增强骨质疏松患者椎弓根螺钉稳定性的研究进展

杨浚一 张 帆 熊家伟 梁 杰

椎弓根螺钉广泛用于治疗骨折、退行性病变、滑脱、椎管狭窄、畸形、肿瘤等脊柱疾病，通过撑开、旋转、加压等方式达到有效的三维稳定。其稳定性主要取决于骨螺钉界面强度，其中可以量化的指标有抗拔出力、疲劳强度、刚度和插入扭矩[1]。骨质疏松患者由于骨质量下降、骨组织结构脆弱，其生物力学稳定性明显下降，传统的椎弓根螺钉和手术技术难以维持原有的固定能力，容易产生松动、移位和拔出[2]。骨质疏松患者螺钉松动发生率为0.8%～2.7%，甚至有可能超过50.0%[3]。为减少此类并发症的产生，主要通过改进螺钉设计和手术技术来增强椎弓根螺钉在骨质疏松椎体的固定强度。本文通过回顾相关文献，对螺钉设计、手术技术进行综述。

1 螺钉设计

1.1 螺钉直径和长度

增加螺钉直径可提高椎弓根螺钉稳定性，直径过大则易导致椎弓根壁破裂，降低稳定性[4-5]。据研究[6]报道，螺钉直径增加1 mm 时，其抗拔出力及抗疲劳能力分别提高24.0%和5.0%。宗治国等[5]认为，影响螺钉稳定性的因素与椎弓根不同部位的皮质厚度有关。螺钉直径增大可以获得的下壁皮质（厚度最大）较多，同时尾端也可以接触更多的皮质骨增加拔出力。但直径增加的范围有一定限制，有研究指出当螺钉直径超出椎弓根宽度70.0%时，增加直径所产生的拔出强度会处于平台期，其原因可能与增加直径并不能获得更多皮质骨和骨小梁有关，所以螺钉直径的增加存在一个合适的范围，一般情况下建议螺钉直径小于椎弓根直径0.5 mm，可保证稳定性，并提高手术效果[2]。最后，直径过大易导致椎弓根皮质产生破裂，拔出强度会显著降低。因此，一定范围内的螺钉直径增大，可以增加固定强度，但直径过大的螺钉产生的风险会超出所带来的收益。

增加螺钉长度可以理解为增加置钉深度，尽管部分研究认为增加螺钉长度不能增强螺钉稳定性[4，7]。但有学者认为，增加螺钉长度可以增强稳定性，原因为长度的增加可以获得更多的骨小梁提高拔出力。如CHUA等[8]研究认为，当螺钉深度达到椎体长轴的80.0%深度时，螺钉稳定性是可靠的，并且强于达到50%的深度。因此，增加椎弓根螺钉的置钉深度可以在一定程度上增强椎弓根螺钉的稳定性，并且直径和深度的同时增加，可以显著增加螺钉的插入扭矩和拔出强度[9]。

1.2 螺纹和螺距及外形

螺钉中的螺纹、螺距和外形均可以增加生物力学性能。标准的椎弓根螺钉为圆柱形，新型螺钉内外径均为圆锥形，圆锥形的内径可以增加远端螺纹深度，更好地增加与骨质的接触面积，咬合更多的骨质，获得更多抗拔性能[10]。同时，锥形螺钉的尾端内径大于柱形螺钉，可以获得更多的皮质骨增强拔出力，所以锥形螺钉力学性能更显著[9]。

螺纹的改进是现在研究的热点。无论圆柱形、圆锥形螺钉，当螺纹发生改变时，其抗拔强度均增加[11]。螺纹根据其牙型可分为V 形螺纹、方形螺纹和锯齿形螺纹，而各种螺纹可以单用或联用。如INCEOGLU 等[12]测试了单独V 形螺纹和远端V 形螺纹结合近端方形螺纹螺钉的插入扭矩对比，结果得出后者的插入扭矩强于前者；同时，根据骨质疏松模型得出单用V 形螺纹螺钉抗拔出力高于方形和锯齿形[11]。另外，目前新型螺钉的螺旋线多为双线螺纹，目的是抵抗螺钉的滑动，增加进钉速度和抗拔能力。盛林等[13]报道，螺钉每进入一圈，单线螺纹螺钉进钉3 mm，双线螺纹螺钉进钉6 mm，极大提高了手术效率，缩短了手术时间。最后，值得关注的是一种新型的双外径螺钉，该设计为近端有较大的外径（7 mm），远端则为标准外径（5.5 mm），螺纹深度远端为标准的1 mm，近端为1.75 mm。LORENZ等[14]通过试验对比得出，双外径螺钉的拔出强度和插入扭矩与骨水泥增强的标准椎弓根螺钉相同。因此，使用双外径螺钉可提高椎弓根螺钉的拔出强度和插入扭距。

1.3 膨胀螺钉

膨胀螺钉是通过增加螺钉于椎体骨松质间的接触面积，继而增加螺钉的拔出强度。WAN 等[15]指出，膨胀椎弓根螺钉的拔出强度和失效能量与骨水泥增强相似，拔出强度比常规椎弓根螺钉大5 倍；缺点：膨胀椎弓根螺钉会对松质骨造成损伤，存在失败风险。此外，膨胀螺钉因尺寸偏大，仅限用于下胸椎、腰椎和骶骨，且拆卸困难。膨胀螺钉尽管生物力学性能显著，但临床上存在融合失败、螺钉断裂增加翻修手术难度等问题，目前仍需要对如何提高成功率和减少并发症继续研究[2]。

