研究背景前路颈椎间盘切除植骨融合术(Anterior cervical discectomy and fusion, ACDF)是治疗颈椎病的有效术式,该术式能提供坚强固定且植骨融合率较高,在临床得到广泛应用。但是对于两个节段或两个节段以上同时受累的病例,由于植骨跨度较大,内固定与植骨块间的稳定性差,可出现植骨融合失败、假关节形成等并发症从而影响手术疗效。因此颈前路内固定系统在临床应用过程中,由于人口老龄化等因素引起骨质疏松以及由于疲劳或是周期性的运动等导致的钢板螺钉松动、脱出甚至断裂等情况也时有报道。对于需要多节段融合的骨质疏松患者,前路椎体螺钉(vertebral body screw, VBS)的把持力有限,为提高ACDF术的稳定强度,一方面可从前路置入到椎弓根的延长螺钉来加强螺钉把持力,如2008年Koller提出了颈椎前路椎弓根螺钉(Anterior cervical pedicle screw, ACPS)概念并认为可行,国内学者Zhao等开始将ACPS应用于临床；另一方面可以通过强化骨-钉界面强度实现,如磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement, CPC)强化前路螺钉,利用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)增加骨-钉界面面积来强化稳定效果。通过前路置入椎弓根螺钉或者灌注骨水泥的方式,可以强化螺钉在骨质疏松椎骨内的稳定性,减低螺钉松动的风险,提高治疗效果。本研究针对PMMA骨水泥强化颈椎前路螺钉钉道,比较强化椎体螺钉与颈椎前路椎弓根螺钉在即时与疲劳状态下的抗拔出力特性。通过螺钉轴向拔出力测试来分析螺钉的稳定性能来评价各因素间ACPS与VBS之间稳定效果。颈椎的退行性病变、外伤及肿瘤等病理性疾患好发于椎体前部,其中,脊髓型颈椎病为各类型颈椎病中对人危害最大的类型,原则上,本病一旦确诊就应及时行手术治疗,解除脊髓压迫、保护和改善脊髓功能。由于产生压迫的结构多位于脊髓前方,故以前路手术治疗为主。自1952年Abbott提出颈前路手术以来,颈椎前路融合技术有了飞速发展,从1955年Robinson和Smith报道颈前路减压植骨融合术治疗颈椎外伤,到1964年Bohler首先使用颈前路内固定钢板和螺钉,继而出现颈椎椎间融合器等新技术的应用。目前,颈前路内固定系统已经广泛应用于颈椎创伤、畸形、退行性变以及颈椎肿瘤的治疗。颈前路内固定系统能使植骨块产生有效的支撑作用并提供植骨融合的基础,以产生稳定的固定系统,重建颈椎结构的稳定性。然而对于一个多节段椎体切除或严重失稳的颈椎损伤病例,目前使用的前路内固定系统不能提供足够的稳定性。本研究拟使用ACPS与VBS等内固定器械,进行体外生物力学实验,测试前路椎弓根螺钉与椎体螺钉在正常骨密度与骨质疏松颈椎椎骨、钉道强化椎骨的即时和疲劳后的螺钉最大轴向拔出力(The maximum pullout force, Fmax)以评价螺钉的稳定性。目的评价颈椎前路椎弓根螺钉与椎体螺钉在强化前后、疲劳前后等不同状态下的生物力学特性以及骨密度与颈椎前路椎弓根螺钉固定强度的相关性；评价颈椎前路椎弓根螺钉在骨质疏松椎骨内的生物力学稳定性；分析聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)骨水泥在颈椎钉道强化中的生物力学作用。从而为临床实施骨质疏松颈椎前路椎弓根螺钉固定术、预防性强化或修复骨质疏松多节段前路钢板螺钉提供生物力学依据。材料和方法1、标本的获得和制备选用20具福尔马林固定的人体下颈椎标本(C3-C7)(南方医科大学人体解剖学教研室提供),共100个椎骨,所有标本均摄正侧位X线片,以排除畸形、肿瘤等异常标本。对20具下颈椎标本(C3-C7)用双能X线骨密度仪(Lunar Prodigy,美国GE公司)采用侧位投照以排除横突、上下关节突的干扰,测定每个椎体的骨密度(Bone mineral density, BMD)。以BMD=0.63g/cm2为标准,分别选取6具骨密度正常的颈椎骨(C3-C7)和6具骨质疏松的颈椎骨纳入本研究。剔除周边肌肉、筋膜,分离成单个椎骨,注意保持骨结构完整。标本用双层塑料袋密封后,于-20℃保存。实验前8h取出标本,室温下自然解冻。修整后的标本用义齿基托树脂Ⅱ型(粉、液)包埋。实验过程中喷洒生理盐水保持标本湿润。2、实验方法将12具颈椎骨(C3-C7)(6具骨密度正常和6具骨质疏松颈椎骨)共60个椎骨分组的：1、即时轴向拔出组(对照组)：A1(正常骨密度椎体螺钉固定)组和B1(骨质疏松椎体螺钉固定)组,A1和B1组分别选取4具骨密度正常和4具骨质疏松颈椎骨依次对C3-C7椎骨随机将VBS置入每个椎体行轴向拔出力实验；C1(正常骨密度前路椎弓根螺钉固定)组和D1(骨质疏松前路椎弓根螺钉固定)组,C1和D1组分别选取A1和B1组颈椎骨依次对C3-C7椎骨随机将ACPS置入每个椎体行轴向拔出力实验。