本文原载于《中华创伤骨科杂志》2018年第6期
骨折的发生是一个急性的、纯粹的机械力学破坏过程，内固定术作为最常用的骨折治疗手段，以使用骨板的内固定术为例，应重点关注从分离骨块、复位到最终螺钉钢板置入形成稳定固定的过程。螺钉作为直接与骨接触并进行力学承载的关键内置入物，其与骨结合的稳定性是骨折手术成功的关键。但实际应用过程中，因螺钉松动导致手术失败的案例很常见，因此，关注和研究螺钉稳定性影响因素十分重要，可以为内固定手术提供更好的手术指导，对降低手术失败风险有重要意义。
目前，螺钉的拔出强度是评定螺钉稳定性的常用单一指标，通过对螺钉顶头沿轴线的均匀向外强制位移，测量螺钉从开始到最终拔出的位移载荷曲线，获得螺钉的最大拔出力[1]，最大拔出力是评价其螺钉稳定性的力学指标[2]。
本文从骨密度、先导孔质量、螺钉结构、置钉扭矩大小、螺钉和先导孔的适配性等方面对骨折内固定中螺钉稳定性影响因素的研究现状进行综述，总结提升螺钉稳定性的方法。为临床骨折治疗提升螺钉稳定性，改善提高内固定治疗手术效果提供参考。
一、骨密度大小的影响
骨密度是衡量骨力学性能的重要指标[3]，骨作为直接与螺钉接触并提供螺钉拔出力的重要媒介，随着骨密度增加，其应变能(以应变和应力的形式贮存在物体中的势能)和刚度（材料或结构抵抗弹性变形的能力）等力学参数都有明显增加，骨密度在一定程度上体现了骨的力学性能，是评价骨质量的重要指标。
Chapman等[2]发现，螺钉拔出力与骨密度有显著正相关性，随着骨密度的增加，螺钉的拔出力增大。他们采用不同密度的聚氨酯泡沫材料，以10组牛椎骨（年龄约为6周）以及尸骨椎骨为实验对象进行同等参数条件下的对比实验。发现尸骨松质骨随骨密度变化，拔出力呈现波动，上升趋势不明显；聚氨酯材料随着其密度的增加，拔出力呈线性上升趋势；对于牛骨松质骨，拔出力随着骨密度增加上升趋势明显，其变化趋势大于尸骨松质骨。Varghese等[4]采用3种不同密度聚氨酯材料进行实验，置入医用钛合金自攻椎弓根螺钉进行拔出力试验，发现骨密度是影响螺钉拔出强度重要因素（P<0.05），拔出力实验表明，随着骨密度的增加，拔出强度呈现上升趋势，最大骨密度（240 kg/m3）对应拔出力达到（1 108±291）N，低骨密度（80 kg/m3）条件下的拔出力为（318±57）N。Reitman等[5]采用双能X线骨密度仪扫描，对12组样本54根颈椎面骨密度进行扫描测量骨密度，同时进行拔出力试验，发现面积骨密度与拔出力之间呈正相关性，随着骨密度的增大，拔出力同样呈现上升趋势。Ab-Lazid等[6]在标准拔出力试验条件下测量不同骨密度下螺钉拔出力，拟合螺钉拔出力与有机材料面积骨密度关系方程发现，螺钉拔出力随面积骨密度的增大而增大。
临床研究[4,7]发现骨小梁在空间上呈现无规律变化，很难从同一个生物体上获取密度差异较大的不同骨样本，因此固体聚氨酯泡沫材料被广泛应用螺钉拔出强度的实验研究，牛骨与尸骨力学性能接近，通常被用作为实验替代材料，以降低重复实验的成本。聚氨酯泡沫材料剪切强度与人骨接近，其高孔隙率内部结构可模拟人骨，聚氨酯泡沫材料降低了骨个性化差异对拔出力的影响[8]。
低骨密度会增加螺钉失效风险，当患者骨密度达不到手术要求时，可以采用骨质增强技术，聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate, PMMA）与可降解碳酸磷酸钙盐（骨水泥）注入骨结构中作为结构增强介质，骨水泥增强极大提升螺钉拔出力，增强相处在不同位置拔出力存在差异，靠近骨面浅部拔出力更大[9]。填入骨质是另外一种相容性更好的增强方法[10]。
