《Bioengineering》：Orthopedic Biomaterials in the Clinical Reconstruction of Osteoporotic Atlantoaxial Injuries: A Review
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背景：人口老龄化增加了骨质疏松症（osteoporosis）伴寰枢椎不稳定（atlantoaxial instability）的发生率。骨微结构不良导致螺钉松动（screw loosening）、植入物失败（implant failure）和翻修手术（revi
背景：人口老龄化增加了骨质疏松症（osteoporosis）伴寰枢椎不稳定（atlantoaxial instability）的发生率。骨微结构不良导致螺钉松动（screw loosening）、植入物失败（implant failure）和翻修手术（revision surgery）的高发生率，这仍然是上颈椎手术的关键挑战。传统的寰枢椎固定（traditional atlantoaxial fixation）在低骨密度（low bone mineral density, BMD）患者中效果较差，而胸腰椎螺钉增强技术（thoracolumbar screw augmentation techniques）受到复杂的颅颈解剖（craniocervical anatomy）限制。方法：本综述从生物工程（bioengineering）角度系统总结了主流螺钉优化策略，包括低模量合金基底改性（low-modulus alloy substrate modification）、仿生螺纹结构设计（bionic threaded structural design）、生物活性表面涂层（bioactive surface coatings）、可膨胀螺钉（expandable screws）和骨水泥增强空心螺钉（cement-augmented cannulated screws）。研究人员比较了每种技术的生物力学锚固性能（biomechanical anchorage performance）、成骨能力（osteogenic capacity）和临床并发症（clinical complications）。结果：低弹性模量钛合金（low-elastic-modulus titanium alloys）减少应力遮挡（stress shielding）；梯度多螺纹（gradient multi-thread）、双皮质（bicortical）和CBT轨迹（CBT trajectory）设计显著提高抗拔出稳定性（anti-pullout stability）；羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）、钽（tantalum, Ta）和复合细胞外基质涂层（composite extracellular matrix coatings）促进骨整合（osseointegration）；可膨胀螺钉（expandable screws）和开窗骨水泥螺钉（fenestrated cement screws）可实现可靠的增强。然而，狭窄的寰枢椎间隙（narrow atlantoaxial space）限制了骨水泥增强（cement augmentation）和可膨胀植入物（expandable implants）的应用，且新型螺钉有效性的长期大样本临床证据（long-term, large-sample clinical evidence）不足。结论：结合3D打印生物材料（3D-printed biomaterials）、梯度合金（gradient alloys）和缓释生物活性涂层（sustained-release bioactive coatings）的患者特异性多孔可降解螺钉（patient-specific porous degradable screws）代表了有前景的未来研究方向。本综述为针对老年骨质疏松患者（elderly osteoporotic patients）的寰枢椎内固定装置（atlantoaxial internal fixation devices）开发提供了理论支持。
