骨科常见疾病，如腰椎间盘突出症、脊柱骨折、脊柱侧弯等常需要手术内固定治疗。脊柱螺钉技术则是骨科手术的核心技术。在应用螺钉固定的患者中，有2/3的患者存在骨质疏松。骨质疏松导致螺钉松动脱出的发生率高达20%，绝大多数螺钉松动的患者必须进行二次翻修手术，治疗周期长、患者痛苦大、医疗费用高、社会负担重。怎样保证骨质疏松条件下脊柱螺钉固定的稳定性呢？在国家“863”计划等多项基金资助下，我们进行了长达14年的研究，简单说来就是“三步走”。
第一步 建立骨质疏松的脊柱模型
传统脊柱骨质疏松研究缺乏离体生物力学模型，现有的动物模型存在建模周期长、标准化程度低等缺点，严重影响了实验结果的可靠性。我们对传统方法进行了技术改进，首创微量注射泵定量灌注技术对离体椎体进行脱钙处理，克服了以往模型存在脱钙不均一、骨质疏松程度不可控等缺点，建立了适合于脊柱生物力学研究的骨质疏松离体模型，实现标准化建模，为研究螺钉稳定机制、解决螺钉松动问题提供了有力工具。
第二步 多角度研发提升“牢固性”
在疏松的土墙上打钉子，非常容易松动；在疏松的骨头上使用螺钉也一样，常规的脊柱螺钉固定强度低，极容易松动。螺钉的稳定性取决于螺钉形状和钉骨界面以及椎体骨质三个方面。我们从这三方面入手，逐级攻克。
改进螺钉形状——我们将机械膨胀原理应用于脊柱螺钉的设计研发，在国际上首创专用于骨质疏松脊柱手术的“压入式膨胀式脊柱螺钉”系列产品，显著增强了螺钉的固定强度，为骨质疏松脊柱手术提供了核心技术和专用产品。其特点是有限膨胀，可控回缩，牢靠固定。生物力学研究证实，膨胀螺钉最大轴向拔出力提高43％。同时，我们也首次阐明了膨胀螺钉的稳定机制，即早期通过膨胀加压，获得机械性稳定。远期通过新骨长入膨胀间隙，实现“钉中有骨，骨中有钉”的嵌合固定模式，获得生物性稳定。
改善钉骨界面——首创钉道“局部点状强化”新技术及配套器械，显著提高了钉道界面对螺钉的把持力。对于重度骨质疏松患者，由于其钉道界面强度显著降低，仅使用膨胀螺钉无法确保螺钉的稳定固定，依然存在松动的风险。如何提高钉道界面的强度，是解决重度骨质疏松脊柱螺钉松动问题的重要环节。我们创新的技术特点是“点状注射，局部强化，均匀分布，生物结合”，独创的“空心侧孔丝攻”具有“椎体内开孔”的特殊设计，彻底消除了传统钉道整体充填强化技术带来的骨水泥渗漏导致神经损伤、二次界面形成、螺钉长期稳定性差等缺点。生物力学研究表明，这项技术可将普通螺钉和膨胀螺钉的固定强度分别提高40%和56.4%，为重度骨质疏松条件下脊柱螺钉的稳定提供了一项关键技术。目前国际上有关“局部钉道强化技术”共发表11篇SCI论文，均出自本课题组。
强化椎体骨质——首次发现椎体强化材料在体流动分布规律，研发出具有成骨活性的复合型椎体强化材料，显著提高了骨质疏松椎体的整体力学强度。对于少数更为严重的骨质疏松脊柱患者，由于椎体整体强度下降，传统椎体强化方法存在骨水泥渗漏发生率高、生物相容性差，材料强度过高以及无成骨活性等缺点，临床应用远期效果差。我们将流体力学研究方法应用于研究骨水泥的在体流动分布规律，分析了不同注射压力、时间、剂量对骨水泥分布的影响，发现并阐明了椎体强化材料在椎体内呈类球型流动分布的规律，为椎体强化技术的临床应用提供了理论依据。在此基础上，我们研发出具有成骨活性的HA/FS/BMP复合型椎体强化材料。该材料在具有传统椎体强化材料特性的同时，还具有可降解、促成骨、局部反应小等优点。它能够显著提高骨质疏松椎体的整体力学强度，为螺钉的长期稳定提供了良好的力学环境。本研究结果发表在世界生物材料研究领域影响因子最高的杂志《Biomaterials》上，并获国家发明专利1项。
第三步 完善治疗体系提高整体疗效
对于骨质疏松患者来说，选择最合理的个体化治疗方案是提高临床疗效的关键。为此我们建立了不同骨质疏松条件下提高脊柱螺钉稳定性的系统解决方案及临床治疗规范。
该方案根据个体化治疗原则，结合我们研发的新器械、新技术、新材料，为临床医师针对患者选择个体化置钉方案提供了可靠的理论依据。与美国Baylor医学院等国内外大型医疗中心报道比较，采用本方案后，我院的螺钉松动率从14.8%降至0.5%以内，很好地解决了骨质疏松导致螺钉松动的临床难题。
