱钙)，B 组(骨量减少组，2h 脱钙)，C组(骨质疏松组，4 h 脱钙)，D 组(严重骨质疏松组，6h 脱钙)，9个/组，建立不同骨密度的羊脊柱生物力学标本；每一实验步骤都遵循统一标准，使组间和组内的实验误差尽量降到最低，采用Lunar公司生产的EXPERT-XL双能X线骨密度仪(Ge Edocal Systems Lunar软件)分别在脱钙前后对 A、B、C、D四组实验标本椎体的骨密度进行检测，并比较其结果。见表1。

分组Group脱钙时间DemineralizationTime(h)脱钙前BNDBefore Deminerali-zation (g/cm3) 脱钙后BMDAfter Deminerali-zation (g/cm3)A组Group A01.10±0.031.10±0.03B组GroupB21.10±0.050.86±0.06C组GroupC41.09±0.060.73±0.04D组GroupD61.08±0.040.60±0.03

1.4把牙托石膏水和石膏粉按比例混合放入自制的容器中，然后将制备好的4组不同骨密度的脊柱标本的两端进行包埋固定。统一按照Magerl进钉法，经椎弓根置入相同深度的椎弓根螺钉，用游标卡尺对椎体外面的螺钉长度进行测量，以证实进钉深度相同。

1.5将椎弓根钉固定好的脊柱标本固定于生物力学机上，在对每一个标本进行操作时，先按照6 N/m 力偶矩进行前屈后屈10次，降低椎间盘粘性的影响。然后对标本以 1.5 Hz的频率、(300±105) N 的载荷进行2 500 000次循环加载。疲劳试验完成后，首先将四组标本顺序随机分配，立即对每一组的标本按照前屈、后伸、左侧弯、右侧弯的顺序进行实验加压，载荷为 6 N/m。在实验加载的同时，利用电子扫描仪分别对每一组标本进行摄图，当载荷达到6 N/m时记录下此时的图像，测量并计算每一个标本的活动范围。然后调整标本位置，使固定两端与脊柱的纵轴在一条垂线上，按照500 N的力、10 mm/min的速率对标本进行轴向压缩，观察生物力学机上位移的数值变化，当标本出现最大位移时，记录实验结果，计算每组标本的平均刚度。最后将标本分割为单个椎体，用台钳将椎体于生物力学机的底座上，用生物力学机上端的加载盘固定螺钉的钉帽，以10 mm/min 的位移速度沿垂直方向拔出螺钉，实验开始时随着拔出位移增大，拔出力的力值也逐渐增加，随后当螺钉的轴向拔出位移不断增加时，拔出力值却出现下降，停止拔出实验。记录下螺钉的最大拔出力。

2 结果

2．1活动范围从实验结果数据中可以看出，经过疲劳实验后， B组C组D组分别与A组相比，脊柱活动范围都有不同程度的增大，而且C组、D组活动范围增加的幅度更加明显。差异间有统计学差异(P<0.05)，B组C组D组间进行两两比较发现：随着骨密度的降低，脊柱活动范围逐渐增加，差异有统计学差异(P<0.05)。见表2。

2.2轴向压缩刚度和螺钉拔出力不同骨密度轴向压缩刚度各不相同，A组< B组< C组< D组，不同椎弓根骨密度固定脊柱的最大轴向拔出力分别为：A组>B>C组>D组，4 组比较差异有统计学意义 (P<0.05)。组间两两比较结果显示：B组、C组、D组螺钉的最大轴向拔出力均小于A组(P<0.05)，且B组、C组、D组的最大轴向拔出力逐渐减小，4 组之间比较差异有统计学意义(P<0.05)。对三个稳定性指标测量结果行相关性分析，结果呈正相关(P<0.01)。

分组GroupA组Group AB组Group BC组Group CD组Group D前屈Flexion1.45±0.271.89±0.282.76±0.163.86±0.25后伸Extension1.83±0.412.23±0.343.45±0.234.45±0.31左侧弯 Left lateralbending4.23±0.764.73±0.936.49±1.467.61±0.98后侧弯 Right lateralbending4.45±0.945.11±0.566.50±0.987.78±0.87

A组：骨量正常组；B组：骨量减少组；C组：骨质疏松组；D组：严重骨质疏松组
Group A: normal; Group B: osteopenia; Group C: osteoporosis; Group D:severe osteoporosis

