椎弓根螺钉螺纹设计研究进展 ()rthopaedlcs，2010，v0I．1，No．2 (215006江苏)苏州大学附属第一医院骨科王志荣 综述杨惠林 审校 椎弓根螺钉内固定系统由于具有牢固的三维固定效果、 良好的生物力学稳定性以及较好的复位和矫正畸形作用，被 广泛用于脊柱外科治疗骨折、退行性变及后凸畸形矫形等 但随着临床上的广泛应用，出现了椎弓根螺钉松动、拔出及 折断等并发症，使内固定手术失败，这就对螺钉的固定强度 提出了更高的要求 ]椎弓根螺钉固定强度的影响因素有 骨矿密度、螺纹切入的骨质性质、椎弓根形状、螺钉方向、置 钉准确性、螺纹深度及形状设汁、螺钉制作工艺及材料性能 等，而人为最能控制的因素除准确的置钉外，就是螺钉的设 计，设计参数包括螺钉的长度、直径、螺钉形状等本文就近 年来椎弓根螺钉螺纹的设计改进发展作一综述 一、螺纹的分类和原理 众所周知，用于骨科临床的螺钉有两种基础型号的螺纹 形状，皮质骨螺钉螺纹和松质骨螺钉螺纹f 皮质骨相对不 可压缩，在置钉过程中存在病理性压缩且置钉困难，因此在 置钉之前需预先攻丝，通过丝锥锋利的刃口．在骨皮质中刻 出螺纹，并通过全长凹槽，收集并移除骨屑。
据此发展的自 攻螺钉有导向凹槽，使置钉过程一步到位在正确使用的前 提下，预攻丝皮质骨螺钉和自攻螺钉具有相近的拔出力有 报道反复多次使用皮质骨螺钉和自攻螺钉在它们的拔出力 方面没有明显的差别 - 而松质骨很柔软松质骨螺钉必须 有很深的螺纹，才能咬合更多周围的骨质预攻松质骨只会 减弱螺钉的稳定性Ro~Camille 41]等设计的第一-一套椎弓根 螺钉钢板系统采用普通的松质骨长螺钉而此后的Stef— feeCSJ等设计并命名的钢板螺钉系统也仪对螺钉尾部与钢板 吻合部改良，对螺钉的螺纹设计未作进一步的阐述 螺钉的稳定性表现在抗拔出力螺钉抗拔出力的估算 公式：F=~dhZfs+fv(式中d为螺纹直径，h为螺纹工作高 度，z为齿合圈数，fs为螺距)，两个最主要的因素为螺钉的 直径和螺纹的深度，齿合圈数和螺距也起到显著的作用并 与皮质骨的量正相关，大部分拔出载荷通过骨皮质传导到靠 近螺钉头部的几个螺纹因此，强调椎弓根近端皮质骨的厚 度是最重要的，远端的松质骨发挥的作用相对较少 从力 学角度来看．适当增加螺钉的螺距可使整个钉部强度从钉头 到钉肩均匀增加 螺纹设计也决定螺钉螺纹切入骨质的超在螺距均一 的情况下，螺距和螺纹的形状决定了骨量的多少(如图1a)。
【作者简介】王志荣，男，1977年生，主治医师．博士研究力 向：脊柱外科E—mail：wangzzrl@163．COrll 【通信作者】杨惠林男，1960年生，教授、主仟医师，博十生导 师研究方向：脊柱外科E—mail：suzhouspine@1 63．COII1 在螺钉绝对长度不变的前提下，通过改变螺距的长度和螺纹 的深度可以改变切入的骨量(如图1b、c)螺纹所占有的金 属体积直接也决定了切入的骨量在螺距和螺纹深度不变 的前提下，螺纹金属体积越大，切人的骨量就越小因此可 以缩减螺纹金属体积增加切入的骨量(如图1d)根据作用 力和反作用力的理论，拔出力方向的垂直面呈平面或锥面， 拔出力将大大增加!J ． d c、 、 图1 螺纹形状和切人的骨量 鉴于对胸腰段椎弓根解剖的深入研究，侯树勋等[6]认为 国人在下胸椎T9处椎弓根横径最小，仅为(5．7±1．1)mm， 至T12渐增宽至(8．3±1．9)ram，L1、L2又较下胸椎减小，分 别为(7．0 4 1．2)rnlll及(7．4±1．3)mm，下腰椎则渐增宽至 13 mm左右故目前广泛使用的螺钉的长度和直径相对固 定，基础型号为6．5 n ×40 rlrlm，直径和长度在此基础上增 减，临床应用时根据患者实际选择使用合适的螺钉。
