论文部分内容阅读
椎弓根螺钉技术已经成为脊柱外科最常用的内固定技术。随着我国人口老龄化的日益加剧,越来越多的骨质疏松(osteoporosis, OP)患者因脊柱疾病需要进行内固定手术。然而,OP严重影响钉骨界面的结合强度,使螺钉的把持力下降,常常导致螺钉松动、退出。因此,如何有效的提高OP条件下椎弓根螺钉的稳定性、防止螺钉松动已经成为脊柱外科亟待解决的难题。本课题组在前期设计出膨胀式椎弓根螺钉(expansive pedicle screw, EPS),研究表明EPS可以显著提高螺钉的稳定性,也可以有效的降低因增加螺钉的直径和长度带来的风险。有趣的是,通过文献回顾我们发现:尽管骨水泥(polymethylmethacrylate, PMMA)存在热损伤、渗漏和神经压迫等风险,但凭借其良好的机械强度和强化效果,PMMA仍然被广泛的用于OP条件下螺钉的强化处理。然而,在提高螺钉稳定性和优化钉道界面方面, EPS与传统的PMMA强化螺钉(polymethylmethacrylate-augmented pedicle screw, PMMA-PS)谁更具有优势呢?目前国内外还没有这方面的研究。目的:通过体外标本实验和动物体内实验比较EPS和PMMA-PS的稳定性和钉道界面情况,为EPS在临床上的广泛应用提供充分的理论依据。方法:1)体外实验部分:OP生物力学实验模块、OP尸体腰椎、离体绵羊腰椎均随机分为三组,对各组中的标本采用相同的方法制备钉道。普通椎弓根螺钉(conventional pedicle screw, CPS)组:直接拧入CPS;PMMA-PS组:向钉道内注入PMMA后再拧入CPS;EPS组:直接拧入EPS,插入内栓、压棒后拧紧螺帽。螺钉置入24小时后,对所有OP生物力学实验模块和OP尸体腰椎进行X线和CT检查,然后行轴向拔出实验;对离体绵羊腰椎进行轴向拔出实验、周期抗屈实验、micro-CT分析和组织学观察。2)体内实验部分:成功建立OP绵羊模型后,将绵羊腰椎(L1-L6)随机分为CPS组、PMMA-PS组和EPS组,置钉方法同离体绵羊腰椎实验部分。于术后3月和6月两个时间点各处死4只绵羊,行轴向拔出实验、micro-CT分析和组织学观察。结果:1)体外实验部分:X线检查和CT重建示,各组中螺钉位置均良好,未见PMMA渗漏现象,EPS均明显膨胀。①OP生物力学实验模块中,PMMA-PS组和EPS组的最大轴向拔出力(the maximum pullout strength, Fmax)和能量吸收值(energy absorbed to failure, E)均显著高于CPS组;而EPS组的Fmax和E均显著低于PMMA-PS组。②OP尸体腰椎中,PMMA-PS组和EPS组的Fmax和E均显著高于CPS组;而EPS组的Fmax和E与PMMA-PS组之间均无统计学差异。③离体绵羊腰椎中,PMMA-PS组和EPS组中螺钉的轴向稳定性和横向稳定性均显著强于CPS组,而EPS组的轴向稳定性和横向稳定性与PMMA-PS组之间均无统计学差异。CPS组中,骨组织直接包裹螺钉,形成了“螺钉-骨质”界面;PMMA-PS组中,PMMA严密包裹螺钉,分布在钉骨之间及钉道周围的骨髓腔内,阻碍了螺钉与骨质的直接接触,形成了“螺钉-PMMA-骨质”界面;EPS组中,骨小梁直接包裹螺钉,形成了“螺钉-骨质”界面。EPS的前端在椎体内明显膨胀,形成了一个“爪状”结构;螺钉前端胀开的两翼挤压周围的骨质,显著提高了局部的骨质密度。2)体内实验部分:①术后3月和6月,PMMA-PS组和EPS组的Fmax和E均显著高于同时间点的CPS组,而各时间点EPS组的Fmax和E与PMMA-PS组之间均无统计学差异。CPS组和PMMA-PS组的Fmax和E在术后3月和6月间的差异均无统计学意义,而EPS组术后6月的Fmax和E均显著高于3月。②术后3月和6月,CPS组中形成了“螺钉-骨质”界面。PMMA-PS组中形成了“螺钉-PMMA-骨质”界面。EPS组中形成了“螺钉-骨质”界面。EPS前端的“爪状”结构挤压并刺激局部的骨质生长,使局部的骨质条件(骨小梁数量和密度)在术后3月和6月均显著优于CPS组。从术后3月到6月,CPS组和PMMA-PS组中螺钉周围的骨质条件无明显变化,PMMA未发生降解、吸收,仍然存在于螺钉与周围骨质之间,形成了二次界面—“螺钉-PMMA-骨质”界面;而EPS膨胀部分周围的新生骨不断包裹螺钉并长入缝隙,显著改善了局部的骨质条件,螺钉与周围骨质形成良好的“螺钉-骨质”界面。结论:1) EPS可以显著提高骨质疏松条件下椎弓根螺钉的稳定性,并且达到了与传统的PMMA强化螺钉近似的固定强度。2) EPS可以形成良好的“螺钉-骨质”界面和钉道周围骨质条件,明显优于传统的PMMA强化螺钉,显著提高了螺钉在体内的远期稳定性。3) EPS可以有效的避免因使用PMMA可能带来的热损伤、渗漏和神经压迫等并发症。作为一种有效、安全和操作简便的方法,EPS具有在临床上广泛应用的巨大潜力。