不同骨密度条件下长节段单双侧椎弓根螺钉固定的生物力学效应与邻近节段退变机制研究

本研究针对腰椎融合术中椎弓根螺钉固定(PSF)加速邻近节段退变(ASD)的临床难题，通过有限元分析比较了正常与骨质疏松条件下长节段单侧(UPSF)与双侧(BPSF)固定的生物力学差异。研究发现UPSF在维持手术稳定标准的同时，能显著降低相邻椎间盘压力(IDP)13.65-16.44%和关节软骨应力20.19-27.07%，为优化内固定方案提供了重要依据。

　　

腰椎融合手术中，椎弓根螺钉固定(PSF)虽是金标准，却面临邻近节段退变(ASD)的棘手问题。临床观察发现，过度刚性的双侧固定(BPSF)可能导致相邻椎间盘和关节软骨承受异常应力，而单侧固定(UPSF)的微创优势与长期疗效尚存争议。更复杂的是，骨质疏松患者的骨密度差异如何影响ASD发生，此前缺乏系统性生物力学证据。

上海中医药大学附属曙光医院骨伤研究所联合美国佛罗里达大西洋大学生物医学工程系的研究团队，在《Scientific Reports》发表了一项突破性研究。他们构建了包含L2-L5节段的六种有限元模型，涵盖正常骨密度与骨质疏松条件下单双侧固定方案，通过模拟六维运动分析活动度(ROM)、椎间盘压力(IDP)等关键参数。

研究采用64排螺旋CT扫描健康志愿者腰椎数据，通过Mimics 21.0和ANSYS 2024 R2软件建立三维模型。创新性地在SolidWorks中重建关节软骨结构，并设置六种韧带力学参数。通过网格收敛性测试验证模型可靠性后，对比分析了500N垂直载荷与10N·m力矩下的生物力学响应。

在活动度方面，固定节段ROM均<0.98°，符合手术稳定标准。但相邻节段在旋转运动中出现显著代偿：骨质疏松模型下位椎体ROM增幅达45.38%，远超正常组的30.52%。这表明骨质疏松椎体因支撑力下降更易产生异常活动，但与固定方式无关。

椎间盘压力结果显示，BPSF导致L1/L2节段IDP较UPSF升高13.65-14.64%，且上位椎间盘压力普遍比下位高30.08-30.12%。特别值得注意的是，在伸展运动时UPSF反而表现出更好的应力分布优势。关节软骨应力变化趋势相似，BPSF使L1/L2软骨负荷增加27.07%，骨质疏松进一步放大这种差异达7.88%。

螺钉-连杆系统应力分析揭示，UPSF的峰值应力(197.88 MPa)虽比BPSF高21.42%，但远低于钛合金屈服强度(825-895 MPa)。骨质疏松会使钉棒系统应力增加8.83%，但仍在安全范围内。

讨论部分强调，长节段固定中ASD的发生主要与固定节段刚度突变有关，而非单纯取决于单双侧选择。UPSF通过保留部分活动性，能有效降低相邻节段28%以上的机械负荷，这种优势在骨质疏松条件下依然成立。研究建议临床优先考虑UPSF以降低ASD风险，但对骨质疏松患者需个性化评估骨密度，避免钉棒系统过载。

该研究首次系统揭示了骨密度状态与固定方式的交互作用，为精准选择内固定策略提供了生物力学依据。其建立的包含关节软骨的多结构有限元模型，为后续ASD机制研究设立了新标准。这些发现将直接影响临床决策，有望减少二次手术率和医疗成本，具有重要的转化医学价值。