来源：中国人民解放军陆军特*医色**学中心（重庆大坪医院）骨科　重庆医科大学附属第三医院骨与创伤中心

作者：刘瑶瑶 王钟 刘鹏

近来，中国人民解放军陆军特*医色**学中心（重庆大坪医院）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，解决了骨水泥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。

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（简称：骨水泥螺钉）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。如何合理应用骨水泥螺钉，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，对于单节段腰椎滑脱单侧使用骨水泥螺钉（2颗）与双侧使用骨水泥螺钉（4颗）具有相近的临床疗效，成功将骨水泥螺钉的使用推荐数量从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）。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骨水泥螺钉的关键线索。

图2：CT扫描示意普通椎弓根螺钉的失效模式--“雨刮效应”

图3：骨水泥螺钉失效模式示意图--“反雨刮效应”

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）骨水泥螺钉的最大拔出力、骨水泥和椎弓根最大应力、椎体瞬时旋转中心等数据。研究结果提示骨水泥螺钉从“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4）。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5）。该结果的临床指导意义在于，骨水泥螺钉最佳骨水泥用量可能为1.5-3ml。考虑到骨水泥用量越大渗漏风险越高，1.5ml骨水泥是研究结果推荐的最佳使用量。

图4：椎体瞬时旋转中心前移情况及“反雨刮效应”示意图

图5：椎弓根区域及骨水泥-螺钉复合体最大应力改变

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，探讨骨水泥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，为骨水泥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，又能减少骨水泥用量及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

作者简介

刘瑶瑶

中国人民解放军陆军特*医色**学中心（大坪医院）骨科医学博士，主治医师，讲师。

主持国家自然科学基金1项，共同承担国家级、省部级（*队军**）及学校课题多项。以第一/通讯作者发表CSI论文9篇，统计源论文6篇。获实用新型专利6项，发明专利2项，新技术新业务1项。参编专著3部，参译外文专业书籍1部。

在老年骨质疏松内固定手术骨水泥强化方面有较深造诣，参与自主研发的骨水泥螺钉已广泛应用于临床（超1000例），取得良好疗效。获得国家自然科学基金支持，结合有限元模型研究方法，在骨水泥螺钉强化的力学机制方面有深入研究。

王钟

重庆医科大学附属第三医院骨科医学博士、主治医师。

担任中国医师协会运动医学医师分会青年委员。参与国家级课题8项，省部级课题2项，校级课题4项，*队军**课题1项；发表SCI/EI论著8篇；获国家发明专利1篇；参编专著1部。

擅长颈椎病、颈椎创伤、上颈椎畸形的外科治疗。对显微镜辅助脊柱手术、脊柱创伤的运动保留治疗、骨科生物力学有一定造诣。

刘鹏

中国人民解放军陆军特*医色**学中心（大坪医院）骨科主任，外科学与*战野**外科学主任，副主任医师，副教授，博士研究生导师。

现任中华医学会创伤学分会委员、重庆市医学会骨科学分会副主委，全军骨科青年委员会副主委，重庆市医师协会骨科分会副会长，全军骨科专业委员会委员。任《创伤外科杂志》副主编、《中华创伤杂志（英文版）》等多本杂志编委，国家自然科学基金评审专家，重庆市学术技术带头人。

获得国自然面上项目资助3项，国家重点研发计划子课题1项。研究成果以第一/通讯作者发表在Bone Res、J Bone Miner Res，Spine，Eur Spine J，J Biomechnics等相关领域国际著名期刊共计19篇。获重庆市科技进步一等奖1项。获二级甲等临床新技术2项，国家发明专利4项。为地方及部队培养大批高素质脊柱外科专业人才，担任国家级住培基地督导专家，其中1名获全军优硕，并获评重庆市住培名师。

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