骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术的研究进展

潘伟李波* 简月奎吴兴林

综述与讲座

骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术的研究进展

潘伟1李波2* 简月奎2吴兴林2

目前，椎弓根螺钉固定技术由于其三柱稳定固定而广泛应用于临床，但患者一旦合并骨质疏松，其内固定失败风险将会大大增加。针对骨质疏松椎体，骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术不仅操作简单，安全性高，而且能够为骨质疏松性椎体提供稳定持久固定，但同时其也存在设计不合理，骨水泥弥散不均，翻修困难，远期疗效不明确等缺点。本文就骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术的强化原理、力学特性和临床应用、骨水泥渗漏及优缺点研究现状作一综述。

骨水泥；空心侧孔螺钉；骨质疏松；强化

椎弓根螺钉内固定术由于其经过椎弓根进入椎体形成“三柱”稳定固定，而被广泛用于胸椎和腰椎手术中[1]。然而随着人口老龄化的加剧，合并骨质疏松疾病的老年患者越来越多，在骨质疏松患者中，稀疏的骨小梁和破坏的骨组织会使周围骨质对椎弓根螺钉的把持力下降，从而增加螺钉松动风险并导致手术失败[2,3]。因此，对于骨质疏松患者，如何提高椎弓根螺钉把持力成为国内外学者关注和研究的热点。针对这一难题，国内外学者进行了大量的探索和研究，但都主要集中在改良螺钉设计[4]、改变置钉技术[5]和使用骨水泥进行强化等方面，前两者如增加螺钉直径、改变螺纹设计、预先攻丝、双皮质固定等一定程度上可增加螺钉的稳定性，但同时也增加了椎弓根骨折的风险[4]。骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术因其固定稳定可靠，操作简单等优点，已经成为目前临床提高骨质疏松椎体螺钉把持力的最常用、最有效方式之一。现就将骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术相关的原理、力学特性及优缺点等研究进展作如下综述。

1 强化原理

空心侧孔螺钉是一种新型椎弓根螺钉，区别于传统普通椎弓根螺钉，其特征之处在于螺钉内部为空心结构，侧边有骨水泥灌注孔，并且可通过配套的骨水泥推杆等加压将骨水泥灌注至特定位置从而达到对骨质疏松椎体进行强化的目的 ，其不仅能够很好的配合骨水泥的灌注，也能够充分满足术后骨质疏松性椎体力学性能要求。国内学者[6,7]研究认为空心侧孔螺钉加强骨质疏松性椎体主要通过以下两个方面：首先，骨水泥通过推杆等加压从螺钉侧孔流入周围骨质间隙中，加强了螺钉周围骨质疏松性椎体骨质，即提高了螺钉周围骨质密度。其次，当植入骨水泥后，骨水泥作为一种中间介质，将螺钉和周围骨质坚强的锚定在一起，类似于树根状，螺钉、骨水泥、螺钉周围骨质两两紧密结合形成复合体，从而有效增加螺钉与周围骨质的粘附力。隆海滨等[8]通过对行骨水泥强化空心侧孔螺钉固定术后的尸体椎体标本进行三维重建显示固化的骨水泥弥散于骨小梁中，形成了一个紧密的“螺钉-骨水泥-骨小梁”复合体，证明了骨水泥强化空心侧孔螺钉对骨质疏松椎体固定的良好效果。并且，与普通螺钉固定后形成的单一的“螺钉-骨质”界面相比，骨水泥强化空心侧孔螺钉还增加了“螺钉-骨水泥”和“骨水泥-骨质”界面，这样就使螺钉的长期稳定性不仅与"螺钉-骨质"界面相关，还与“螺钉-骨水泥”和“骨水泥-骨质”界面相关。不仅如此，Goldhahn等[9]通过对空心侧孔螺钉的进一步研究，观察到术后椎体内生长的骨小梁通过螺钉的侧孔长入到了螺钉内部，这样就使螺钉与骨质的紧密结合不仅局限在螺钉表明，还增加了螺钉内部，即进行了二次强化。因此，即使对于重度骨质疏松患者，骨水泥强化空心侧孔螺钉也能够取得良好的效果。