本综述从生物工程（bioengineering）角度系统总结了骨质疏松性寰枢椎损伤临床重建中的主流螺钉优化策略，涵盖了螺钉基底改性、仿生结构设计、生物活性涂层和内部增强技术等多个方面，并比较了各策略的生物力学性能、成骨能力及临床限制，最后展望了下一代生物材料的发展方向。
1. 引言（Introduction）
寰枢椎节段（C1–C2）是颅颈交界区负责颅骨旋转的核心功能单元。创伤、退行性变、先天性畸形和炎性病变可破坏骨性和韧带约束结构，导致寰枢椎半脱位和不稳定。后路螺钉固定已成为恢复局部力学平衡和保护脊髓的主要手术方式。随着人口老龄化，骨质疏松患者数量增加，该病导致骨量丢失、骨小梁稀疏断裂、皮质骨变薄和成骨活性降低，直接损害螺钉与宿主骨的锚固界面，显著降低螺钉的抗拔出力和抗疲劳性能。临床证据显示，骨质疏松患者寰枢椎固定中螺钉松动的发生率可达60%，常导致植入物失败和畸形复发，需翻修手术。现有综述多集中于临床手术技术，缺乏从生物工程角度对植入物改性策略的系统总结。胸腰椎成熟的螺钉增强技术（如螺纹重新设计、新型合金基底、生物活性涂层和骨水泥增强）在寰枢椎区域因解剖空间狭窄、毗邻椎动脉和脊髓等关键结构而应用受限。本综述从生物工程角度总结了多种改性方法，包括螺钉结构设计、金属基底改进、表面功能涂层和钉道增强，比较了不同策略的生物力学行为和成骨效果，并展望了下一代螺钉的发展趋势。
2. 传统后路寰枢椎内固定系统概述（Overview of Conventional Posterior Atlantoaxial Internal Fixation Systems）
临床常用三种经典构型：Magerl经关节螺钉、螺钉-钢板系统和Harms钉棒系统。双侧C1–C2 Magerl经关节螺钉具有优良的抗旋转和抗侧弯力学性能，融合率超过95%，但约20%患者因椎动脉解剖变异无法双侧置钉。代表性螺钉-钢板系统包括Goel侧块钢板、改良枕颈钢板和C1锁定钢板联合C2椎板螺钉，但经典Goel技术需切断C2神经节，术后头皮麻木发生率高。目前最广泛采用的钉棒系统涵盖四种螺钉轨迹：C1侧块螺钉、C1椎弓根螺钉、C2椎板螺钉和C2椎弓根螺钉。C1椎弓根螺钉抗拔出强度最高，是寰椎固定的首选；C2椎弓根螺钉握持力是峡部螺钉的两倍，可实现近100%融合率。所有传统固定植入物均使用标准3.5 mm单螺纹钛螺钉，未针对低骨密度进行生物工程改性，导致骨-螺钉界面存在明显的力学缺陷。本综述的逻辑框架如图2所示，系统阐述了临床挑战、四种核心生物工程螺钉改性策略、比较评价指标、未解决的研究局限、五种新型生物材料发展方向及整合结论。
3. 针对骨质疏松患者的螺钉生物工程改性技术（Bioengineering Modification Technologies for Screws for Osteoporosis Patients）
3.1. 螺钉基底改性与新型低弹性模量合金（Screw Substrate Modification and Novel Low-Elastic-Modulus Alloys）
钛合金（titanium alloy）和不锈钢（stainless steel）是主要材料。钛合金因其低弹性模量（low elastic modulus）和良好的生物相容性逐渐取代不锈钢，可减轻应力遮挡（stress shielding）并促进骨整合。Ti-6Al-4V弹性模量达110 GPa，远高于皮质骨，在骨质疏松患者中模量不匹配更突出。Shi等开发了一种由Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn新型钛合金制成的可膨胀螺钉（expandable pedicle screw, L-EPS），弹性模量仅42 GPa，在骨质疏松羊模型中显示出更高的轴向抗拔出强度，Micro-CT和组织学检查证实了更多的新骨形成和更大的骨-螺钉接触面积。
3.2. 螺钉结构的仿生生物力学优化（Bionic Biomechanical Optimization of Screw Structure）
3.2.1. 多梯度螺纹仿生设计（Multi-Gradient Thread Bionic Design）