二、先导孔质量的影响
骨钻孔是创伤骨科治疗过程中的基本步骤之一，钻孔过程需要严格控制切削力带来的破坏以及钻削温度过高带来的热损伤[11]，实验通过观察骨孔口边缘破损情况以及骨孔壁裂纹分布来评价骨孔质量。骨钻孔过程中，过大切削力及扭矩会造成骨界面微裂纹的不断积累，降低周围骨组织强度，影响即刻螺钉拔出强度及后期的修复愈合[12]，好的骨孔质量能提升螺钉稳定性。
要获得好的骨孔质量，O'Brien等[13]认为钻削过程应避免骨表面出现大微裂纹。Gupta等[14]在三种不同主轴转速下进行先导孔钻孔发现，随着主轴转速的增大，孔壁裂纹尺寸增大，数量增加，骨孔孔壁质量下降。在主轴转速一定的情况下，随着进给量的增大，同样出现骨孔壁裂纹增加，裂纹长度增大，骨孔质量下降。
对人体骨组织而言，必须控制钻削温度在安全温度47 ℃以下[15]，钻削热量聚集导致的骨孔内壁温度过高会对骨细胞产生不可逆损伤，破坏周围骨组织生物活性[16]，影响骨重建愈合。骨钻削过程钻削热会传导到新形成的骨屑中，随骨屑离开加工区域[11]，切屑形貌可以看作是衡量排屑效果好坏的指标，长切屑以及扇形切屑影响热量释放，影响钻削质量[17]。传统钻孔会出现短螺旋与长螺旋切屑，不利于骨孔散热，超声钻削方式比起传统方式，钻削温度最多可降低34%[18]，同时超声钻削能降低钻削力与扭矩[19]，孔口骨屑形貌为微小破碎状针状切屑且排屑效率高，可减少骨孔热量聚集，孔壁及孔口质量更佳。拔出力试验[14]表明，超声钻孔相对传统钻孔方式，能获得更好的骨孔质量从而提升螺钉拔出力。
新型结构的钻头在改善骨孔质量方面也发挥很大作用[20]。Yang等[21]设计新结构骨科钻头，对比传统医用麻花钻，在同等运动参数下切削力更小，钻孔温度更低。
临床治疗过程一般都忽视骨孔质量对手术的影响，采用新的钻削方式和新型工具可提高骨孔质量，一定程度上增加螺钉稳定性，提升手术质量。
三、螺钉结构的影响
（一）螺钉几何参数的影响
螺钉拔出强度受螺纹升角、螺纹深度、螺钉外径等多种因素影响，螺钉强度与螺钉材料、直径、横截面积，以及极惯性矩（材料抵抗扭转变形的能力）有关，理想的螺钉应具有更深的螺纹深度和更细的螺芯，同时螺钉整体拥有足够的刚度。Chapman等[2]研究不锈钢或钛螺钉插入聚氨酯泡沫材料的抗剪强度，提出预测螺纹发生失效的剪切力计算公式。Tsai等[22]在Chapman公式的基础上增加修正项，纳入内外径比、挤压骨量、先导孔等影响因素，提出改进Chapman公式，改进Chapman公式能为螺钉设计提供指导，增大TSF因子（牙深与螺距的比值）提高螺钉的拔出强度。
减小螺距可以作为一种有效的提升螺钉拔出强度的方法[23]。Krag等[24]对比自定义设计螺钉，外径6 mm，内径3.8 mm，螺距分别为2 mm与3 mm，经拔出力测试发现，螺距为3 mm的螺钉拔出力比螺距为2 mm的螺钉低12%，平均拔出力由1 978 N下降至1 435 N（降幅27%）。DeCoster等[25]采用非标螺钉进行拔出力测试发现，螺距2.5 mm的螺纹剪切失效力比1 mm低22%，平均拔出力由1 360 N下降至1 102 N（降幅19%），减小螺距能有效地提升螺钉拔出力，但最大的螺纹深度受到材料剪切强度的限制，螺芯直径过小会导致螺钉整体刚度不足而失效。同时小螺距螺钉需要更大的拧入扭矩[26]。