2 力学特性及临床应用

近年来，越来越多的研究证实了骨水泥强化空心侧孔螺钉在骨质疏松性椎体内良好的生物力学稳定性，因此，成为脊柱外科关注和研究的热点。

Yazu等[10]比较了骨水泥强化空心侧孔螺钉和普通螺钉抗拔出力，发现与普通螺钉的258 N相比，空心侧孔螺钉抗拔出力提高了147%，达到了637 N，能够为骨质疏松椎体提供满意的稳定的固定。BM Frankel SD等[11]研究表明应用PMMA强化空心侧孔螺钉固定骨质疏松性椎体，可提高稳定强度在119%～162%。马江卫等[12]通过对空心侧孔螺钉与普通螺钉进行生物力学对比研究发现，42例骨质疏松性椎体标本中，空心侧孔螺钉最大轴向拔出力为10356 N，显著高于对照组506 N（<0.05），最大旋出力矩较普通螺钉组的（0.448±0.205）Nom提高了176%（<0.05）至（1.340±0.377）Nom，并且空心侧孔螺钉在周期抗屈实验中也表现良好，普通螺钉在最大负荷介于50~200 N时开始松动，平均载荷为（104±35）N，而空心侧孔螺钉仅有少量出现松动。这一结果与刘扬等[13]研究结果高度一致。对于骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术，将其与钉道骨水泥强化椎弓根螺钉固定技术相比更具有参考意义，尽管两者强化效果仍存在争议，但国外有关学者[14]通过对两者对比研究发现，两者虽然都能够很好地提高椎弓根螺钉的抗拔出力，但疲劳应力方面，与对照组相比，空心侧孔螺钉骨水泥强化组提高了27%，而钉道骨水泥强化组降低7%。国内学者郭文龙等[15]通过对老年骨质疏松尸体标本进行椎弓根螺钉拔出实验发现，与空白对照组相比，钉道骨水泥强化组提高最大轴向拔出力61%，而空心侧孔螺钉骨水泥强化组效果更佳，为91%。这也充分说明骨水泥强化空心侧孔螺钉固定稳定，效果良好，能够很好满足骨质疏松椎体机械性能要求。

目前，骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术因其良好的稳定性及可靠性已被越来越多的脊柱外科医师所接受并广泛应用于临床。2007年，Fransen等[16]首次报道并采用骨水泥强化椎弓根螺钉固定技术治疗腰椎退行性疾病，术后随访效果良好，从而引起国内外学者的广泛关注。国内学者[17,18]通过对应用骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术治疗的患者进行随访，发现随访周期内，椎体间融合率良好，螺钉均未出现断裂、松动及滑移，且术后VAS评分较术前明显降低，JOA评分等均较术前明显改善（<0.01），临床效果满意，提示骨水泥强化空心侧孔螺钉能够显著增强骨质疏松性椎体的稳定性。杜蟠等[19]通过对空心侧孔螺钉与传统普通椎弓根螺钉对比研究发现，两组骨密度、住院时间、术中出血量差异无统计学意义（均>0.05）,而手术时间空心侧孔螺钉固定组较对照组略微延长，但进一步随访发现，传统普通椎弓根螺钉固定组1例患者出现螺钉松动，并引起了局部疼痛，因此相比传统普通椎弓根螺钉，骨水泥强化空心侧孔螺钉不仅能够较好的缓解疼痛，改善功能，提高患者生活质量，还能明显增强骨质疏松性椎体的稳定性，减少螺钉的松动、断裂等并发症。同时这也与国外学者Chang等[20]和Lubansu等[21]研究结论一致。但随着对临床患者随访时间的逐渐延长发现，骨水泥强化空心侧孔螺钉应用于骨质疏松椎体后可能会出现固定节段应力集中并加快邻近节段退变，从而导致脊柱不稳和邻近椎体骨折风险增加等并发症[22,23]。Baroud等[24]通过对骨水泥强化空心侧孔螺钉和普通螺钉对比研究，观察到相较于普通椎弓根螺钉组，空心侧孔螺钉固定组椎体变形指数和椎间隙高度等指标均明显改变且大于对照组，分析原因是由于椎体内填充了骨水泥，其椎体形态及刚度发生了改变，从而加速了邻近节段退变。但即使如此，骨水泥强化空心侧孔螺钉对责任节段的固定效果肯定，仍然值得推广应用。