多数临床螺钉采用单螺纹设计，在骨质疏松骨中抗拔出性能下降。双螺纹、三螺纹和多螺纹结构通过增大螺纹与宿主骨的接触面积和摩擦力来提高抗拔出强度。Salunke等提出的可变螺纹宽度三螺纹螺钉，其锚固强度比单螺纹和双螺纹螺钉分别高约10%和5%。皮质骨螺钉（小螺距、浅螺纹）和松质骨螺钉（大螺距、深螺纹）的力学特性各异，在椎弓根内采用细螺纹、椎体内采用粗螺纹可优化锚固。Kim等比较了不同内/外轴轮廓和螺纹形状（V形、锯齿形、方形）的螺钉，发现V形螺纹螺钉抗拔出强度最高，而外圆柱内圆锥结构配合V形螺纹的螺钉在骨质疏松模型中产生最大拔出载荷。方形螺纹抗扭转性能优，V形螺纹抗拔出力优。可变螺距螺钉的研究目前集中于胸腰椎，但其分级螺距可适配寰枢椎皮质骨与松质骨的不同解剖特点。
3.2.2. 螺钉直径与置入深度的优化（Optimization of Screw Diameter and Insertion Length）
螺钉直径是生物力学强度的主要决定因素。Kueny等发现6.5 mm螺钉相比5.5 mm螺钉抗疲劳强度提升5%，抗拔出阻力显著增加24%。Roch等证实，在骨质疏松椎体中，长螺钉（最长不穿透）的抗疲劳性显著优于短螺钉。Chua等指出，置入深度达椎体纵轴80%可提供更可靠的稳定性。然而，上颈椎解剖限制螺钉直径，3.5 mm是临床标准。Zhang等报告寰椎解剖形态阻止4.0 mm螺钉置入，但Lenz等回顾性分析发现68.4%患者后弓高度大于4 mm，Barsa等研究显示86.9%志愿者适合3.5 mm螺钉，59.5%可容纳4.0 mm螺钉，术前CT测量至关重要。
3.2.3. 双皮质穿透螺钉构型（Dual-Cortical Penetrating Screw Configuration）
Yasuyuki等在合成骨质疏松腰椎模型中比较了单皮质与双皮质螺钉，双皮质螺钉沿三个轨迹的插入扭矩和抗拔出强度均显著高于单皮质螺钉。Liu等阐述了双皮质螺钉置入的解剖限制，仅在L1–L3节段零内倾角下可降低大血管损伤风险。目前针对寰枢椎节段的双皮质螺钉临床和生物力学研究仍稀缺。
3.2.4. 皮质骨轨迹（Cortical Bone Trajectory, CBT）螺钉（Cortical Bone Trajectory (CBT) Screws）
Santoni等2009年提出CBT螺钉技术，其轨迹在横切面上向外侧，矢状面上向头侧，核心设计原则是最大化螺钉与高密度皮质骨的接触面积。CBT螺钉的置入点更靠内，螺纹集中于近端，接触面积大，锚固性能优越，可降低骨质疏松相关螺钉松动风险，且手术创伤小、时间短。但寰枢椎区域狭窄复杂的解剖形态使徒手CBT置钉困难，需依赖数字辅助技术如手术机器人、导航和3D打印导板。
3.3. 螺钉表面生物活性复合涂层的工程化（Engineering of Bioactive Composite Coatings on Screw Surfaces）
骨-螺钉界面缺乏骨整合显著增加螺钉松动风险。羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）涂层因其生物相容性和骨诱导性广泛应用，促进成骨细胞粘附和增殖。其他涂层材料如钛（Ti）、钽（tantalum, Ta）、胶原/硫酸软骨素（Col/CS）、Col/CS/HA、同种异体骨颗粒（ABPs）、磷酸钙骨水泥（CPC）和脱矿骨基质（DBM）均可提高螺钉生物力学稳定性。Kanno等发现HA颗粒增强经皮椎弓根螺钉后，螺钉松动发生率仅5.8%。Liu等制备的Col/CS/HA复合涂层钛合金螺钉在羊模型中表现出最强的成骨诱导能力和最高抗拔出强度。Jia等在人体尸体椎骨上比较了ABPs、CPC和DBM，CPC增强效果最佳，ABPs次之，DBM最弱。未来研究可优化不同涂层材料的组合，并开发针对老年骨质疏松患者的定制涂层。
3.4. 内部增强的生物工程椎弓根螺钉（Internally Augmented Bioengineered Pedicle Screws）
3.4.1. 可膨胀仿生螺钉（Expandable Biomimetic Screws）
可膨胀螺钉通过扩大植入物与椎体松质骨的接触面积提高生物力学稳定性。Chen等设计的6.5 mm可膨胀螺钉前段有四个中心对称翅片，完全展开后外径达9.5 mm，其抗拔出阻力与2 mL骨水泥增强的常规螺钉相当。Aycan等证实可膨胀外壳螺钉在完整骨中抗拔出强度高于骨水泥增强螺钉。Fu等对27例骨质疏松退变性脊柱畸形患者植入376枚可膨胀螺钉，两年随访无螺钉断裂或松动。可膨胀螺钉在取出时存在椎骨破坏风险，但仍是骨质疏松手术的可行替代方案。