为保证 螺钉的强度，防止断钉现象，螺钉的内径必须保持一定的范 围，螺纹的深度因此受限制结合患者个体，包括椎弓根的 尺寸、骨的质量，手术医生应在螺纹选择上做出决定 二、螺钉形状与螺纹设计的力学研究 近年来随着生物力学研究的广泛开展，椎弓根螺钉的形 状多种多样，就其外径而言，主要有柱形和锥形两种螺纹 设计与螺钉的机械性能密切相关生物力学试验以及有限 元分析已证实，当椎弓根螺钉拧入椎体并连接固定杆后，其 尾端承受压应力及其它应力，椎体内的钉杆部分承受约束 力，金属屈服点便集中在螺钉的椎弓根钻孔区即螺钉颈部 螺钉颈部的直径越小，越易发生变形和疲劳断裂，因此增加 螺钉颈部的直径可以提高其刚度和强度早在1995年，杨 惠林等 对螺钉进行改进，螺钉外直径不变，内直径为锥形， 使整个钉部的强度白钉尖至钉肩部呈均匀增加，从而克服了 原有螺钉在螺纹与螺轴交界处强度突变而致应力集中易发 生断钉的弱点，而且在旋人过程中由于前端螺纹较深，咬合 的骨质较多．而旋入的越深尾端的浅螺纹必须将前端咬合的 骨质压缩，即所谓“填充搭配”(fit and fil1)性能，因此螺钉将 骨科2010年第1卷第2期 具有更大的旋入力矩和抗拔出力，具有更可靠的稳定性。
而 在均匀等宽螺纹的基础上改良的螺纹， 螺距不变，螺钉远 端为深锐利螺纹，渐行至近端则为宽浅螺纹，则将此性能更 好地发挥，稳定性更高 在椎弓根螺钉的力学稳定性方面，胸腰椎椎弓根螺钉设 计的生物力学实验证实，锥形螺钉抗拔出力高于圆柱形螺 钉，而且其根部螺钉内径增大，可防止该处应力集中区的螺 钉弯曲和断裂一 Kwok等 在人脊柱标本上对相似大小的 圆锥体形螺钉和圆柱形螺钉进行对比研究，发现二者的轴向 拔出强度无明显差别，但圆锥形螺钉较圆柱形螺钉能明显增 加螺钉的旋入力矩I l等 “’一将柱型螺钉和锥形螺钉完全 旋入和倒旋180时进行力学测试，发现后者的轴向拔出强度 比前者平均低2．5 kN，周期负载后位移大于2．2 mm这说 明锥形螺钉应完全拧入，争取最大的旋人力矩，一旦松动，拔 出强度呈几何级数衰减 Choi等 将几种不同几何形状的螺钉作为研究对象 (6．0 inm×40 mm，2 mm斜度，钛合金)，包括拱形、方形、 “V”字形的钉齿形状每种钉齿相同的螺钉其外径又分为两 种不同的形状，圆柱状和圆锥状，另外圆柱状螺钉的螺芯分 柱形和锥形，而圆锥状的只有锥形一种螺芯故共有九种螺 钉在不同硬度的聚亚氨酯泡沫中行拔出实验，结果显示，密 度增高，拔出力增强，底密度水平时，“V”字形柱状锥形螺芯 的拔出力最大，拱形柱状柱形螺芯最小，高密度水平时，方形 柱状锥形螺芯的拔出力最大，方形锥状锥形螺芯最小(P均 U2>RF>SF1 >SF2，在骨矿量 降组巾为：u：>U1>RF>SEt>SF2，参 照各螺~Yfl9规格．“U”型钉的螺距较大为3 him，与螺距小 (2．5 mm)的螺钉卡H比，螺 大(3．()mm)的螺钉拧紧力矩较 大； 松质骨的摩擦阻 增加．抗拔力增加16 。