Brasiliense等[27]在腓骨、髂嵴和肩胛骨标本以及有机材料上测试6种不同结构的螺钉，测试拧入扭矩及拔出力发现，螺纹深度更深的松质螺钉能获得更大的拔出力。但是对于胫骨皮质骨使用深螺纹螺钉会出现更大扭矩，导致螺钉出现变形或切割破坏骨螺纹。
除了改变螺钉的牙型参数，采用新型连接原理的螺钉也可作为提升螺钉拔出力。Koller等[26]设计了头部带"十"字槽膨胀结构的螺钉，并在尸骨脊柱上进行了拔出力试验发现，膨胀结构在一定程度上增加了螺钉的拔出力，但膨胀螺钉头部可靠性低，扭矩过大导致钉头变形和断裂。Schaller等[28]使用膨胀结构的铆接螺钉，内钉将外钉膨胀撑开，以起到固定作用，置入螺钉不需要旋转扭矩，减少了对骨组织的损伤。
（二）螺钉表面改性
螺钉表面改性能诱导和促进骨与螺钉接触面的骨重建，骨重建效果的好坏将影响骨和螺钉界面的结合力。Schaller等[28]对比纯钛螺钉、镁涂层螺钉及普通螺钉3种不同表面性质螺钉置入猪颌骨，分别观察12周与24周后螺钉周围骨重建情况发现，钛螺钉与镁合金螺钉相对于传统螺钉，骨重建效果更好，骨接触面积百分比及骨密度最大。Hasegawa等[29]在染色切片下对比观察羟基磷灰石涂层螺钉与普通螺钉接触面的组织重建发现，涂层螺钉牙间骨组织重建完好，而普通螺钉截面出现的纤维结缔组织会降低螺钉的接触稳定性。同时羟基磷灰石涂层螺钉周围骨密度相比钛涂层螺钉更大，螺钉拔出力更大。螺钉表面改性可作为一种有效提升螺钉慢性稳定性的方法[30]。
设计螺钉时，应该将置入螺钉后骨与螺钉界面的骨再生机制考虑在内，具有促进骨再生机制的螺钉材料及表面结构是研究的重点。
四、置钉扭矩的影响
螺钉拧入需要克服螺钉牙面与骨摩擦而产生的扭矩，置钉扭矩过大会对骨螺纹造成破坏，带来螺钉螺牙与骨的结合力丧失，最终导致螺钉失去连接固定效果[31]，而置钉扭矩过小，螺钉置入即刻就可能出现不稳。Reynolds等[32]测量螺钉拧入肱骨头部直至破坏的过程中扭矩变化曲线，发现最大破坏扭矩与平稳期扭矩存在关联，针对人工骨、绵羊骨及尸骨提出了最大扭矩的预测经验公式。但临床治疗并不提倡医生使用最大扭矩拧入螺钉，Ab-Lazid等[33]探究研究影响平稳扭矩的主要因素，使用MIC-CT进行股螺纹界面的影像学分析，发现螺钉并非在最大置钉扭矩条件下获得最佳稳定性效果。以Reynolds等[32]的最大扭矩的预测公式作为参考。Kyle等[34]研究不同扭矩百分比与拔出力的关系，分别选用最大扭矩的50%、70%、90%和100%置入螺钉到尸骨，并测定螺钉拔出力发现，最大拔出力出现在70%与90%最大置钉扭矩，但90%最大扭矩会增加骨螺纹被破坏的风险。Tankard等[35]采用尸骨肱骨进行实验，提出50%作为螺钉拧入扭矩能获得最好的紧固效果，而将羊肱骨作为实验对象发现，70%最大扭矩能获得更好的螺钉拔出力。
最佳百分比扭矩的选取受实验材料的影响[32]，使得实验结论在一定程度上存在差异。在能预先预测最大置钉扭矩的前提下，可以预先设定置入螺钉的扭矩，临床上应避免使用最大扭矩置入螺钉，以获取更好的固定效果。
五、置钉角度的影响
