椎弓根螺钉骨水泥钉道强化材料的应用进展

作者：北京大学第一医院骨科 

　　　孙浩林 李绪文 李淳德

  导  语   

椎弓根钉内固定融合术是治疗腰椎退行性疾病的金标准，在维持减压效果、稳定脊柱结构、促进早期融合等方面具有巨大的优势。但随着人口老龄化的进展，我国骨质疏松症（osteoporosis，OP）患者越来越多，而对于伴有骨质疏松的脊柱退行性疾病，常规的椎弓根钉内固定往往固定强度不够，从而带来螺钉松动、拔出、切割椎体等风险，最终导致固定融合失败。对于目前解决骨质疏松导致椎弓根螺钉把持力不足的多种方法中，椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术是提高椎弓根钉固定稳定性的最有效方法。

椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术所应用的强化材料也是影响临床效果的关键因素。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 是目前临床唯一批准用于椎弓根螺钉加强固定的骨水泥，但面临骨水泥渗漏、不可降解、螺钉取出困难、感染风险增加等问题, 理想的椎弓根螺钉加强材料应该是兼具生物力学性能、生物降解性和诱导新骨形成能力的材料，也是我们今后研究的重点。

骨质疏松症(osteoporosis, OP)已经成为继糖尿病、高血压之后,影响人民健康的跨学科共同关注的疾病之一,随着人口老龄化的进展,这类问题在我国更加凸现。骨质疏松症导致患病人群骨量低下,骨微结构损坏,骨脆性增加,易发生骨折等特点,同时对脊柱退行性疾病的治疗也带来严重的威胁。腰椎椎弓根钉内固定融合术已成为治疗腰椎退行性疾病的金标准,具有保证减压效果、稳定脊柱、促进融合和早期康复等诸多优势,在治疗腰椎管狭窄症、腰椎滑脱症、腰椎退变性侧弯、腰椎间盘突出症等疾病广泛应用。然而骨质疏松患者由于椎体骨密度降低会直接影响椎弓根螺钉的固定强度,导致椎弓根螺钉松动、拔出、切割椎体、内固定复位失效等,成为手术的潜在风险。

如何解决骨质疏松症导致椎弓根螺钉固定强度不足的问题,目前通过研究改进的方法主要包括:(1)增加椎弓根螺钉长度及直径；(2)改进椎弓根螺钉自身螺纹设计,比如使用双螺纹螺钉；(3)自身膨胀螺钉；(4)双皮质螺钉固定技术；(5)皮质骨螺钉技术；(6)椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术。其中,椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术是提高椎弓根钉固定稳定性的最有效方法。

椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术包括传统椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术和多孔中空椎弓根螺钉(cement injectable cannulated pedicle screws, CICPs)骨水泥钉道强化技术,传统椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术存在骨水泥渗漏、椎弓根螺钉置入失败等风险,操作相对繁琐,本身限制了其临床应用。CICPs骨水泥钉道强化技术的应用可以简化操作步骤,降低骨水泥渗漏风险等优势。此类中空螺钉带有数个侧孔,术中将多孔中空椎弓根螺钉置入后, 可在X光线透视下将骨水泥注入空心螺钉,骨水泥会从螺钉侧孔流出,渗入松质骨内,形成螺钉-骨水泥-骨复合体。该复合体能够有效提高螺钉的稳固性、抗疲劳性,同时降低骨水泥渗漏的风险。已经有临床研究证实CICPs 骨水泥钉道强化技术治疗腰椎退行性疾病安全有效,骨水泥渗漏风险降低,能够获得满意的临床效果。

图1、传统椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术

图2、多孔中空椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术 

除强化技术外，椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术所应用的强化材料也是影响临床效果的关键因素。理想的钉道强化材料应当满足:可注射性、易操作性、不透 X 线性、适宜的黏滞性、合适的凝结时间、低聚合温度、合适的机械强度、生物相容性、生物活性、合适的降解速度、骨诱导生成能力以及合理价格。

