不同剂量聚甲基丙烯酸甲酯强化锚钉在骨质疏松骨模块中的稳定性差异

董伊隆，钱约男，张侠，李一民，蔡春元，刘良乐

温州医科大学附属第三医院，浙江 温州 325200，1.骨外科；2.影像科

目前，利用锚钉缝合技术治疗肩袖撕裂已被广泛应用于运动医学科[1-2]，但随着社会老龄化的加剧，伴有骨质疏松的肩袖损伤患者越来越多[3]，骨质疏松带来的骨密度下降会严重影响锚钉的把持力，导致锚钉松动，甚至脱离等[4]，而锚钉松动拔出等锚钉固定失败是导致肩袖修补手术失败的主要原因之一[5]。因此，在不能改变患者骨密度的前提下，临床上急需一种方法来提高锚钉的稳定性。

聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate, PMMA）骨水泥由于其良好的机械强度和强化效果，在临床上广泛应用于关节置换和脊柱椎体强化手术，但PMMA骨水泥应用于锚钉强化较少见。本研究通过股骨头标本模拟骨质疏松肱骨大结节区域结构，在该骨模型下比较不同剂量PMMA骨水泥强化锚钉稳定性的效果，分析锚钉稳定性同PMMA骨水泥剂量之间的关系，探索骨质疏松条件下注射PMMA骨水泥强化的最佳剂量，以期为临床治疗伴有骨质疏松的肩袖损伤提供参考。

1 材料和方法

1.1 实验标本和工具 选择股骨头标本，年龄60～95岁，为完整的股骨头标本，排除肉眼观察或X线证实有肿瘤、结核、风湿、骨折等病变及解剖学异常的标本。实验所用标本均由北京运康恒业生物科技有限公司提供，电动摆锯等解剖器械购自美国Stryker公司，锚钉强化材料PMMA骨水泥购自天津合成材料工业研究所，带线锚钉（TwinFix Ti 5.0，锚钉直径5 mm，长度1.5 cm）购自施乐辉医用产品（苏州）有限公司，数字X线机（DirectView DR7500，Kodak，USA）由瑞安市人民医院提供，生物力学机购自美国Bose公司。CAD图像处理软件购自美国Autodesk公司，牙脱石粉和自凝牙脱水购自上海珊瑚化工厂。

1.2 方法

1.2.1 骨质疏松骨模块的制作和固定：经定量CT（quantitative computed tomography, QCT）筛选骨密度（bone mineral density, BMD）＜120 mg/cm3的股骨头作为实验对象，本研究中利用电动摆锯将股骨头标本切割成3 cm×3 cm×3 cm的立方体，完全去除股骨头软骨，原股骨颈处灌注调配好的自凝型牙脱粉，使其牢固固定底座。

1.2.2 分组和实验方法：36个骨质疏松骨模块随机分为A至F 6个实验组。采用相同的方法制备钉道，开孔器建立骨道，骨道深度20 mm，A组直接拧入锚钉；B-F组注射器推杆精确分别向钉道内直接注入0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL PMMA骨水泥，然后各组垂锚钉直骨面90°拧入。其中PMMA骨水泥粉和液体按照2:1的比例进行混合，PMMA骨水泥进入面团期后再注射到钉道内。骨水泥进入固化期后对所有标本进行X线检查，了解锚钉及其周围骨水泥的分布情况。

将已置钉的骨模块通过特制的夹具固定在生物力学机上，沿锚钉长轴方向以5 mm/min的加载速度进行拔出力学实验，以锚钉拔出骨破坏后停止加载。锚钉被拔出的判断标准是位移-拔出力曲线至最高点后随即明显下降。实验机的载荷信号由计算机数据采集系统记录，并由相应的测试软件计算螺钉的最大轴向拔出力（Fmax）。观察拔出后骨模块的破坏情况，数码相机拍摄入口处平面图，利用CAD图像软件描边后，自动计算不规则平面图面积 （irregual graphs ares, IGA）。

为保证力学测量的高精度，实验所制作的置钉骨模块在模型制作、材料力学、高度、加载方式、结构处理上保持一致。

1.3 统计学处理方法 采用SPSS17.0统计软件对数据进行统计分析。计量资料采用±s表示，用Levene法进行方差齐性检验，多组间比较采用方差分析，组间两两比较采用LSD-t检验；采用Pearson相关性分析Fmax与PMMA剂量之间的关系。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 X线示锚钉周围PMMA骨水泥的分布情况 A组中锚钉螺纹直接与骨接触；B组至F组中，锚钉周围可见PMMA的高密度区域，B组锚钉尖端被PMMA骨水泥包绕；C组锚钉尖端和体部被PMMA骨水泥包绕；D组锚钉尖端和体部被PMMA骨水泥包绕，周围PMMA高密度区域较C组增加；E组锚钉包括尖端、体部和近端被PMMA骨水泥完全包绕；F组锚钉包括尖端、体部和近端被PMMA骨水泥完全包绕，但部分骨水泥外溢到骨面上。见图1。