置钉角度常受到手术条件的影响，螺钉置入时轴向线与骨干轴线的相对角度会影响螺钉的稳定性。Varghese等[4]在不同骨密度条件下测量5种置钉角度的拔出力发现，0°与10°、20°与30°的螺钉拔出力强度没有显著差异，角度为0°的螺钉拔出力大于20°、30°、40°，同时30°大于40°。拔出力总体随着角度的增加呈现下降趋势。而线性回归分析表明在材料密度为0.32 g/cm3时，皮质螺钉的拔出强度与置钉的角度的线性相关性最高。Amirouche等[36]在加入骨密度影响因素的前提下，采用聚氨酯材料作为实验材料，在拔出角度为0°时发现，破坏形式主要为骨螺纹的剥离。Patel等[37]以聚氨酯泡沫材料为实验对象，测试椎弓根螺钉在4种角度置入后的拔出力发现，螺钉角度为10°时，拔出力加载时聚氨酯材料中内螺纹失效脱离，增大角度则出现材料的断裂。拔出力试验中钉头随加载端的向上位移将导致螺钉的受力方向发生变化，螺钉近骨面端内侧对骨质进行挤压，钉尖端挤压远端骨面端外侧，加载端运动使螺钉与材料角度发生偏差，容易出现二次骨折现象，并不能很好地模拟螺钉真实受力状况。Clevenger等[38]以不同角度在有机泡沫材料中置入螺钉，对螺钉进行往复加载实验,认为往复循环受力更接近螺钉真实受力情况，建议临床手术中应尽量避免大角度置入螺钉，以避免螺钉受力挤压破坏骨结构。
六、螺钉和先导孔的适配性的影响
螺钉直径和先导孔直径的适配关系会影响螺钉的稳定性及后期骨重建。如何为不同类型的螺钉选择合适先导孔直径，是临床医生关心的问题。
Steeves等[39]采用新鲜尸骨的股骨远端与胫骨近端作为实验对象，对比了直径为2.8 mm与3.2 mm先导孔直径下的螺钉拔出力发现，小先导孔比推荐适配先导孔径能为皮质螺钉提供更高的拔出强度。Silva等[40]进行动物实验，观察不同骨孔适配条件下的螺钉界面的组织形态，组织形态评价指标包括测量线接触百分比、内接触面积、外接触面积。染色处理后进行光镜观察发现，直径为2.0 mm先导孔对应评价指标均优于直径2.8 mm，小先导孔能获得更大的螺钉拔出力，培育8周后，骨重建能逐步改善螺钉接触稳定性，骨螺纹质量随骨细胞修复螺纹质量变好。Prasad等[41]以密度为1.6 g/cm3的聚氨酯材料作为实验对象，测量直径为6.5 mm的螺钉在不同直径先导孔下的拔出力发现，随着先导孔直径的逐渐增大，螺钉拔出力上升后下降，先导孔直径为2.8 mm时拔出力最大，可作为该实验条件下最优孔径。
螺钉拧入过程中对骨小梁的挤压会增加螺钉与骨界面的接触面积，减小先导孔直径能提高螺钉置入段周围区域松质骨的密度，增大螺钉拔出力[42]。但先导孔直径减小会增加螺钉拧入难度，拧入过程过大的剪切力会引起骨接触面的供血不足和局部坏死，严重时导致骨螺纹的直接机械破坏。因此在选择先导孔直径时需要考虑即刻拔出强度和后期骨重建愈合效果，在确保即刻强度满足手术要求的前提下，应尽量减少对骨孔破坏和骨组织损伤，螺钉周围骨的修复重建，也需要被考虑在内[43]。
七、结论与展望
如何提高螺钉稳定性是一个工程学与生物力学结合的问题，仅关注临床医学问题，手术质量的稳定性很难得到保证。螺钉稳定性受到多种因素的影响，要想确保获得最佳的螺钉稳定性，需要关注患者骨质量，先导孔钻削过程中应确保高效低温低损伤，优化螺钉结构，进行螺钉表面改性以促进骨重建过程，置钉扭矩必须精准合理，选择合适的置钉角度，选择合理的骨孔与螺钉适配关系。
未来骨折内固定手术治疗应该朝着个性化与精准化的方向发展，医工结合的创新研究思路，能为临床治疗骨折提供更完备的指导，而螺钉稳定性作为影响内固定手术效果的关键因素，未来研究方向的重点可集中在如下几点：①针对骨质量不佳的患者提供更多改善骨质量的新型方法；②新型刀具及钻孔方式的应用，实现骨孔低温低损伤钻削来提升骨孔质量；③优化设计新的螺钉结构，新材料应用于螺钉制造以及新的螺钉表面改性技术；④机器人辅助手术，实现螺钉置钉角度与置钉扭矩的精确可控。
“参考文献略”
本文来源：骨关节空间
本文作者：周绍波 冯文强