分组GroupA组Group AB组Group BC组Group CD组Group D轴向压缩刚度Axial compressivestiffness(N/m)298.02±17.34257.21±14.45150.14±12.2190.09±15.61螺钉最大拔出力Maximum drawingForce Of screws (N)249.44±35.29202.23±48.17142.41±23.76100.43±30.65

A组：骨量正常组；B组：骨量减少组；C组：骨质疏松组；D组：严重骨质疏松组；
Group A: normal; Group B: osteopenia; Group C: osteoporosis; Group D:severe osteoporosis

3 讨论

3.1伴随经椎弓根螺钉内固定技术广泛应用于脊柱的固定与矫形，因骨质疏松等原因引起的螺钉松动、拔出等并发症不断增多，最后导致内固定治疗失败的问题日益凸现[9]。

3.2尽管绵羊标本与新鲜人体脊柱标本在解剖结构上存在一定的差异性，但其解剖形态、密度及生物力学方面与人体脊柱均有良好的相似性，且已被广泛用于脊柱动物模型制作[10]。本实验采用微量注射泵椎弓根内浸注联合椎体浸泡的方法进行骨质疏松造模，其优势[11]是：操作简单，可较好的控制骨质疏松程度，可重复操作性强，所需时间短。

3.3以往的实验对于骨密度对钉棒内固定即刻稳定性的研究报道较多，但是对于其早期稳定性研究鲜有报道。研究表明[12]：BMD与螺钉的即可轴向拔出力具有显著相关性，由于骨质疏松，骨纤维的质与量下降，螺钉螺纹对骨矿量的咬合力降低，并且还证实椎体骨密度每降低10 mg/cm3，螺钉最大拔出力降低60 N。随着技术的发展，内固定使脊柱失状面得以重建，椎弓根内固定即可稳定性得到了认可，即使是三维六个自由度的器械矫正最终靠骨性愈合来完成脊柱生物力线的稳定性。在内固定术后到椎体骨性愈合这段时间内，脊柱的稳定性主要是靠内固定的来维持的。内固定术后的患者早期过度活动，使内固定受到异常应力，会导致螺纹螺钉对骨矿量的咬合发生变化，造成螺钉的松动，甚至内固定失效[13]。Ashmanetal[14]统计表明脊柱从内固定融合达到真正的骨性融合的这段时间内，正常脊柱生理活动时下，要承受约100万次的活动。因此，本实验重点研究术后早期异常应力对内固定稳定性的影响。

3.4本实验研究250 000次前屈、后伸、侧弯、旋转的循环载荷，来模拟术后患者卧床恢复锻炼活动时内固定脊柱受异常应力的基本状态。而且本实验不仅仅是通过单个骨质疏松椎体本身拔出力的研究，来评价内固定系统的稳定性，通过钉棒固定骨质疏松椎体后，对脊柱进行疲劳试验，对整体内固定系统的稳定性的评价更加全面。本实验结果表明：经过疲劳试验后，无论是螺钉最大拔出力，还是轴向压缩刚度，都随着骨密度的降低而降低，而脊柱的活动度却随着骨密度的降低而升高。另外，从数据中可以明显看出，在C组和D组，椎弓根内固定系统的早期稳定性下降的程度更加明显。在这个程度的骨密度范围内，我们简单的行普通螺钉固定的失败风险是很大的。经过疲劳实验后，骨量下降组椎弓根钉的稳定性也会下降，在临床中对于这个范围内的骨密度应注意选择合适的内固定方式和下床活动时间。但是需要指出的是，因新鲜羊脊柱标本与正常人脊柱标本存在差异性，而建立的骨质疏松性生物力学模型，只是在力学方面与人体生理条件下骨质疏松情况更接近。所以对于这一实验结果仍需要通过临床实践进一步验证。

综上所述，脊柱骨密度是决定椎弓根钉系统稳定性的重要因素之一，骨密度含量越高，对于内固定早期的稳定性越好，反之，则越差。因此，对于需要性椎弓根螺钉固定的中老年人，术前需常规行骨密度检查，根据腰椎 BMD 值既能够为术者选择合适的手术方式提供参考，还能为术后的康复锻炼进行指导。从生物力学角度来说，对于骨量减少的患者术后应尽量延长卧床时间，避免早期下床活动及过大的活动量，对于骨质疏松、严重条件下患者尽量采用其他方法来提高椎弓根钉的固定强度，可以最大限度保证内固定手术的成功率。至于术后患者下床活动的时间、强度以及活动的方式，需要以后进一步探索与研究。