图1 X线示各组锚钉周围PMMA骨水泥的分布情况

2.2 Fmax与PMMA注射剂量的关系 A-F组的Fmax分别为（145.50±23.82）N、 （188.67±34.9）N、 （234± 21.14）N、 （296.80±18.55）N、 （445±33.72）N和（458.60±25.54）N，各组间差异有统计学意义（P＜ 0.05）。B组至F组与A组相比，Fmax的差异均有统计学意义（P＜0.05），与A组相比，B组至F组的Fmax分别提高了29.67%、60.82%、104.01%、205.96%和215.23%。E组和F组之间Fmax的差异无统计学意义 （P＞0.05），其余各组间的差异均有统计学意义（P＜ 0.05）。PMMA剂量为0～2 mL，Fmax与PMMA剂量之间存在正相关关系（r=0.948，P＜0.05）。见图2。

图2 Fmax与PMMA注射剂量之间的相关性

2.3 锚钉拔出后入口处破坏情况 锚钉拔出后各组模块均有不同程度的破坏。从A组到E组，模块的破坏程度逐渐加重，E组和F组中模块的破坏程度相差无几。入口处A组至F组的IGA分别为（22.35± 3.47）mm2、 （24.35±4.32）mm2、 （38.18±3.29）mm2、 （49.56±7.54）mm2、 （62.42±10.42）mm2、 （60.73± 9.87）mm2。见图3。

图3 锚钉拔出后各组入口处破坏情况

3 讨论

据报道60岁以上人群出现肩袖损伤高达25%以上[3]。中国40岁以上男性罹患骨质疏松高达11.8%，女性则达14.2%，随着年龄增长，骨质疏松的患病率也逐年升高，其中50岁以上女性患病率明显增 高[6]。目前，伴有骨质疏松的肩袖损伤越来越多，而关节镜下带线锚钉缝合修补损伤肩袖已成为目前肩袖损伤手术治疗的主要方法[7]，锚钉拔出等锚钉固定失败是导致肩袖修补手术失败的主要原因之 一[5]。一旦发生锚钉拔出，不仅影响肩袖修补愈合的成功率，而且拔出的锚钉在关节腔内形成异物，对关节内的组织结构产生不可逆的损害。而导致锚钉拔出失效主要与锚钉的设计、患者骨质密度、锚钉插入深度和插入角度等因素相关[8]。手术医师无法掌控锚钉的设计和患者的骨质密度，故需寻找一种强化材料来改变骨质情况，进而提高锚钉的稳定性。PMMA骨水泥因其质量轻、抗酸碱腐蚀性强、机械强度高的特点被认为是提高螺钉拔出力的最有效的材料[9]。有学者使用PMMA骨水泥锚钉进行失败负荷试验，已证明使用PMMA骨水泥可有效增加锚钉的稳定性[10-11]。但对于最佳PMMA骨水泥注射量目前缺少研究。故研究在骨质疏松条件下PMMA骨水泥剂量同锚钉的把持稳定性的相关性，有助于临床医师在实践中更好地掌握PMMA的注射剂量，减少锚钉拔出失败率，从而进一步提高肩袖修补手术的成功率。

本研究采取股骨头标本代替肱骨近端标本，是由于肱骨近端标本来源有限，骨质疏松的标本更为稀少。而骨质疏松股骨头标本相对充裕，老年股骨颈骨折患者选择髋关节置换术，故股骨头标本不必等待患者死亡即可获得。相对于目前的聚氨酯骨质疏松模块，股骨头标本微观骨结构更接近肱骨近端。基于来源相对充裕和骨结构近似，故本研究选用股骨头来模拟骨质疏松条件下的肱骨近端结构，通过生物力学实验来比较不同剂量PMMA骨水泥强化骨质疏松模块中螺钉稳定性的效果，并分析锚钉稳定性与PMMA剂量之间的关系。

本研究结果发现，注射不同剂量的PMMA后螺钉的稳定性均有不同程度的提高，且随PMMA剂量增加螺钉的稳定性逐渐提高，螺钉稳定性与PMMA剂量之间存在明显的正相关关系（r=0.916，P＜0.05）。但拔出试验中发现在注射PMMA剂量0.5 mL、1.0 mL和 1.5 mL时，螺钉的稳定性仅分别提高30.33%、61.19%和99.79%，而在注射2.0 mL时，螺钉的稳定性突增到215.05%。这可能与锚钉与骨隧道间的最大把持力集中在近端锚钉螺纹和周围的骨组织表面之间[12]，而该恰好对应锚钉入口。只有PMMA达到一定剂量，才能覆盖整个钉道，从而在锚钉入口处作用于近端锚钉周围。其中E组和F组之间Fmax的差异无统计学意义，同时F组部分PMMA骨水泥外溢到骨面上，在临床上，外溢的PMMA骨水泥可能对关节内的组织结构产生不可逆的损害。故本研究结果提示，虽然锚钉的稳定性与PMMA骨水泥剂量正相关，但并不意味着加大PMMA的剂量就一定能取得最大利益。结果表明在骨质疏松骨模块中，注射2.0 mL PMMA进行强化最合适。

综上所述，本研究结果表明，PMMA可以显著提高骨质疏松骨模块中锚钉的稳定性，且锚钉的稳定性同PMMA骨水泥剂量存在显著相关性，在0～2 mL中，锚钉的稳定性随PMMA剂量的增加而提高。故在临床上针对伴有骨质疏松的患者，进行锚钉强化时，推荐PMMA的剂量为2.0 mL。