3 骨水泥渗漏

骨水泥渗漏是空心侧孔螺钉固定技术的主要并发症，目前，PMMA为临床使用最广泛的骨水泥材料，其一旦渗漏引起的不良后果主要包括[25-27]：骨水泥单体液毒性，进入血管可导致一过性低血压，休克、心肌梗死、肺栓塞、猝死等并发症；骨水泥渗漏入椎管压迫神经根、脊髓、马尾神经等导致患者术后截瘫，感觉丧失；PMMA生物相容性差，不能被降解，不能诱导新骨形成，容易造成螺钉的后期松动。国外学者[22]对比PMMA强化钉道及空心侧孔螺钉发现：实心螺钉组骨水泥渗漏率为17.9%，渗漏入椎管发生率为11.7%；而空心侧孔螺钉骨水泥渗漏率为13.6%，渗漏入椎管发生率为8%，两组间无统计学差异。但部分学者认为相较于钉道强化，空心侧孔螺钉能够有效降低骨水泥渗漏风险。Moon等[28]应用骨水泥强化空心侧孔螺钉固定术治疗37例骨质疏松患者，其中2例发生渗漏，无椎管内渗漏，渗漏率5.4%，并且术后分析认为渗漏与患者严重骨质疏松相关。关于骨水泥强化空心侧孔螺钉降低骨水泥渗漏的原因，研究认为与螺钉侧孔分布位置有关，螺钉植入椎体后，侧孔分布离椎管越远，PMMA渗漏风险越低[29]。Hu等[22]应用空心侧孔螺钉对椎体椎弓根部进行强化发现骨水泥渗漏率高达40%。因此，螺钉远端1/3是预防骨水泥渗漏的侧孔分布安全区域。然而Hirno等[30]通过生物力学实验研究发现，椎弓根螺钉的抗拔出力60%由椎弓根部位提供，椎体部位提供的抗拔出力较小，这也充分说明临床正使用的大部分空心侧孔螺钉并未发挥最大强化作用。因此，在骨质疏松椎体内如何平衡骨水泥渗漏风险和椎弓根螺钉的稳定持久固定是脊柱外科医师面临的难题。

4 优点与不足

对于骨质疏松性椎体，空心侧孔螺钉由于其创新的设计，因此相比钉道骨水泥强化椎弓根螺钉，其优势也更加明显。首先，因其采用配套的骨水泥灌注装置，容易掌握，具有更强的操作性。其次，较钉道骨水泥强化，骨水泥空心侧孔螺钉强化操作程序化，术中骨水泥灌注可操作时间延长，可控性强，能够有效避免术中骨水泥渗漏风险，提高手术安全性[31]。再次，采用骨水泥强化空心侧孔螺钉手术过程中，多枚螺钉骨水泥灌注可同时进行，不仅节约了骨水泥用量，同时也相对缩短了手术时间[17]。最后，与钉道骨水泥强化椎弓根螺钉形成的“骨质-骨水泥”和“骨水泥-螺钉”界面相比，空心侧孔螺钉还保留了部分“骨质-螺钉”界面，增加了骨质疏松椎体术后稳定性，减少了松动风险，更有利于椎弓根螺钉的长期固定[32]。正因如此，骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术也受到越来越多的基础和临床学者关注。

