使用锥子制备螺钉导孔增强前路颈椎间盘切除融合术钢板结构强度的生物模拟模型研究

本研究针对ACDF术中螺钉拔出导致内固定失败的问题，通过生物力学实验比较了锥子与钻头制备导孔对钢板结构稳定性的影响。结果显示锥子组最大拔出力显著高于钻头组（810.8 N vs 765.6 N, p=0.002），为优化脊柱外科手术技术提供了实证依据。

　　

在脊柱外科领域，前路颈椎间盘切除融合术（ACDF）已成为治疗颈椎退行性疾病的常规术式，但其内固定失败问题始终困扰着临床医生。据统计，ACDF术后硬件失败率不容忽视，其中螺钉或钢板从椎体中拔出是最常见的失败形式之一。这种失败可能导致融合部位异常活动，进而引发假关节形成，甚至出现硬件迁移、食管穿孔等严重并发症。尽管通过改进螺钉和钢板设计（如锁定机制）已在一定程度上提升了结构的抗拔出强度，但失败事件仍时有发生。

值得注意的是，影响螺钉拔出强度的因素众多，包括骨密度、螺钉尺寸、植入角度和植入扭矩等。然而，一个长期以来被忽视的因素是螺钉导孔的制备方式——究竟该用钻头还是锥子？这两种工具在骨质处理上存在本质差异：钻头通过其刃带去除松质骨，而锥子则是通过压缩松质骨至导孔壁侧方来形成通道。这种微观层面的差异是否会影响螺钉的把持力，进而改变整个ACDF结构的生物力学性能，成为了研究人员关注的重点。

为此，Andrew B. Rees团队在《North American Spine Society Journal (NASSJ)》发表了一项创新性研究，通过高保真3D打印生物模拟模型，系统比较了使用锥子与钻头制备导孔对ACDF结构生物力学性能的影响。研究结果表明，使用锥子制备导孔可显著提高结构的抗拔出强度，这为脊柱外科医生选择更优的手术技术提供了重要依据。

在研究过程中，团队采用了多项关键技术方法。首先，他们基于正常颈椎C5-C6水平的高分辨率CT扫描数据，通过Materialise Mimics和Meshmixer软件生成具有皮质骨表面和松质骨内部的椎体测试模型，并使用Flashforge Creator Pro 3D打印机打印40个统一规格的测试块。所有导孔制备均由同一研究者完成，确保操作一致性。生物力学测试采用MARK-10系列测试系统，通过定制激光指针确保测试块居中定位，测量最大轴向拔出力、刚度和应变等参数。

研究方法与实验设计

研究人员使用经过验证的3D打印技术制作了模拟颈椎椎体的测试模块，这些模块具有与人体骨骼相似的物理特性。每个测试模块上制备四个导孔，分别使用3毫米钻头（n=20）和3毫米锥子（n=20）两种方法。随后安装颈椎锁定钢板和四个3.5毫米自攻螺钉，形成完整的ACDF结构。通过精密的生物力学测试系统，研究人员测量了结构的拔出强度、刚度和应变等参数。

结果：锥子组表现出显著更高的抗拔出能力

研究结果显示，使用锥子制备导孔的ACDF结构平均最大拔出力达到810.8±40.1 N，而钻头组为765.6±43.4 N，两组之间存在统计学显著差异（p=0.002）。这一发现支持了研究团队的假设，即锥子通过压缩而非去除骨质的方式，为螺钉提供了更好的把持环境。

在刚度和应变方面，两组之间未发现显著差异：锥子组的刚度为284.0±30.1 N/mm，钻头组为293.2±41.3 N/mm（p=0.434）；应变值分别为1681.3±375.4 Nmm和1614.4±261.1 Nmm（p=0.526）。这表明两种导孔制备方式主要影响结构的抗拔出能力，而不改变其基本力学特性。

讨论：临床意义与未来方向

本研究首次在生物力学层面证实了导孔制备技术对ACDF结构性能的影响。虽然现代ACDF钢板采用锁定螺钉形成固定角度结构，但硬件失败仍然发生，通常表现为螺钉松动或锁定机制失效。改进固定技术不仅对减少硬件相关并发症至关重要，也在提供促进成功融合的稳定性方面发挥重要作用。

研究发现的5.6%平均拔出强度提升是否具有临床意义仍需进一步探讨。单节段ACDF的不融合率在某些研究中高达13%，而三节段手术的失败率甚至可达60%。硬件失败与假关节形成之间存在复杂的因果关系：在某些情况下，螺钉把持力不足可能导致异常活动和后续假关节形成；而在另一些情况下，假关节产生的异常应力又可能导致硬件失败。

尽管3D打印生物模拟模型为生物力学研究提供了高度可控的实验环境，但本研究仍存在一些局限性。徒手螺钉植入可能产生角度不一致；钢缆力分布可能不均匀；使用的12毫米螺钉短于临床常用的14-16毫米螺钉。这些因素可能影响绝对拔出力的数值，但由于它们在两组间保持一致，不太可能影响组间比较的结果。

该研究的发现为脊柱外科实践提供了有价值的见解。使用锥子而非钻头制备导孔这一简单技术改变，可能会显著提高ACDF结构的稳定性，从而潜在降低并发症风险并改善融合效果。未来研究需要扩大样本量，并探索生物力学参数与临床结果之间的相关性，特别是基于导孔制备方法的假关节发生率和硬件失败率。

结论

本研究通过精确的生物力学实验证明，在3D打印生物模拟模型中，使用锥子制备螺钉导孔相比传统钻头方法能显著提高ACDF结构的抗拔出强度。虽然刚度和应变参数未见显著差异，但拔出强度的改善表明这种技术可能在临床环境中提供更好的稳定性。这一发现为脊柱外科医生选择手术技术提供了科学依据，并强调了继续探索优化ACDF固定方法的重要性。