3.4.2. 侧向开窗空心螺钉用于骨水泥增强（Cannulated Screws with Lateral Fenestrations for Cement Augmentation）
灌注型椎弓根螺钉具有空心轴和侧方开窗，可注入骨水泥增强固定稳定性。Erdem等发现骨水泥增强使抗拔出力增加96%–262%，侧向弯曲刚度增加153%。Mueller等研究474枚PMMA增强螺钉，无症状性骨水泥渗漏或肺栓塞，但165个椎体（34.8%）出现无症状椎旁静脉丛渗漏。Tan等开发了侧孔直径逐渐减小的新型空心螺钉，FPS-B设计形成圆柱形PMMA加固，推荐1.5 mL PMMA为最佳增强量。目前尚无骨水泥增强螺钉应用于寰枢椎节段的公开研究，渗漏风险是主要安全问题。
4. 骨质疏松性寰枢椎植入物优化的当前研究空白（Current Research Gaps in Osteoporotic Atlantoaxial Implant Optimization）
大多数改性螺钉的生物力学验证数据来自胸腰椎模型，缺乏专门针对C1–C2节段解剖结构的体外尸体试验、有限元分析和大型动物体内实验。可膨胀螺钉和PMMA骨水泥增强开窗螺钉在胸腰椎效果满意，但缺乏寰枢椎固定的临床试验、长期随访数据和标准化安全操作方案。CBT螺钉高度依赖术中导航或3D打印导板，徒手置入C1/C2失败风险极高。新型改性材料如低模量β钛合金、钽涂层、复合细胞外基质涂层和可降解镁合金仅有短期动物数据，长期体内生物安全性和抗疲劳性能不明。缺乏个体化设计体系，未根据患者骨密度、寰椎后弓高度和椎动脉变异选择螺钉直径、螺纹类型、涂层和增强策略。生物活性涂层仅关注成骨能力，多功能复合涂层仍处于初步实验室阶段。
5. 寰枢椎螺钉植入物新型生物材料的前景（Prospects for Novel Biomaterials for Atlantoaxial Screw Implants）
基于生物工程、三维增材制造和组织工程前沿进展，可开发五种新型材料系统：第一，3D打印梯度多孔掺锶镁钛合金，通过选择性激光熔化精确调控弹性模量消除应力遮挡，分级孔隙结构促进骨长入并支持个性化定制。第二，用可降解磷酸钙-壳聚糖复合骨水泥替代传统PMMA，负载双膦酸盐抗骨质疏松药物，降解时释放活性物质改善局部骨量，最终被新生骨完全替代。第三，构建多层梯度仿生复合涂层，包括钽基底层、羟基磷灰石中间层和载药微球顶层，同时增强骨整合、诱导成骨和实现局部缓释抗炎抗骨质疏松药物。第四，使用高生物活性镁合金制造微型可吸收螺钉，用于寰枢椎植骨区临时固定，融合后自行降解避免二次手术创伤。第五，碳纳米管增强PEEK复合材料作为螺钉基底，弹性模量接近皮质骨且无金属伪影，结合生物活性陶瓷涂层，适用于需长期影像随访的老年患者。
6. 结论（Conclusions）
本综述系统描述了针对骨质疏松患者的四种主要寰枢椎螺钉生物工程改性策略：低模量金属基底优化、仿生结构重新设计、多功能生物活性表面涂层以及内部增强（包括可膨胀螺钉和骨水泥灌注空心螺钉）。这些策略的优势包括：低弹性模量钛合金有效减少应力遮挡；梯度可变螺纹、双皮质和CBT设计显著增加骨-螺钉接触面积和抗拔出力学强度；基于HA、钽和胶原-壳聚糖的复合涂层显著促进骨整合；可膨胀螺钉和开窗骨水泥螺钉在低密度松质骨中提供可靠锚固增强。然而，寰枢椎节段毗邻椎动脉和脊髓的狭窄解剖空间极大限制了胸腰椎增强技术的直接应用，存在骨水泥渗漏和神经血管损伤的隐藏风险。结合增材制造和组织工程进展，下一代寰枢椎植入物应聚焦于五个研究方向：3D打印梯度多孔掺锶镁钛合金基底、可降解双膦酸盐负载磷酸钙复合骨水泥、多层梯度缓释药物仿生涂层、可吸收镁合金微型螺钉用于临时植骨固定，以及无金属伪影的碳纳米管增强PEEK螺钉。数字辅助技术如手术机器人导航和个性化3D打印导板将进一步拓展CBT和精确改性螺钉在上颈椎的临床应用。本综述阐明了所有主流螺钉优化方法的生物力学机制、临床优势及上颈椎应用限制，首次为骨质疏松性寰枢椎固定提供了以生物工程为导向的系统综述，为未来植入物材料开发和临床手术决策提供了全面的理论支持。
