磷酸钙骨水泥强化骨质疏松绵羊腰椎力学强度的动态观察

罗志强,张玉,缪滋光

(1.兰州军区兰州总医院急诊科,甘肃 兰州 730050;2.甘肃省临泽县中医院骨科,甘肃临泽 734200)

随着人口老龄化的日益加重,骨质疏松的发病率越来越高[1]。骨质疏松不仅引起骨量减少和骨密度降低,同时它还严重影响着骨组织的力学强度。对于脊柱这一主要承重骨骼来讲,骨质疏松带来的影响尤为明显,临床上因骨质疏松导致的椎体压缩性骨折越来越多[2]。

针对这一问题,目前临床上常用的方法是经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty,PV P)[3],即经椎弓根向椎体内注射聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethylmethacryl ate,PM M A),该方法可以恢复椎体的高度和力学强度,稳定骨折,纠正后凸畸形,防止椎体进一步压缩,缓解疼痛,可以使患者早日恢复正常活动。但 PMM A聚合反应放热容易损伤周围组织;术中容易发生渗漏、压迫脊髓和神经根;PMM A难以降解,长期存在于骨质中,容易发生异物反应。

磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement,CPC)作为一种新型的骨替代物,凝固时不发热,具有良好的生物相容性[4]。更为重要的是 CPC具有良好的骨传导性和可吸收性[5],同时自身的机械强度较好,并被认为是最有应用前景的一种生物活性骨水泥。但由于其在体内的降解吸收,目前对于 CPC强化椎体强度的动态效果研究甚少。因此,本研究旨在分析CPC在体内降解、吸收过程中对椎体生物力学强度的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料 健康成年雌性小尾寒羊12只(兰州大学医学院动物实验室提供),年龄 4.5～ 6.5岁,平均(5.0±0.8)岁;体重35～47 kg,平均(40.0±4.8)kg。 PMM A由天津市合成材料工业研究所生产,CPC是上海瑞邦生物材料有限公司产品,均为医用外科手术级。M TS生物材料实验机(858 Mini BionixⅡ,SYST EM INC,Minneapolis USA)和双能量X线吸收骨密度仪(Lunar Corp,Madison,WI,USA)均由兰州军区总医院全军骨科中心研究所提供。

1.2 实验方法

1.2.1 骨质疏松模型的建立 速眠新(0.1mL/kg,中国人民解放军农牧大学军事兽医研究所研制)麻醉成功后,绵羊取俯卧位,测量去势前腰椎骨密度(bone mineral density, BMD)。后将绵羊仰卧于“V”型槽中,经腹腔切除去势组绵羊双侧卵巢。术前0.5 h及术后肌注头孢唑啉钠1.0 g,2次/d,共3 d。术后低钙饲养1年后,再次测定其腰椎BM D,所有绵羊腰椎BMD下降大于2.5倍标准差,确定骨质疏松动物模型成功建立。

1.2.2 手术方法 骨质疏松模型建立成功后,速眠新(0.1 mL/kg)麻醉成功后将绵羊俯卧于手术台上,取腰部正中切口,切开棘上韧带,剥离两侧的骶棘肌,显露椎板、横突。取每一只绵羊的 L2～L5四个腰椎,随机分为空白组和 CPC组,保证每只绵羊体内两组数量一样,且保证相邻椎体实施不同的处理。空白组不给予任何处理。CPC组：在人字嵴顶点处咬除局部骨皮质,将大号骨穿针经人字嵴顶点与棘突约成 40°角方向,经椎弓根途径进入椎体约 20.0 mm,探针探查确保针道良好后,将2.0mL CPC注射至椎体内,待材料凝固后拔出针头。充分电凝止血并冲洗伤口后逐层缝合。术前2h、术中及术后 3 d内均给予头孢唑啉钠抗生素1.0 g肌注。

1.2.3 标本制备 于术后1 d、6周、12周、24周各随机选择3只实验动物处死,完整、无损伤取出腰椎(L2～ L5),切除椎体终板、后侧附件及椎体表面的骨皮质,仅保留椎体内部的松质骨部分,用自制环钻钻取长度约2.5 cm、直径约 1.5 cm的圆柱状松质骨标本。在双层塑料袋保鲜下,于当日行力学测试实验。

1.2.4 压缩实验 在生物材料试验机M TS 858上对其进行轴向加压实验。测量时,将圆柱形的椎体骨块置于加压模具之间,以5mm/min[6]的加载速度逐渐施加轴向压力,直到骨质出现压缩骨折,实验中用生理盐水喷洒骨质表面,保持湿润。取压力-应变曲线的峰值为松质骨最大压缩应力(ultimate compressive stress,σult),曲线下面积为压缩能量吸收值(energy absorption value,EAV)。

2 结 果

除即刻处死的3只外,其余实验动物手术切口均甲级愈合,未见软组织感染,也无脊髓、神经根损伤等并发症,功能正常。

2.1 去势前后腰椎BMD 术前绵羊腰椎BM D为(1.17±0. 11)g/cm2,术后为(0.85±0.08)g/cm2。去势 1年后,腰椎BMD较术前降低 27.4%,差异具有统计学意义(P＜0.05),且BMD的下降程度均明显大于2.5倍标准差,骨质疏松绵羊模型建立成功。