2、疲劳后轴向拔出组：A2(正常骨密度椎体螺钉固定)组和B2(骨质疏松椎体螺钉固定)组,A2和B2组分别选取2具骨密度正常和2具骨质疏松颈椎骨依次对C3-C7椎骨随机将VBS置入每个椎体先进行疲劳加载后进行轴向拔出力实验；C2(正常骨密度前路椎弓根螺钉固定)组和D2(骨质疏松前路椎弓根螺钉固定)组,C2和D2组分别选取A2和B2组颈椎骨依次对C3-C7椎骨随机将ACPS置入每个椎体先进行疲劳加载后进行轴向拔出力实验,疲劳实验模拟坚强固定后螺钉在体长期稳定性。3、钉道强化组：将A1、B1组与A2、B2组椎体螺钉拔出后行钉道修复强化后分别行即时和疲劳后轴向拔出力实验,修复采用向钉道注入配制好的PMMA(粉／液=3:2)0.3-0.5ml,5min后拧入椎体螺钉,室温下(24℃)固化后2h(PMMA在室温下自行固化时间约为30mmin,1h后达最大强度)后分别进行测试。结果A1组、B1组、A2组、B2组椎体骨密度值分别为0.909±0.13g/cm2,0.600±0.07g/cm2,0.885±0.10g/cm,0.532±0.06g/cm,骨矿盐含量分别为2.737±0.40g,1.283±0.33g,2.170±0.55g,1.535±0.36g.VBS拔出力组间比较：A1组、B1组、A2组、B2组的VBS拔出力依次为：196.54±81.7N,185.55±89.40N,106.38±69.37N,82.70±90.65N.A1组与A2、B2组组间有显著统计学差异(P=0.008,P=0.001)、B1组与A2、B2组组间有显著统计学差异(P=0.018,P=0.003),疲劳后正常组与骨质疏松组的拔出力较疲劳前分别减少了45.87%、55.43%,在骨质疏松椎体中减低的更明显；ACPS拔出力组间比较：C1组、D1组、C2组、D2组的ACPS拔出力依次为：646.71±234.82N,525.80±190.14N,556.22±207.58N,510.19±195.56N.ACPS拔出力组间F=1.470,P=0.232,差异无显著性意义。强化VBS拔出力组间比较：A1组、B1组、A2组、B2组的强化VBS拔出力依次为：284.38±80.21N,231.50±36.97N,164.11±45.78N,143.18±78.08N.A1组与A2、B2组组间有显著统计学差异(P=0.000,P=0.000)、B1组与A2、B2组组间有显著统计学差异(P=0.023,P=0.004),对于强化的VBS,疲劳后在正常组与骨质疏松组的拔出强度分别减少了42.29%、38.15%。椎体螺钉刚度组间F=8.568,P=0.000,差异有显著的统计学差异,进行多重比较：A1组与A2、B2组组间有显著统计学差异(P=0.004,P=0.045)、B1组与A2、B2组组间有显著统计学差异(P=0.000,P=0.001)；椎弓根螺钉刚度组间F=1.352,P=0.267,差异无显著性统计学差异；强化椎体螺钉刚度组间F=4.381,P=0.010,组间有显著性统计学差异。A1、B1、A2、B2组组内强化与非强化最大轴向拔出力有统计学差异(t=-3.416,P=0.008；t=-5.516,P=0.000；t=-6.036,P=0.000；r=-6.641,P=0.000)VBS在强化前后在正常与骨质疏松组间拔出强度分别增加了44.69%、24.76%；VBS在强化疲劳前后在正常与骨质疏松组间拔出强度分别增加了54.27%、73.13%。A1组VBS与C1组ACPS的拔出力有统计学差异(t=-8.283,P=0.000),C1组ACPS与强化VBS拔出力有统计学差异(t=-5.406,P=0.000)；B1组VBS与D1组ACPS的拔出力有统计学差异(t=-8.181,P=0.000),D]组ACPS与强化VBS拔出力有统计学差异(t=6.111,P=0.000)。说明ACPS在不同骨密度条件下都具有较强的抗拔出特性。A2组与C2组拔出力有统计学差异(t=-6.975,P=0.000),C2组ACPS与强化VBS拔出力有统计学差异(t=6.082,P=0.000)；B2组VBS与D2组ACPS拔出力有统计学差异(t=-8.440,P=0.000),D2组ACPS与强化VBS拔出力有统计学差异(t=8.033,P=0.000)。说明ACPS具有较好抗疲劳特性,维持内固定稳定性。结论1、ACPS固定技术可以提供较强的颈椎内固定稳定性。ACPS固定组的拔出力强于VBS固定组和PMMA强化VBS组的拔出力,与骨密度高低和是否疲劳加载无关。2、ACPS固定技术具有较好抗疲劳特性。其即时拔出组与疲劳后拔出组间的拔出强度无差异。3、PMMA强化能够提高颈椎VBS的即时拔出力。在相同骨密度组,PMMA强化VBS组的拔出力高于非强化VBS组。4、PMMA强化能够提高VBS疲劳后的拔出力。PMMA强化VBS固定组在疲劳后的拔出力低于VBS固定组即时拔出组。