An Experimental Study on the Biomechanical Effectiveness of Bone Cement-Augmented Pedicle Screw Fixation with Various Types of Fenestrations

Abstract

Objective: This study aims to prove what kind of window type fenestration can enhance pull-out strength while maintaining mechanical strength when bone cement augmentation is performed on a pedicle screw fixation. Materials and Methods: A conventional screw was defined as C1, a screw with a cannulated end-hole was defined as C2, a C2 screw with six side pinholes was defined as C3, and the control group was composed of C1, C2 and C3. All experimental screw groups had one or two fenestrations with a window wider than the pinhole on the side. Among the experimental screws, T1 was designed using symmetrically placed thru-hole type fenestrations with an elliptical shape, while T2 was designed with halfmoon-shaped asymmetrical fenestrations. T3 and T4 were designed with single halfmoon-shaped fenestrations covering three and five pitches, respectively. T5 and T6 were designed with 0.6-mm and 1-mm wider fenestrations than T3. Bone cement augmentation was performed by injecting 3 mL of commercial bone cement in the screw, and mechanical strength and pull-out strengths were performed according to ASTM F1717 and ASTM F543 standards. Synthetic bone (model #1522-505) made of polyurethane foam was used as a model of osteoporotic bone, and radiographic examinations were performed using computed tomography and fluoroscopy. Results: In the mechanical strength test, at 75% ultimate load, fractures occurred 7,781 and 9,189 times; at 50%, they occurred 36,122 and 82,067 times; and at 25%, no fractures occurred. The mean ultimate load value of C1 was 122.24 ± 73.18(N), and the mean maximum displacement was 6.66 ± 2.19(mm). Comparing the ultimate load values of C2 and C3 (176.13 46.07(N) and 160.22 ± 25.68(N)) with the ultimate load of C1, there was no statistical difference. (p=0.158, p=0.277) In comparison with C1, the ultimate load of all T1, T2, T3, T4, and T6 except for T5 (p=0.143) showed a statistically significant difference (p < 0.05). The mean ultimate load for each screw type was 219.1 ± 52.39 N for T1, 234.74 ± 15.9 N for T2, 220.70 ± 59.23 N for T3, 216.45 ± 32.4 N for T4, 181.55 ± 54.78 N for T5, and 216.47 ± 29.25 N for T6. However, the ultimate load value of C2 significantly differed only from that of T2 (p = 0.025). The ultimate load value of C3 differed significantly from those of T1 and T2 (C3 vs. T1: p = 0.048, C3 vs. T2: p < 0.001). Linear correlation analysis revealed a significant but weak correlation between the area of fenestration and the volume of bone cement (r = 0.288, P=0.036). (A) The bone cement volume and ultimate load showed a significant positive correlation in the linear correlation analysis (r = 0.403, P = 0.003) Conclusion: The window-type fenestrations yielded a superior ultimate load in comparison without bone cement augmentation. Especially in T2 screws with asymmetrical two-way fenestrations showed the maximal increase in ultimate load. The window-type fenestrated screws can be expected to show a stable position for the forming the cement mass.