1.4 骨水泥增强型椎弓根螺钉

骨水泥增强型椎弓根螺钉是严重骨质疏松患者首选治疗措施[1，14]，但存在热损伤、机械损伤、肺栓塞等并发症[2]。过去研究报道多关注于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等骨黏固剂对实心椎弓根螺钉的强化作用，并且认为3 ～4 mL 的PMMA 可以达到较好的稳定强度，并减少并发症的产生[1]。现通过更改螺钉设计，提出带侧孔的空心椎弓根螺钉安全性和力学性能更好。如COLMAN等[16]提出，加用骨水泥的侧孔螺钉生物力学效能优于实心螺钉，并且安全性更高，因为水泥可以通过螺钉侧孔流出来，并且可确保水泥紧贴螺纹沉积，骨水泥外渗概率低，同时骨水泥可以将螺钉与松质骨紧密结合，增加了骨螺钉界面的强度。同样，一项荟萃分析指出侧孔螺钉脑脊液漏发生率（0%）和切口感染率（2.1%）均低于常规螺钉[17]。在设计方面，中空侧孔螺钉的设计包括中空远端侧孔螺钉和中空近端侧孔螺钉，但使用远端侧孔螺钉更安全，因近端侧孔更易出现骨水泥渗漏。尽管侧孔螺钉加用骨水泥时可以增加生物力学效应，减少并发症，但后期翻修手术时骨水泥的清理是无法避免的问题。有学者提出使用新型生物材料（如磷酸钙纳米复合材料）替换PMMA，但新型材料目前多处于研发阶段，效果仍需后续研究考证[1]。

2 手术技术

2.1 引导孔和预攻丝及置钉角度

引导孔的大小对螺钉的置入至关重要，过大导致螺钉拔出强度降低，过小产生椎弓根骨折，尽管其临床实用性不强，但有学者认为可以引导开路锥的设计和改进[4]。引导孔攻丝是常用的置钉手法，但是攻丝后会降低螺钉旋入过程中产生的摩擦力，减少插入扭矩，故对于骨质疏松患者不推荐预攻丝，多应用自攻螺钉[18]。置钉角度的不同可以增加椎弓根螺钉的拔出强度，如有学者提出矢状面上将螺钉倾斜与椎体终板成角置入，可提高椎弓根螺钉的轴向拔出强度[19]。但此方法存在手术技巧和角度把控的困难，若角度和深度过大，容易刺破椎板或穿破椎体，进而有可能造成椎前血管损伤，所以今后可以探究最佳深度和角度，提高此法的可行性。

2.2 双皮质螺钉

双皮质螺钉的手术技术要求螺钉超过椎体前缘2 ～3 mm，横断面上螺钉穿出椎体前方一般在0 ～30°区域内[20]。但此区域内存在许多较大的血管、神经和腹腔脏器，增加了损伤风险。LIU 等[21]认为，双皮质螺钉不适合所有的腰椎，仅在L1 ～L3 的内倾角度为0°时使用双皮质螺钉可以降低血管损伤风险，其余角度置入时均存在对血管损伤的风险。KIM 等[22]指出，骶1 椎体适合使用双皮质螺钉，但需要选用最佳的螺钉长度和角度，而且前内侧的螺钉角度比前外侧具有力学优势。因此，双皮质螺钉尽管存在着生物力学优势，但是使用范围有限，损伤血管风险高，仅推荐在骶椎中使用[20]。

2.3 皮质骨轨迹

皮质骨轨迹是从横向轴平面的内侧到外侧，通过椎弓根尾侧到矢状面的头部，最大限度地接触螺钉与皮质骨。由于侵入性低，螺钉尖端与上皮质骨接触，神经血管损伤发生率低，广泛应用于后路腰椎融合术[23]。皮质骨轨迹中的最大插入扭矩与骨密度的相关系数小于椎弓根螺钉，加上螺钉最大限度地接触骨皮质，插入扭矩较大（较椎弓根螺钉高出1.7 倍）[9]。当皮质骨螺钉直径大于5.5 mm，长度大于35 mm 可以更好地增加拔出强度，这与螺钉直径和长度增加可以更多地接触关节间部、椎弓根下部和椎骨前的皮质骨，增加插入扭矩和拔出强度相关[24]。但也有试验[1]表示，皮质骨轨迹螺钉的插入扭矩、拔出载荷和疲劳性能强，但弯曲和轴向旋转与普通椎弓根螺钉无差异，这可能与皮质轨迹的置钉方法和置钉深度相关。最后，皮质轨迹螺钉可用于椎弓根螺钉结构失败或受损的抢救[25]。因此，尽管皮质骨轨迹的生物力学优势强于普通的椎弓根螺钉，直径和长度较小，血管和神经损伤风险小，可较好地用于骨质疏松患者，同时可以挽救受损或失效的椎弓根螺钉，但皮质骨轨迹螺钉并非严格意义上的椎弓根螺钉，且长度和直径较椎弓根螺钉小，螺钉在活动中需要承受弯曲和旋转，未来需更多功能体外试验验证其力学性能、最佳置入深度和角度，提高稳定性和安全性。

目前，获得良好的椎弓根螺钉固定强度仍是一个挑战，尽管已从螺钉设计和手术技术上进行了许多研究，但均存在不足，可行性和安全性仍需进一步探讨。其次，临床使用中需要重视个体化原则，同时整合并发症、翻修等相关因素，研究出更佳的置钉方案或螺钉设计技术。