然而随着骨水泥强化空心侧孔螺钉在临床上的广泛的使用，许多学者也发现了一些不足。首先，目前临床使用的大部分空心侧孔螺钉为“U”形固定头设计，增大手术操作难度，且术中安装钛棒及旋钉过程中，会再次对骨水泥凝固后已经形成的稳定的“骨水泥-螺钉”结合界面形成破坏，降低强化效果，增加了椎弓根螺钉术后松动风险[14]。其次，由于骨水泥强化空心侧孔螺钉后形成了牢固的骨质-骨水泥-螺钉复合体，患者一旦发生内固定失效，将面临翻修困难，王庆伟等[33]通过骨质疏松尸体椎体标本进行空心侧孔螺钉和普通螺钉对比拔出实验，观察到空心侧孔螺钉组最大轴向拔出力较普通螺钉的（535.191±98.102）N提高了87.5%至（1003.582±136.018）N，因此，骨水泥强化空心侧孔螺钉固定后的翻修术中，空心侧孔螺钉将很难顺利取出，即使强行取出，也将对患者椎体造成巨大破坏。最后，应用骨水泥对空心侧孔螺钉进行强化时，骨水泥主要从空心螺钉第一个侧孔流出，而远端侧孔几乎无骨水泥强化，导致骨水泥在椎体内弥散分布不均匀，增加了骨水泥渗漏风险[34]。因此临床中如何能够使骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术既能够取得坚强固定，又能够操作方便，减少骨水泥渗漏，尚需要进一步探索研究。吴剑维等[6]以安全性及生物力学稳定性为评价指标设计了新型空心侧孔椎弓根螺钉并在尸体椎体标本上进行试验，发现侧孔分布间距不同，螺钉提供的力学稳定性不同，侧孔间隔两个螺纹者较间隔一个螺纹者能够部分强化椎弓根，因而强化效果更优。进一步研究还发现，侧孔设计可控制骨水泥在椎体内的分布，侧孔直径相同的空心螺钉骨水泥灌注后呈圆柱形分布，而侧孔直径不等的空心螺钉骨水泥灌注后呈圆锥形分布，拔出实验表明：相较于侧孔直径相同组空心螺钉，侧孔直径不等组空心螺钉不仅能够提供更好的力学强度，而且骨水泥渗漏风险更低。目前，关于改良空心侧孔螺钉设计的各种研究已正在进行之中。

5 展望

随着椎弓根螺钉内固定系统的持续改进和发展，骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术因其操作简单，安全性高，固定稳定可靠等优点为骨质疏松患者脊柱内固定提供了良好选择。然而，空心侧孔螺钉因其内部中空，强化集中于椎体前部导致受力不均等因素使螺钉的力学分布及周期抗疲劳性发生了改变，目前尚缺乏与之相关研究。此外，如何通过改进椎弓根螺纹设计，螺钉侧孔分布、螺钉直径大小等使骨水泥强化空心侧孔螺钉固定技术既能够取得满意的持久固定，又能有效减少骨水泥渗漏风险，仍需要大量的基础及临床研究去探索。

另外，目前临床常用的骨水泥强化椎弓根螺钉固定方式有两种，即传统钉道骨水泥强化和空心侧孔螺钉骨水泥强化。这两种方法各有特点，都能够很好的满足骨质疏松性椎体的稳定固定，但两种方式对骨质疏松性椎体的强化效果仍存争议，两者孰优孰劣及二者在力学稳定性方面的差异尚不明确。因此，不同年龄、不同程度骨质疏松条件下，选用何种强化方式既能够实现持久稳定固定，又能够最大程度降低近远期并发症，如渗漏、邻近节段退变等问题的发生，需要进一步研究。我们相信，随着骨水泥强化椎弓根螺钉固定术的越来越广泛使用，随着对相关病例近远期随访的完善，针对不同年龄、不同骨质疏松条件，选择合适的强化方式，将会使骨水泥强化椎弓根螺钉固定技术取得更好的临床效果。

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The research progress of bone cement augmented fenestrated pedicle screw technique

Pan Wei1,Li Bo2,Jian Yuekui2,et al.1 Guizhou Medical University,Guiyang Guizhou,550004;2 Department of Orthopedics,Guizhou Provincial people's Hospital,Guiyang Guizhou,550002,China

Pedicle screw fixation technique is now widely used in clinic because of its three-columns stable fixation,but once the patients with osteoporosis,the risk of failure of fixation will be greatly increased.For the osteoporotic vertebral body,the technique of bone cement augmented fenestrated pedicle screw is not only convenient,safe,but also can provide stable and lasting fixed.However,italso hasunreasonable design,uneven dispersion of bone cement,renovation difficulties,far term efficacy is not clear and other shortcomings.This article will review research progress of bone cement augmented fenestrated pedicle screw technique,including the principle,the biomechanical analysis and clinical application,the bone cement leakage,the advantages and disadvantages.

Bone cement;Fenestrated pedicle screw;Osteoporosis;Augmentation

R681.5

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.03.016

swgk2016-12-00295

2016-12-22）

1贵州医科大学，贵州贵阳550004；2贵州省人民医院骨科，贵州贵阳550002

潘伟（1989-）男，硕士研究生在读。研究方向：脊柱外科。

*[通讯作者]李波（1963-）男，主任医师，教授，硕士生导师。研究方向：脊柱外科。