来源：中国人民解放军陆军特色医学中心(重庆市大坪医院)骨科

作者：刘瑶瑶 王钟 刘鹏

近来，重庆市大坪医院骨科刘鹏教授团队，通过有限元分析方法，研究了骨水泥螺钉实现强化效果背后的生物力学机制问题，解决了螺钉应用的不确定性难题，从应用基础研究角度出发为解决临床问题提供了新思路。

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腰椎滑脱症是一种上位椎体相对于下位椎体向前滑移，以腰腿痛、间歇性跛行为主要症状的常见退变性脊柱疾病，成年人发病率约为6%。对于保守治疗无效的患者，采用后路椎弓根螺钉内固定技术复位滑移椎体、恢复腰椎序列、坚强固定达到骨融合是主要的治疗方式。然而，老年骨质疏松人群由于骨质疏松极大的降低了椎弓根螺钉的稳定性，极易发生内固定失败(图1)。

图1 腰椎滑脱内固定失败病例

骨水泥强化中空带侧孔椎弓根螺钉(PMMA螺钉)可显著提高内固定各项力学指标，可获得良好的临床效果。但是过度使用则面临强化椎体刚度太大增加邻近椎体骨折风险，加速邻近节段退变，不可吸收、翻修困难，肺栓塞等等问题。如何合理应用PMMA螺钉，既能满足内固定稳定性需求，又能尽量减少使用数量，避免骨水泥相关并发症，一直脊柱外科医生关注的重要临床问题。

课题组前期的回顾性病例对照研究证实，单侧使用PMMA螺钉(2颗)与双侧使用PMMA螺钉(4颗)具有相近的临床疗效，成功将PMMA螺钉使用的推荐数量从4颗减少为2颗。进一步观察发现，普通椎弓根螺钉失效模式为“雨刮效应”(图2)。

图2 CT扫描示意“雨刮效应”

骨水泥增强椎弓根螺钉后，由于骨-钉界面的应力分布特征被人为改变，失效模式与普通螺钉相比也发生了变化，将其称为“反雨刮效应”(图3)，该现象的生物力学机制尚不清楚。课题组敏锐的发现，在其背后可能蕴含着合理应用PMMA螺钉的关键线索。

图3 “反雨刮效应”示意图

课题组采用腰滑脱患者的CT扫描数据，利用计算机模拟方法，构建了腰椎滑脱的有限元模型。以1-5ml骨水泥使用量为变量，分析了各种工况下(屈伸、左右侧倾、左右旋转、压缩、前剪切)PMMA螺钉的最大拔出力、骨水泥和椎弓根最大应力、椎体瞬时旋转中心等数据。

研究结果提示PMMA螺钉从“雨刮效应”向“反雨刮效应”转变的生物力学机制为：随着骨水泥用量的增加，螺钉尖端应力集中逐渐分散，椎弓根部成为受力集中区域，椎体瞬时旋转中心从椎弓根部逐渐前移至骨水泥-螺钉复合体(图5)。

图4 椎弓根区域及骨水泥-螺钉复合体最大应力改变

定量数据表明，使用1.5ml骨水泥时椎弓根部应力开始大于骨水泥-螺钉复合体，使用3.5ml骨水泥时椎弓根部应力显著增加(图4)。该结果的临床指导意义在于，PMMA螺钉最佳骨水泥用量可能为1.5-3ml。

图5 椎体瞬时旋转中心前移情况及“反雨刮效应”示意图

该研究获得国家自然科学基金(81902257)资助，从临床实际发现科学问题，属于应用基础研究范畴，具有较强的临床指导意义。该研究首次以椎体运动轴心为切入点，探讨PMMA螺钉强化稳定性的规律和生物力学机制，为椎弓根螺钉内固定系统的生物力学研究开创了新的研究视角；同时，为PMMA螺钉的合理临床应用提供重要的理论依据，达到既能满足康复早期稳定性需求，又能减少PMMA螺钉使用数量的目的，从而避免过度使用所带来的相关问题。

项目由刘鹏教授指导完成，生物力学方向PI刘瑶瑶博士及王钟博士具体实施，同时获得了周强教授的大力帮助。原文链接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S2405-8440(23)00937-4

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