钉道局部固化增强椎弓根螺钉固定强度的实验研究

论文摘要

自1959年Boucher[1]采用长螺钉经椎板、椎弓根达椎体固定腰骶关节取得成功以来,椎弓根螺钉内固定技术得到了迅速的发展,并被广泛的应用于脊柱退行性病变、脊柱骨折、脊柱畸形及骨转移瘤等疾病[2]。目前,椎弓根螺钉内固定技术已经成为脊柱外科领域最常用的脊柱后路内固定方法。椎弓根螺钉的固定可靠性取决于骨质-螺钉界面把持力。当椎弓根螺钉的握持力不够或手术后承载负荷过大时,容易造成椎弓根螺钉松动、拔出,甚至断钉,从而导致内固定失效或假关节形成,尤其多见于骨质疏松的患者[3]。为了弥补和预防上述并发症的发生,国内外学者进行了大量的相关研究,主要集中在改进椎弓根螺钉的设计和强化椎弓根螺钉道等方面[4]。前者主要包括:增加螺钉的直径和长度、改进螺钉的外形等,虽然可以显著提高螺钉固定的稳定性,但也增加了椎弓根骨折[5]、椎体前缘骨质破坏、损伤重要内脏及血管[6]的风险。后者主要是预先向钉道内填充固化材料,其增强螺钉固定强度的效果已经得到了众多实验的证实[7-9]。但是,在这种传统式钉道整体固化的方法中,固化材料与螺钉完全而紧密的包裹,在螺钉取出时容易造成钉道周围较大范围的骨质破坏,给翻修手术造成困难;同时固化材料的长期存在,容易在钉骨之间形成二次界面,给螺钉的长期稳定性埋下隐患。因此,如何在强化钉道、提高椎弓根螺钉固定强度的同时,又能够避免固化材料与螺钉的严密包裹,减少因此而导致的取钉困难、骨质破坏及二次界面等问题,已经成为脊柱外科急需解决的难题。针对这一问题,本课题组提出了一种新型的钉道固化方法-钉道局部固化方法。研究目的:评价钉道局部固化方法在体外和动物体内提高椎弓根螺钉固定强度的效果及其钉道界面情况。研究方法:1)设计出一种新型的丝攻-空心侧孔丝攻（tap with hollow and lateral apertures）。该丝攻与常规丝攻最大的区别在于其螺纹部分的侧孔结构和整体的中央空心设计。选择一种生物相容性好、可完全降解吸收、促成骨作用强、机械强度高的生物材料-硫酸钙骨水泥（calcium sulfate cement,CSC）做为钉道的固化材料。在制备钉道的过程中,将固化材料CSC通过空心侧孔丝攻的中央空腔和侧孔注入钉道周围的骨质中,从而完成钉道局部固化的处理;2)在新鲜的成年山羊腰椎上随机实施三种不同的钉道处理方法,A:钉道无任何处理（空白组）;B:钉道内填充CSC,即传统式钉道整体固化方法（对照组）;C:通过空心侧孔丝攻结合CSC对钉道进行局部固化处理,即新型的钉道局部固化方法（实验组）。采用显微CT（micro-computed tomography,Micro-CT）技术和生物力学实验来评价钉道周围CSC的分布情况、钉道的界面情况以及钉道局部固化方法对螺钉稳定性的强化效果;3)在健康成年山羊体内随机给予上述三种钉道处理方法,体内放置半年后,通过Micro-CT三维重建、骨计量学分析、组织学观察和生物力学实验来评价钉道的界面和周围骨质情况、CSC的降解情况以及钉道局部固化方法对螺钉稳定性的强化效果。研究结果:1)在体外实验中,Micro-CT三维重建显示:空白组中骨小梁严密包裹螺钉,形成了完全的“骨质-螺钉”界面;对照组中CSC严密包裹螺钉,螺钉无法与骨质直接接触,形成了完全的“骨质-CSC-螺钉”界面;而实验组中CSC呈三条窄条状区域间隔的分布在螺钉周围,形成了部分“骨质-螺钉”和部分“骨质-CSC-螺钉”共存的整体界面。生物力学实验表明:钉道局部固化方法可以显著提高椎弓根螺钉的稳定性,但其提高螺钉稳定性的效果比钉道整体固化方法稍差;2)在体内实验中,Micro-CT三维重建及钉道周围骨计量学分析显示:实验组和对照组中螺钉周围的骨质情况（骨小梁数量和密度）均明显优于空白组,而两者之间无明显差异。组织学观察发现:三组中均呈现“骨质-螺钉”界面。实验组中CSC完全降解,周围可见大量新生骨组织包绕螺钉,形成良好的骨性愈合;对照组中同样可见大量新生骨组织包绕螺钉,但一些骨髓腔内仍可见残留的未降解材料;空白组中骨小梁数量较少,排列稀疏,部分钉骨接触面存在明显空隙。生物力学实验表明:钉道局部固化方法可以显著提高螺钉在体内的稳定性,并且可以达到与钉道整体固化方法接近的螺钉固定强度。结论:1)钉道局部固化方法在初期可以形成部分“骨质-螺钉”和部分“骨质-CSC-螺钉”共存的整体界面,在显著增强螺钉即时稳定性的同时,避免了固化材料与螺钉的完全而紧密的包裹,为减少螺钉取出对周围骨质的破坏提供了一个良好的前提条件;2)在动物体内,随着CSC的彻底降解吸收,避免了二次界面的发生,同时形成大量的新生骨组织,紧密包裹螺钉形成全面而良好的骨性愈合,进一步保证了螺钉在体内的远期稳定性。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言
• 文献回顾 增强椎弓根螺钉稳定性的方法
• 1 钉道的强化处理
• 1.1 聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate PMMA）
• 1.2 磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement CPC）
• 1.3 羟基磷灰石骨水泥（hydroxyapatite cement HAC）
• 1.4 硫酸钙骨水泥（calcium sulfate cement CSC）
• 1.5 其他
• 2 椎弓根螺钉设计的改进
• 2.1 增加椎弓根螺钉的直径和长度
• 2.2 改进椎弓根螺钉的螺纹
• 2.3 设计外形独特的螺钉
• 2.4 选择螺钉的材质
• 2.5 使用附加器械
• 3 术中操作与技巧
• 正文
• 第一部分 钉道局部固化方法的设计
• 1 空心侧孔丝攻的设计
• 2 钉道固化材料的选择
• 3 钉道局部固化方法的实施
• 第二部分 钉道局部固化增强椎弓根螺钉固定强度的体外实验研究
• 1 材料和方法
• 1.1 实验材料和仪器
• 1.2 实验方法
• 2 统计学处理
• 3 结果
• 3.1 Micro-CT三维重建结果
• 3.2 轴向拔出实验结果
• 4 讨论
• 第三部分 钉道局部固化增强椎弓根螺钉固定强度的动物体内实验研究
• 1 材料和方法
• 1.1 实验材料和仪器
• 1.2 实验方法
• 2 统计学处理
• 3 结果
• 3.1 大体观察及X线检查结果
• 3.2 Micro-CT三维重建及分析结果
• 3.3 组织学观察结果
• 3.4 轴向拔出实验结果
• 4 讨论
• 小结
• 参考文献
• 个人简历
• 研究成果
• 致谢