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摘 要：［目的］评价磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）对颈椎前路单皮质骨螺钉固定的加固作用。［方法］单皮质骨螺钉固定于C3~6椎体标本，行轴向拔出实验，周期抗屈实验，抗剪切力测试。［结果］修复组、强化组螺钉的最大轴向拔出力（POS）明显高于对照组，强化组周期抗屈后位移明显小于对照组，而最大抗剪切力明显大于对照组。［结论］磷酸钙骨水泥能显著提高螺钉的最大轴向拔出力及抗剪切能力，对颈椎前路螺钉的固定有明显的加强作用。
关键词：磷酸钙骨水泥； 单皮质骨螺钉； 颈椎前路固定； 生物力学
Biomechanical efficacy of calcium phosphate cement in augmentation and restoration of anterior cervical unicortical screw fixation∥CHEN Yueping,ZHU Yong,LIU RuzhuanOrthopedic Department,Ruikang Hospital,Guangxi TCM College,Nanning 530011
Abstract：［Objective］To evaluate the biomechanical efficacy of calcium phosphate cement（CPC）in augmentation and restoration of anterior cervical unicortical screw fixation［Method］Anterior cervical unicortical screw were fixed in the cervical vertebra（C3~6）,pullout test and cyclic bending test was performed and antishear test after cyclic bending［Result］The pull out strength（pos）of restoration group and augmentation group were significantly higher than that in the control group,the statistic difference was also significant（P＜005）The cyclic bending test of the displacement of unicortical screw augmentation group was much less than that of control group,the statistic difference was also significance The maximal antishear strength:of augmentation group was significantly higher than the control group［Conclusion］The primary stability of the unicortical screw can be significantly improved when augmented with CPCCPC can improve and augment the primary stability of unicortical screw fixation
Key words：Unicortical screw； Calcium phosphate cement； Anterior cervical fixation； Biomechanics
颈椎前路带锁钢板稳定性较强，常用于创伤、肿瘤、退变性疾患、后凸畸形等行前路减压、病灶清除术等术后有不稳定倾向者。因大部分应力集中在钢板螺钉上，可能会导致螺钉松动、脱出、甚至断裂，尤其在骨质疏松时更易发生。本实验测试了颈椎标本在不同情况下螺钉的最大轴向拔出力及周期抗屈后螺钉的位移和最大抗剪切力，以期为临床采用CPC加固颈椎内固定，提高内固定的初始稳定性提供理论和实验依据。
1 材料与方法
11 材 料
111 标 本
选取4具新鲜青年男性尸体C3~6椎体标本，共16个椎体，摄片排除椎体骨折及肿瘤、结核、炎症和先天性畸形，测量骨密度，证实无骨质疏松。剔除肌肉，去除附着的软组织，分离成单个椎骨，去除椎间盘，保留终板，双层塑料袋密封，置于-70 ℃深低温冰箱冷冻保存，保存时间平均24（14~40）d。实验前24 h取出，自然解冻。随机选择12个椎体分为2组，每组6个，一组行螺钉轴向拔出试验，另一组行周期抗屈试验和周期抗屈后抗剪切试验。
