椎弓根螺钉系统已经成为脊柱外科最常用的内固定技术，它可以通过牵引、加压、旋转等方式三维矫治脊柱畸形和进行脊柱稳定重建，已经被广泛的应用于临床并取得了良好的效果[1]。随着我国人口老龄化的不断加剧，越来越多的老龄患者因脊柱疾病需要进行内固定手术[2]。然而，螺钉的稳定性与骨密度(bone mineral density,BMD)呈正相关关系[3]。当骨质条件下降或变差时，钉骨界面的结合强度将会受到不同程度的影响，螺钉的把持力和稳定性也会有不同程度的下降，常常导致螺钉松动、退出、断裂，严重影响治疗效果。针对这一问题，目前许多学者设计出可注射的椎弓根螺钉，在置入螺钉后通过螺钉的中空和侧孔部分，将一定剂量的骨水泥，即聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)注入周围的骨质中，以提高螺钉的稳定性。通过文献回顾我们发现，目前设计的可注射螺钉结构差异较大，侧孔数量、开口位置及侧孔直径各不相同。更为重要的是，缺少对不同设计的可注射螺钉自身机械强度的生物力学测试和比较研究。因此，本研究自行设计出系列的可注射椎弓根螺钉，并通过单个螺钉的力学实验评价不同设计的可注射螺钉的自身机械强度，筛选符合人体脊柱内固定强度要求的可注射螺钉。现报道如下。

1 材料与方法

A组：设计一的螺钉为120°的6孔螺钉，如图2所示，由钉尖近端5.00 mm处制作侧孔1，顺螺纹方向旋转120°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔2，顺螺钉方向旋转120°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔3。在侧孔3的基础上继续顺螺钉方向旋转120°(横切面上)后向钉尾间隔一个螺道内制作侧孔4，顺螺纹方向旋转120°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔5，顺螺钉方向旋转120°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔6。

B组：设计二的螺钉为120°的9孔螺钉，如图3所示，基于设计一，在侧孔6的基础上继续顺螺钉方向旋转120°(横切面上)后向钉尾间隔一个螺道内制作侧孔7，顺螺纹方向旋转120°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔8，顺螺钉方向旋转120°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔9。

C组：设计三的螺钉为120°的3孔螺钉，如图4所示，由钉尖近端5mm制作侧孔1，顺螺纹方向旋转120°(横切面上)后向钉尾间隔一个螺道内制作侧孔2，顺螺钉方向旋转120°(横切面上)向钉尾间隔一个螺道内制作侧孔3。

D组：设计四的螺钉为180°的4孔螺钉，如图5所示，由钉尖近端5mm处制作侧孔1，顺螺纹方向旋转180°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔2。在侧孔2的基础上继续顺螺钉方向旋转180°(横切面上)后向钉尾间隔一个螺道内制作侧孔3，顺螺纹方向旋转180°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔4。

E组：设计五的螺钉为180°的6孔螺钉，如图6所示，由钉尖近端5mm处制作侧孔1，顺螺纹方向旋转180°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔2。在侧孔2的基础上继续顺螺钉方向旋转180°(横切面上)后向钉尾间隔一个螺道内制作侧孔3，顺螺纹方向旋转180°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔4。在侧孔4的基础上继续顺螺钉方向旋转180°(横切面上)后向钉尾间隔一个螺道内制作侧孔5，顺螺纹方向旋转180°(横切面上)后在该螺道内制作侧孔6。

F组：设计六的螺钉为180°的间隔4孔螺钉，如图7所示，由钉尖近端5mm制作侧孔1，顺螺纹方向旋转180°(横切面上)后向钉尾间隔一个螺道内制作侧孔2。继续顺螺钉方向旋转180°(横切面上)后向钉尾间隔一个螺道内制作侧孔3，顺螺钉方向旋转180°(横切面上)后向钉尾间隔一个螺道内制作侧孔4。

所有螺钉均由山东威高骨科器械公司协助制作，均由医用钛合金制成。

图1 对照组普通椎弓根螺钉

图2 A组可注射螺钉(设计一)

图3 B组可注射螺钉(设计二)

图9 三点弯曲实验中载荷-位移曲线

2 结果

3 讨论

目前，为了有效提高骨质疏松条件下椎弓根螺钉的稳定性、防止螺钉的松动，越来越多的学者设计出空心带侧孔的椎弓根螺钉，在置入螺钉后，将强化材料通过螺钉的中空和侧孔注入周围骨质中，以提高螺钉的稳定性。Fransen等[4]设计的带侧孔的螺钉(螺钉前端纵向排列3个侧孔，相邻侧孔之间间隔一个螺道)，通过结合PMMA均可明显提高骨质疏松条件下螺钉的稳定性。张亘瑷等[5]设计出定向灌注椎弓根螺钉(椎弓根螺钉前钉段外径为6.5 mm，螺纹间距3.0 mm，螺纹深度1.0 mm，后钉段外径6.0 mm，紧固螺纹，螺距0.5 mm，牙型角55°，空心侧孔螺钉中空部分直径为2.0 mm，前钉中部螺纹部分从不同平面，互成120°角钻3个侧孔，侧孔的直径1.5 mm)，向其内注入PMMA后可显著增加螺钉的稳定性，并能减少PMMA向椎弓根外或椎管内的渗漏，适用于螺钉松动和拔出的翻修术。Blattert等[6]设计了空心侧孔螺钉(螺钉前1/2有4个纵向排列的侧孔)，通过注射PMMA来强化T9～L4椎弓根螺钉的固定，不仅显著提高了螺钉的稳定性，同时在旋出的过程中螺钉与周围的PMMA容易发生断裂而被取出，不会造成取钉过程中的骨质破坏。Chen等[7]自行设计了侧孔数量不同(2、4、6、8孔)、分布不同的空心侧孔螺钉，通过注射PMMA强化螺钉的固定。研究表明，所有的空心侧孔螺钉经PMMA强化后的最大轴向拔出力(the maximum pullout strength,Fmax)较普通螺钉均有显著提高，且8孔螺钉的Fmax最大。然而，使用相同剂量的PMMA进行强化时，2孔螺钉的稳定性显著低于全钉道强化普通螺钉的稳定性。Moon等[8]通过自制的可注射椎弓根螺钉(粗6.5 mm长40.0 mm和粗7.5 mm长45.0 mm的螺钉分别有直径为2.5 mm和3.0 mm的中央空腔，螺钉的前端有4个侧孔，其中2个侧孔和另外2个相互垂直)联合PMMA对37例伴有骨质疏松的退行性椎管狭窄患者进行脊柱内固定、融合术，其中仅有2例发生椎体前侧的PMMA渗漏(5.4%)。术后随访发现，融合率为91.9%，螺钉松动率为2.7%。术后2年患者下腰痛和腿痛的VAS评分较术前明显降低。Pare等[9]通过带侧孔的椎弓根螺钉(其远端有6个侧孔和1个钉尖处的开口)向胸椎(0.5 ml、1.0 ml、1.5 ml)和腰椎(1.5 ml、2.0 ml、2.5 ml)中注射不同剂量的PMMA。除了胸椎中注射0.5 ml的PMMA外，其余剂量均能显著提高螺钉的稳定性，胸椎中1.0 ml和1.5 ml剂量组中螺钉的稳定性分别提高了186%和158%，腰椎中1.5 ml、2.0 ml和2.5 ml剂量组中螺钉的稳定性分别提高了264%、221%和198%，提高幅度均大于文献报道的结果。而在胸椎或腰椎中，不同剂量组(除0.5 ml外) 间螺钉的稳定性比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。

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