척추경 나사못의 인발 강도를 높이기 위해 나사못에 만든 천공은 나사못에 만들어진 천공의 수와 모양에 따라 나사못의 기계적 강도와 인발 강도에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 기존의 작은 구멍형 천공보다 커다란 창문형 천공을 새로 디자인하여 다양한 창문형 천공을 가진 나사못을 이용하여 골시멘트 보강을 시행할 때 미치는 영향을 연구하고자 하였다. 대조군의 경우 일반적인 척추경 나사못을 C1, 캐뉼러 끝 구멍이 있는 나사못을 C2, 나사못의 측면에 핀홀이 6개가 추가되어 있는 C2 나사못을 C3으로 정의하고 대조군은 새로운 저자가 제작한 천공 유형을 가진 시험용 나사못으로 정의했다. 시험용 나사못인 T1은 대칭적으로 배치된 타원형의 천공이 서로 개통하여 마주보는 형태로 설계되었으며 T2는 반달 모양의 타원형 창이 천공되나, 천공의 위치가 비대칭으로 서로 개통되지 않도록 설계되었습니다. T3와 T4는 나사못의 원위부 끝에서 각각 3개의 피치와 5개의 피치를 두고 떨어진 위치에 단일 반달 모양의 창으로 천공되도록 설계되었습니다. T5 및 T6은 T3보다 나사못의 진행방향 축과 직각으로 0.6mm 및 1mm 더 넓게 창으로 설계되었습니다. 나사못에 골시멘트 보강을 하기 위해 사용한 골시멘트는 3mL씩 정량으로 나사못에 주입되도록 균일하게 골시멘트를 주입하였으며 기계적 강도 및 인발강도는 ASTM F1717 및 ASTM F543 기준에 따라 시험하고 결과를 측정하였다. 골다공증을 모방하는 골의 모형은 폴리우레탄폼으로 만든 합성골(model #1522-505)을 사용하였으며, 이는 대표적으로 아주 심한 골다공증과 같은 효과를 내는 모델임이 검증된 합성골모델로 형광투시를 이용한 방사선 검사를 시행하여 골시멘트 보강이 나사못의 개창을 통해 어떤 모양으로 이루어지는지 확인하였다. 기계적 강도시험에서 나사못의 극한하중의 75% 범위에서 7,781회 및 9,189회 파단이 발생하였다. 50%에서는 36,122회 및 82,067회 발생하였다. 25% 범위에서는 골절이 발생하지 않았다. 각 나사 유형에 대한 평균 극한 하중은 T1의 경우 219.1 ± 52.39 N, T2의 경우 234.74 ± 15.9 N, T3의 경우 220.70 ± 59.23 N, T4의 경우 216.45 ± 32.4 N, T5의 경우 181.55 ± 54.78 N, T6의 경우 216.45 ± 32.4 N으로 측정되었다. C1과 비교하여 실험군 중 T1, T2, T3, T4, T6의 경우 극한하중 값이 통계적으로 C1의 극한하중 값과 유의미하게 다른 것으로 나타났다(p < 0.05). 그러나 C2와 시험군(T1~T6) 나사못의 극한 하중 값을 독립적 paired t-test로 평가했을 때 C2의 극한 하중 값은 T2의 극한 하중 값과 유의한 차이를 보이고(p = 0.025), 다른 시험군 나사못과는 차이를 보이지 않았다. C3의 극한 하중 값은 T1 및 T2의 그것과 통계적으로 유의한 정도로 차이를 보였다 (C3 vs. T1: p = 0.048, C3 vs T2: p < 0.001). 선형상관분석을 시행한 결과 천공면적은 골시멘트가 형성한 부피와 유의한 약한 양의 상관관계가 있는 것으로 나타났다 (Pearson 상관계수 r = 0.288, P = 0.036). 또한 골시멘트 부피와 극한하중은 선형상관분석에서 유의한 양의 상관관계를 보였다(r = 0.403, P = 0.003). 결론적으로 나사못에 창문형 창을 천공하여 골시멘트 보강을 시행하면 기존의 나사못의 인발강도나, 기존의 시판중인 작은 구멍형 천공 모델을 사용한 나사못에 시행한 골시멘트 보강에 비해 통계적으로 의미있게 극한하중 값이 상승하는 것을 확인하였다. 특히, 양방향의 비대칭 모양의 반달형 천공이 있는 T2 나사못 유형에서 극한 하중이 최대로 증가됨을 확인하였다. T2 유형으로 천공된 나사못을 사용하여 골시멘트 보강을 시행하면, 골다공증을 가진 환자의 척추 수술 나사못 고정부위의 인발강도 강화를 최대로 증강 시키게 할 수 있으므로, 창문형의 엇갈린 위치의 측면 천공이 인발강도 보강을 위한 최적의 천공 모델로 결론지을 수 있다.