2.2 最大压缩应力 在术后 1 d、6周、12周、24周各时间点,CPC组的σult均明显高于空白组,差异均有统计学意义(见表1,P＜0.05)。随着体内时间的延长,空白组和 CPC组的σult均有所增加,但两组中各时间点之间的差异均无统计学意义(P＞0.05)。

表1 各时间点的最大压缩应力(M Pa)

2.3 压缩能量吸收值 在术后1 d、6周、12周、24周各时间点,CPC组的 EAV均明显高于空白组,差异有统计学意义(见表2,P＜0.05)。随着体内时间的延长,空白组和 CPC组的 EAV均有所增加,但两组中各时间点之间的差异均无统计学意义(P＞0.05)。

表2 各时间点的压缩能量吸收值(N◦m)

3 讨 论

1984年法国医生 Galibert等首次实施了经皮椎体成形术[7],即在X线监视下经皮将 PMM A注入C2椎体治疗血管瘤引起的椎体破坏,缓解了患者的疼痛。1997年 Jensen等[8]首次报道应用该方法治疗骨质疏松引起的椎体压缩性骨折,并取得了良好的临床治疗效果。目前,PV P在国内外已被广泛应用于骨质疏松性椎体压缩性骨折、椎体血管瘤、椎体肿瘤以及多发性骨髓瘤等的治疗,均取得了良好的临床效果[9-12]。

自 PVP广泛应用以来,PMM A以其突出的生物力学特性而成为 PV P最为常用的填充物。但是应用 PMM A也存在一些问题：a)PM MA生物相容性差,难降解,无骨传导作用,不能与骨生物连接,最终不能被骨替代,并有可能影响骨的重塑[13];b)凝固时剧烈放热可导致周围组织损伤等并发症[14];c)未聚合的单体被吸收后,可引起低血压休克和肺栓塞等并发症[15];d)远期 PMM A的异物反应可造成骨与骨水泥界面的溶解和吸收,导致椎体的力学强度下降[16];e) PMM A过高的强度使相邻节段的应力增高,容易导致产生临近节段骨折[17];f)聚合时挥发出的气味对医务人员具有毒害[18]。虽然 PMM A的应用广泛,但它并非用于椎体成形的理想填充材料。因此,具有良好的力学强度、生物相容性、骨传导性、可吸收性、可注射性等特点的理想填充物成为了广大学者研究关注的热点。

CPC是目前研究最多并被认为是最有前途的一种生物活性骨水泥,CPC具有良好的生物相容性、骨传导性和可吸收性[4-5],可缓慢地从外向内逐渐生物降解并被正常的骨组织代替,完成骨的重建。CPC具有良好的生物力学性质,在注射后约10 min即可产生接近10 M Pa的抗压强度。而且,其抗压强度随着时间的推移而增加,到大约12 h以后将最终产生接近 55 M Pa的抗压强。 Belkoff等[19]发现将 CPC注入椎体压缩骨折的尸体模型中,可以很好地恢复压缩椎体的强度。Tomita[20]和 Hong等[21]均发现 CPC不仅可以恢复压缩椎体的强度,还能达到PMM A强化椎体的效果。Nakano等[22]使用 CPC行椎体成形术治疗骨质疏松椎体压缩性骨折 12例,爆裂性骨折并假关节形成 4例,共 17个椎体,术后患者疼痛明显缓解,并有效预防了椎体塌陷和假关节形成的发生。Grafe等[23]通过临床观察发现,术后6、12、36个月随访时,使用CPC强化椎体的患者的视觉模拟评分、欧洲脊柱骨质疏松症研究评分和椎体高度与 PM M A强化椎体的患者无明显差异,他们认为CPC将会成为临床上 PV P的理想材料。

目前,许多研究已经证明CPC能显著强化椎体的强度,但是尚无动物体内观察 CPC强化椎体强度的动态效果。因此,本研究通过去势法建立了骨质疏松绵羊模型,使用 CPC对绵羊腰椎进行了强化处理,并设立具有代表性的术后 1 d、4周、12周及24周四个时间点,动态观察CPC在体内强化骨质疏松椎体强度的变化。结果表明：CPC不仅能够在早期显著提高椎体的强度,随着其在体内的降解吸收,椎体的强度保持平稳,未见明显波动,在各个时间点的力学强度均较未强化椎体有显著提高,很好的维持了椎体强度的远期稳定。虽然 CPC在体内发生降解吸收,但在降解的同时新骨不断长入,这可能是 CPC能够维持椎体强度稳定的主要因素[24]。 CPC在体内强化椎体强度的效果具有动态稳定性,这有利于在脊柱达到骨性融合前维持脊柱的稳定性。

通过研究我们认为,CPC对骨质疏松椎体的即时强度和远期强度均有显著的强化效果,它对椎体的强化效果在体内是动态稳定的,为脊柱达到坚强骨性融合提供了良好的力学环境。CPC作为一种生物相容性好、可降解吸收、可促骨生成和机械强度好的材料具有广阔临床应用前景。下一步我们将对 CPC在体内的降解吸收过程及椎体骨质微观结构的变化和组织学变化做进一步的研究。

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