112 螺 钉
由张家港市欣达医疗器械有限公司生产的颈椎前路单皮质骨自攻螺钉，材质为纯钛。螺钉长14 mm，螺纹长10 mm，螺纹深06 mm，螺距15 mm，螺柱4 mm，螺钉尾部直径65 mm。按照植入颈椎前路钢板的要求置入螺钉，置钉角度与中线成5°，置钉深度12 mm。
113 注射型磷酸钙骨水泥
由上海瑞邦生物材料有限公司生产。由白色无臭无味的粉末和无色透明的固化液两部分组成，粉末为超细磷酸钙盐混合物，固化液为特制中性水溶液。
114 自制拔出夹具
轴向拔出套筒前端厚度2 mm，相当于颈椎前路钢板的厚度，长套筒长60 mm，短套筒长30 mm，直径10 mm。屈曲压缩连接件长60 mm，其前端弧形豁口直径65 mm，与螺钉尾部正好吻合（中南大学机械制造基地制造）。
115 标本的固定
利用自凝牙托粉（上海贝琼齿科材料有限公司生产）与义齿基托树脂Ⅱ型液自凝牙托水（武汉大学口腔医学院口腔药物材料厂生产），以1∶1的比例（50 g粉配50 ml水），混合至拔丝期后，倒入模具中，在模具中将椎体后半部分全部包埋成型。
116 实验仪器
1161 CSS-44100型电子万能试验机，精度0001 mm（长春试验机厂）。
1162 YJY应变传感器，精度0001mm（长春试验机厂）。
1163 CSS-44100型电子万能试验机配套系统在装配Windows操作系统的联想电脑条件下运行的CSS测试软件数据采集系统。
1164 HoffmannSELECTOR MD X线机，投照条件：高度100 cm，44 kv，25 mA，6 ms。
1165 双能X线骨密度测量仪（DEXA），QDR-2000型（美国Hologic公司）。
12 方 法
121 螺钉轴向拔出试验
随机选取椎体一侧通过拔出套筒置入螺钉（对照组），在同一轴线上分别固定套筒和椎体后半部分。以5 mm／min的速度垂直拔出螺钉，以曲线最高点为最大拔出力。将螺钉拔出后标本以CPC修复（修复组），同时作对侧钉道加固（强化组）。调制CPC成牙膏状的浆体，每侧钉道用专用注射器配20号针头注入CPC约01 ml，5 min后拧入螺钉，37 ℃下放置24 h，待CPC干固后测试。分别记录两侧螺钉的最大拔出力。
122 螺钉周期抗屈试验
随机选取一侧置入螺钉（对照组），对侧注入CPC 01 ml（强化组），5 min后再置入螺钉，37 ℃下放置24 h，待CPC干固后测试。固定椎体后半部分，装配好屈曲压缩连接件，垂直螺钉纵轴与钉尾吻合。连接传感器、试验机。以10 N的轴向载荷预加载3次，加载速度为5 mm／min以消除标本粘滞效应的影响。实验加载时基础预负荷为10 N，起始负荷从10 N增加到20 N，再减至10 N，反复100次。调整负荷范围为10～30 N，直至10～50 N，各负荷段均为100次，共400个周期的梯增负荷，同步记录螺钉尾部的位移。如果在最大负荷50 N，负荷周期400次以前出现螺钉松动（规定位移≥15 mm），则记录该时的负荷作为最大负荷。
123 周期抗屈后抗剪切试验
周期抗屈400次后，作抗剪切试验，以5 mm／min的速度持续加载，以退出1个螺纹（15 mm）视为螺钉松动，以曲线最高点为最大抗剪切力。
13 统计学处理
采用SPSS 100 for Windows统计软件包进行统计学分析，以P＜005有统计学意义，轴向拔出试验中对照组与修复组，对照组与强化组作配对t检验；周期抗屈试验对照组与强化组在每个负荷段位移及最大抗剪切力作配对t检验。
2 结 果
21 轴向拔出力比较
对照组与修复组、强化组螺钉的POS有显著性差异（P＜005）修复组与强化组螺钉的POS较对照组分别增加20％、43％（表1）。表1 轴向拔出力
22 周期抗屈后位移比较
对照组与强化组周期抗屈100次后，螺钉位移比较无显著差异（P＞005），周期抗屈200、300、400次后，螺钉位移比较有显著差异（P＜005）（表2）。
23 螺钉松动的最大抗剪切力
周期抗屈400次后，对照组与强化组螺钉松动的最大抗剪切力有显著性差异（P＜005），强化组较对照组增加31％（表3）。表2 周期抗屈后位移
3 讨 论