目前椎弓根螺钉骨水泥钉道强化技术可以应用的强化材料主要包括:(1) 聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)、(2)磷酸钙骨水泥(CPC)、(3)硫酸钙骨水泥 (CSC)、(4)羟基磷灰石(HAP)、(5)、磷酸三钙(TCP)、(6)钉道内植骨等。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是应用最早且最广泛的椎弓根螺钉钉道强化材料,也是目前临床上唯一批准使用的椎弓根螺钉骨水泥钉道强化材料，且已被证实是一种能有效提高骨质疏松症患者椎弓根钉稳定性的方式,可将椎弓根螺钉抗拔出强度增加到147%到300%,在临床应用对螺钉稳定性的增强效果已经得到充分证实,目前仍然是椎弓根钉道强化技术首选的强化材料。随着PMMA强化椎弓根螺钉的逐步临床应用,PMMA的潜在风险和并发症也逐渐被骨科医生认识和重视。

(1)首先,PMMA骨水泥固化后弹性模量过高,与松质骨弹性模量不匹配导致应力转移到邻近节段椎间盘和椎体,容易造成术后邻近节段椎体骨折和椎间盘退变,甚至易出现近端交界处后凸或近端交界处失败。

(2)PMMA骨水泥缺乏骨传导性,同时还缺乏多孔结构,因此骨水泥周围几乎没有骨整合和骨长入,造成骨水泥与周围骨组织结合较弱,因而导致骨水泥-骨复合体的强度不足。而且,在疲劳应力的作用下,骨水泥-骨界面易发生松动,最终导致治疗失败,在椎体成型术中已有骨水泥移位的相关报道。

(3)PMMA聚合时放热以及残留MMA单体毒性可能导致周围组织坏死。

(4)对于有些需要将椎弓根钉取出的病例,从螺钉-骨水泥-骨复合体中取出螺钉将极其困难,甚至因螺钉与PMMA之间的粘结强度太高,会产生一些附加损伤。

(5)PMMA由于不可降解,注入椎体后长期留存,致使PMMA既是深部感染,也是浅表感染的危险因素。

与PMMA相比,磷酸钙骨水泥(CPC)、硫酸钙骨水泥(CSC)、羟基磷灰石 (HAC)、磷酸三钙(TCP)及各类生物复合材料有生物可吸收性,并具有引导成骨爬行替代作用,凝固过程中无放热反应,异物反应性小。可吸收材料虽然可提高椎弓根螺钉固定强度,但强化作用明显低于PMMA（表1）。

表  一

CPC作为一种自固型非瓷羟基磷灰石类人工骨材料,具有良好的生物相容性、生物活性、骨诱导效应以及生物可降解性,由于其具有巨大的发展空间和临床应用价值,一直是近年来的研究热点。但目前CPC仍存在很大缺陷:力学强度低、脆性大,注射性较差、易固液分离、液体中易溃散,从而限制了其临床应用。虽然CPC目前仍有较大缺陷，但因其潜在的优势，仍有大量研究致力于提高磷酸钙骨水泥骨水泥的力学强度。改进方法包括调整磷酸钙成分及配比,使用不同固化液及添加力学增强成分(如碳纳米管、聚合物、纤维、淀粉等)等。

因此,目前仍然没有一种可吸收强化材料能够满意替代PMMA的临床应用。但PMMA所导致的并发症越来越引起人们的关注，新的强化材料研究必将成为骨科材料领域研究的一个热点。笔者认为，用于椎弓根螺钉钉道加强的材料应满足具有良好的生物力学特性、生物活性（可降解、骨传导性、骨诱导性）、良好的操作性能（理想的凝固时间、抗溃散性）、安全（无毒、无放热）等特点,而新材料的临床应用也需要大量的前期工作进行有效性和安全性的研究和测试。