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椎弓根螺钉内固定技术广泛应用于治疗脊柱退行性病变、脊柱骨折、脊柱畸形、脊柱结核及椎体转移瘤等病症。椎弓根螺钉的固定可靠性取决于骨-螺钉界面把持力的维持。但对于骨质疏松症(osteoporosis,OP)患者,由于骨矿物质密度降低(bone mineral density,BMD),骨小梁变薄,骨-螺钉界面连接不牢固,常使患者面临着螺钉松动、固定失败的风险[1]。为强化椎弓根螺钉的稳定性,在钉道内添加聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、磷酸钙骨水泥(Calcium phosphate cement,CPC)、羟基磷灰石骨水泥(Hyduoyapatite cement,HAC)等强化物质可提高螺钉稳定性,相关的体外实验研究较多[4,5,6],但临床应用并不广泛。主要由于PMMA等存在诸多缺点[7,8],而CPC、HAC等在体内被完全替代之前的这段时间内是否可提供足够的力学强度,亦需进一步评价[5,6,9]。为了简化术中的强化操作过程,避免添加生物材料引起的并发症,本课题组前期的研究、设计了膨胀式椎弓根螺钉[2,3](expansive pedicle screw,EPS),并获专利保护(专利号: CN2647255)。离体的生物力学试验及机械强度试验,表明EPS在强度无下降的情况下,具有更高固定可靠性。但EPS在骨质疏松条件下,是否会实现长期的稳定及EPS的稳定机制仍不清楚,目前也无EPS界面研究的相关报道。研究目的:观察在骨质疏松状态下,EPS骨-螺钉界面以及EPS膨胀缝隙内组织学情况,探讨其在体强化稳定的作用机制,为临床应用进一步提供理论依据。研究方法:1)建立骨质疏松绵羊的动物模型。采用双侧卵巢切除法(ovariectomy,OVX)对绵羊去势。双能X-线吸收法(dual energy X-ray absorptiometry,DEXA)测定去势前、饲养1年后绵羊的BMD,并进行对比分析,确定本研究的OP绵羊的动物模型的建立。2)EPS在OP绵羊体内界面的显微CT(micro-computed tomography,Micro-CT)评价及组织学分析。植入EPS,饲养3个月、6个月后取材。采用最新的Micro-CT技术和包含螺钉的硬组织切片、染色技术,研究在OP的松质骨内EPS骨-螺钉界面以及EPS膨胀缝隙内的力学及组织学情况。研究结果:1)对标本的Micro-CT扫描及三维重建后,发现在EPS膨胀段骨-螺钉界面的骨小梁比界面外的骨小梁浓密,尤其在螺纹间更为明显,而在EPS非膨胀段的骨-螺钉界面的骨小梁稀疏,与周围骨质的浓密程度相似。在相同界值下取相同体积的与EPS螺纹相邻的“感兴趣区(regeon of interest,ROI)”进行骨计量学分析。扫描后的数据自动显示:EPS的膨胀段ROI的组织骨密度(tissure mineral density,TMD )和骨体积分数( bone volume fraction,BVF)、骨表面积体积比( bone surface /bone volume,BS/BV)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、骨小梁间隙( trabecular spacing,Tb.Sp)等骨小梁的三维参数,明显优于非膨胀段,经Mann-Whitney非参数检验,差异有统计学意义。2)切片镜下观察发现,EPS骨-螺钉界面及膨胀缝隙中的骨小梁与EPS紧密无缝隙相接触,界面无结缔组织层。新生骨小梁长入膨胀后的螺钉缝隙中,并与骨-螺钉界面的被压迫而致密化的松质骨相延续、一直延伸至膨胀中心部。结论: 1)EPS膨胀段对周围骨质持续的应力,使之变得更加致密,并改变了局部骨小梁的排列趋势,实现了EPS在骨质疏松状态下的早期机械性的稳定。2)EPS形成的“骨中有钉、钉中有骨”立体交叉复合体结构,实现了EPS在骨质疏松状态下的远期生物性的稳定。由于EPS具有独特的机械性稳定和生物性稳定的优点,对于需要进行脊柱融合内固定的骨质疏松患者,EPS是最佳的选择之一。