Morscher、Orizon等颈椎前路带锁钢板具有高度的内在稳定性，目前颈椎前路带锁钢板的应用日益广泛，随之而来的钢板螺钉的松动、脱出问题也日渐增加。各国学者从不同方面着手来减少这个并发症的发生。磷酸钙骨水泥，亦称羟基磷灰石骨水泥（HAC），是20世纪80年代中期由Brown和Chow研制出来的一种新型自固化型，非陶瓷型骨水泥。由固相和液相两部分组成。苗军等〔1〕研究证实CPC具有良好的生物相容性，在体内的降解过程与正常骨重建过程相似，骨水泥吸收与骨形成协调同步进行。尽管CPC强化效果不及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），但由于CPC避免了PMMA的缺点，如聚合时的放热反应、骨水泥界面的异物反应、无生物降解性和骨诱导活性等，目前正在逐步替代PMMA，成为医用材料界的研究热点之一。
生物力学中常以最大轴向拔出力反映松质骨内固定螺钉的握持力。在对椎弓根螺钉的实验中，Bai〔2〕等发现POS增加了179％，抗屈强度增加了90％。国内邵景范等〔3〕研究发现CPC强化后POS增加约80％，相对于对侧增加了91％（较高骨密度）至864％（较低骨密度）。其他许多作者也都证实CPC可显著增加椎弓根螺钉的POS。
Patrick等〔4〕在尸体颈椎作螺钉的生物力学实验，证实螺钉的最大轴向拔出力与螺钉长度密切相关。校正骨密度与植入扭距，14 mm和16 mm螺钉的POS相当，但明显大于12 mm螺钉。而自攻和自钻螺钉在相对应的任何长度的POS均无明显差异。本实验采用临床常用的14 mm自攻螺钉，测试出螺钉的POS对照组为313 N，与Patrick等〔4〕和陈德玉等〔5〕的测试结果相近，修复组为376 N，较对照组增加20％，强化组为446 N增加43％。说明CPC对颈椎螺钉固定同样具有较好的加固作用。
造成螺钉松动，脱出的因素除了轴向拔出力外，还有反复作用于螺钉的屈曲力以及两者的联合力，为模拟颈椎前路手术后加用外固定时的生理应力，作者进行了周期抗屈实验，发现在循环加载400次后，加固后的螺钉位移为（0171±0103）mm，明显小于对照组（P＜005）。周期抗屈实验后最大抗剪切力达到395 N，较对照组增加31％。说明CPC加固钉道后可明显提高对抗循环弯曲应力的能力。
由于螺钉的最大轴向拔出力主要取决于螺钉螺纹和周围骨质间的抗剪切应力的大小，所以骨密度对螺钉固定的稳定性具有决定作用。一些学者通过研究表明：拔出强度，扭矩与骨密度之间存在着明显的正相关。螺钉的POS同时还与螺钉大小、螺纹深浅、钉道、标本大小密切相关，已有相关的实验研究，在此不再赘述，只探讨相同条件下的生物力学性能。而且还与拔出时的能量大小也有关，本文只讨论生理应力下的情况。
螺钉拔出时，螺纹间带有骨块；用CPC修复或强化后，螺钉拔出时，螺纹间主要是CPC。CPC可通过充填骨小梁间隙，固化后起到镶嵌作用，从而明显增加界面结合强度，并使界面的剪应力转化成压应力，增加固定强度。而且在CPC填充后拧入螺钉，可使CPC与骨结合更加紧密，并挤压松质骨，使之更加致密，从而改善了骨-螺钉界面的情况，提高了最大轴向拔出力和抗剪切应力。
本实验在尸体标本上测试磷酸钙骨水泥加固颈椎前路单皮质骨自攻螺钉的生物力学性能，不能准确反映在体时的情况。下一步作者拟在合适的动物模型上进行在体实验，观察分析材料吸收和新骨形成的过程，以及这个过程对骨-螺钉界面生物力学特性的影响；观察骨水泥植入后对骨组织内压改变而引起周围骨组织吸收，导致松动的情况，然后逐步应用到临床。
参考文献：
〔1〕 苗军，王继芳，赵斌，等.磷酸钙水泥降解成骨机制的研究［J］.中国矫形外科杂志，2005，13(5)：365367.
〔2〕 Bai B,Kummer FJ,Spivak J.Augmentation of anterior vertebral body screw fixation by an injectable,biodegradable calcium phosphate bone substitute ［J］.Spine,2001,15(26):26792683.
〔3〕 邵景范，Sarkar MR，Kinzl L，et al.可吸收骨水泥对椎弓根螺钉稳定性的生物力学影响［J］.中国矫形外科杂志，2001，8（9）：896899.
〔4〕 Patrick WH,Matthew DB,Justin KC,et al.Factors affecting the pulloutstrength of selfdrilling and selftapping anterior cervical screws［J］.Spine,2003,28:913.
〔5〕 陈德玉，沈强，宋滇文.颈椎前路带锁与非带锁钢板螺钉系统固定强度的比较［J］.中国矫形外科杂志，2001，8（2）：148149.
（1广西中医学院附属瑞康医院骨科，南宁华东路10号 530011；2中南大学附属湘雅医院骨科，湖南长沙 410078）