而参照两 类“U”型钉的规格．我们可以看到两者螺矩相同，U2的外径 大于U1，m 螺纹K度小于U1，提示在临床上对此类椎体进 行同定时．在螺矩相I州的情况下适当增加外径比增加螺纹长 度更能提高固定的稳定性 三、螺钉的特殊设计 当改变螺钉的设计参数无法提供更优性能时，人们开始 尝试特殊设计的螺钉为了进一步改善钉骨界面的接触问 题，人们将一些具有良好骨相容性的材料涂在螺钉表面，增 加螺钉的抗拔出力Sanden等一”将23例腰椎融合病人被 随机分为三组，第一组植入未经涂层的不锈钢螺钉，第二组 植入部分涂层的螺钉，第三组植入完全涂层的螺钉，在1 1～ I6个月后取出其中21个螺钉并测拔出力矩，许多羟基磷灰 石(HA)涂层螺钉的拔出力矩均超过扭转力矩的上限(600 N ·cm)未涂层组平均拔出力矩为(29±36)N·cm，部分涂 层组为(447±114)N·cm，完全涂层组为(574±52)N·cm， 三组间具有显著性差异，且X线片上可发现未涂层螺钉周围 与涂层组相比，具有更多的透亮区Yildirim等 对2组小 牛的T1()一L3进行普通钛合金螺钉和羟磷灰石表面涂层的钛 合金螺钉固定手术，术后4个月两者的旋出力矩分别为133 N·cm和249 N·cm(P<0．01)；组织计量学分析显示普通 钛合金螺钉周围为纤维组织增生。
而具有羟磷灰石表面涂层 的钛合金螺钉周围密度明显增高，新骨形成良好证实羟磷 灰石表面涂层具有更好的钉骨界面，相对于钛合金螺钓 而 言，增加了螺钉稳定性，更具有优势 Cook等 应用可扩张螺钉对145例骨质疏松、翻修手 术及术中需重新固定的患者行椎弓根固定，通过正侧及动力 位X线评价椎问融合率，平均随访35个月，融合率达86％ 以上(骨质疏松86 ，翻修手术89 )，无螺钉松动和拔出， 断钉率为2．8 (其中3例未发生融合)，其力学强度与PM— MA强化普通螺钉相似说明这种螺钉具有较为有效的生 物力学效果在严重的骨质疏松患者，使用可扩张螺钉结合 PMMA强化则较单纯使用可扩张螺钉获得更好的生物力学 稳定性Cook[1 等通过在可扩张螺钉中空部分灌注骨水泥 强化重度骨质疏松椎体18个，并和单纯使用可扩张螺钉作 拔出力对照研究，获得约250 的增加在低于正常标准的 骨质疏松椎体中，相对高密度组所获得的拔出力增加要高于 极低密度组研究中没有发现骨水泥的渗漏，是因为标本量 小，置钉顺利，没有发现椎弓根破环，而在临床上一旦突破椎 弓根，则刚好位于椎弓根处的扩张螺钉开口处骨水泥必然渗 漏，造成严重的并发症。
因此，螺钉的设计还有待与该进 Mckoy等[”j应用PMMA强化空心侧孔螺钉，轴向拔出力较 对照组增加了278 ，并通过周期抗屈测试，结果表明，PM— MA可明显提高螺钉在人体胸腰椎中固定的初始稳定性，通 过向空心侧孔螺钉中空部分和钉道注入PMMA，可明显改 善螺钉的稳定性，且空心侧孔螺钉的PMMA向椎体外渗漏 较实心螺钉少 为在取得满意强度的同时尽可能的防止骨水泥的渗漏， 杨惠林等[1 在前人的基础上创新设计出可灌注骨水泥椎弓 根螺钉，在39个骨质疏松椎体的两侧椎弓根分别置入新型 螺钉和实心螺，新型螺钉通过骨水泥推杆和灌注筒加压灌注 骨水泥2 ml，分三组进行最大轴向拔出力实验、最大旋出力 矩实验和周期抗屈实验，拔出力增加1 14％，新型螺钉可徒手 旋出，骨水泥和骨界面没有破坏，取得了满意的结果不过 尚需临床实践检验 四、小结 椎弓根螺钉能极大地改善脊柱融合、重建的疗效，然而 现有的技术和评价方法仍须进一步改进完善相信在不远 的将来，随着生物力学研究的进展和新型材料的不段涌现， 在工程师、外科医师、神经生理学家、解剖学家、流行病学家 和统计学家的共同努力下，一定会产生更合适的内固定器 械，为脊柱外科医师提供更为广阔的治疗脊柱疾患的空间， 造福于广大脊柱病患者。
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