磷酸鈣骨水泥強化骨質疏松綿羊腰椎力學強度的動態觀察

羅志強,張玉,繆滋光

(1.蘭州軍區蘭州總醫院急診科,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省臨澤縣中醫院骨科,甘肅臨澤 734200)

隨著人口老齡化的日益加重,骨質疏松的發病率越來越高[1]。骨質疏松不僅引起骨量減少和骨密度降低,同時它還嚴重影響著骨組織的力學強度。對于脊柱這一主要承重骨骼來講,骨質疏松帶來的影響尤為明顯,臨床上因骨質疏松導致的椎體壓縮性骨折越來越多[2]。

針對這一問題,目前臨床上常用的方法是經皮椎體成形術(percutaneous vertebroplasty,PV P)[3],即經椎弓根向椎體內注射聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethylmethacryl ate,PM M A),該方法可以恢復椎體的高度和力學強度,穩定骨折,糾正后凸畸形,防止椎體進一步壓縮,緩解疼痛,可以使患者早日恢復正常活動。但 PMM A聚合反應放熱容易損傷周圍組織;術中容易發生滲漏、壓迫脊髓和神經根;PMM A難以降解,長期存在于骨質中,容易發生異物反應。

磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement,CPC)作為一種新型的骨替代物,凝固時不發熱,具有良好的生物相容性[4]。更為重要的是 CPC具有良好的骨傳導性和可吸收性[5],同時自身的機械強度較好,并被認為是最有應用前景的一種生物活性骨水泥。但由于其在體內的降解吸收,目前對于 CPC強化椎體強度的動態效果研究甚少。因此,本研究旨在分析CPC在體內降解、吸收過程中對椎體生物力學強度的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 健康成年雌性小尾寒羊12只(蘭州大學醫學院動物實驗室提供),年齡 4.5～ 6.5歲,平均(5.0±0.8)歲;體重35～47 kg,平均(40.0±4.8)kg。 PMM A由天津市合成材料工業研究所生產,CPC是上海瑞邦生物材料有限公司產品,均為醫用外科手術級。M TS生物材料實驗機(858 Mini BionixⅡ,SYST EM INC,Minneapolis USA)和雙能量X線吸收骨密度儀(Lunar Corp,Madison,WI,USA)均由蘭州軍區總醫院全軍骨科中心研究所提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 骨質疏松模型的建立 速眠新(0.1mL/kg,中國人民解放軍農牧大學軍事獸醫研究所研制)麻醉成功后,綿羊取俯臥位,測量去勢前腰椎骨密度(bone mineral density, BMD)。后將綿羊仰臥于“V”型槽中,經腹腔切除去勢組綿羊雙側卵巢。術前0.5 h及術后肌注頭孢唑啉鈉1.0 g,2次/d,共3 d。術后低鈣飼養1年后,再次測定其腰椎BM D,所有綿羊腰椎BMD下降大于2.5倍標準差,確定骨質疏松動物模型成功建立。

1.2.2 手術方法 骨質疏松模型建立成功后,速眠新(0.1 mL/kg)麻醉成功后將綿羊俯臥于手術臺上,取腰部正中切口,切開棘上韌帶,剝離兩側的骶棘肌,顯露椎板、橫突。取每一只綿羊的 L2～L5四個腰椎,隨機分為空白組和 CPC組,保證每只綿羊體內兩組數量一樣,且保證相鄰椎體實施不同的處理?？瞻捉M不給予任何處理。CPC組：在人字嵴頂點處咬除局部骨皮質,將大號骨穿針經人字嵴頂點與棘突約成 40°角方向,經椎弓根途徑進入椎體約 20.0 mm,探針探查確保針道良好后,將2.0mL CPC注射至椎體內,待材料凝固后拔出針頭。充分電凝止血并沖洗傷口后逐層縫合。術前2h、術中及術后 3 d內均給予頭孢唑啉鈉抗生素1.0 g肌注。

1.2.3 標本制備 于術后1 d、6周、12周、24周各隨機選擇3只實驗動物處死,完整、無損傷取出腰椎(L2～ L5),切除椎體終板、后側附件及椎體表面的骨皮質,僅保留椎體內部的松質骨部分,用自制環鉆鉆取長度約2.5 cm、直徑約 1.5 cm的圓柱狀松質骨標本。在雙層塑料袋保鮮下,于當日行力學測試實驗。

1.2.4 壓縮實驗 在生物材料試驗機M TS 858上對其進行軸向加壓實驗。測量時,將圓柱形的椎體骨塊置于加壓模具之間,以5mm/min[6]的加載速度逐漸施加軸向壓力,直到骨質出現壓縮骨折,實驗中用生理鹽水噴灑骨質表面,保持濕潤。取壓力-應變曲線的峰值為松質骨最大壓縮應力(ultimate compressive stress,σult),曲線下面積為壓縮能量吸收值(energy absorption value,EAV)。

2 結 果

除即刻處死的3只外,其余實驗動物手術切口均甲級愈合,未見軟組織感染,也無脊髓、神經根損傷等并發癥,功能正常。

2.1 去勢前后腰椎BMD 術前綿羊腰椎BM D為(1.17±0. 11)g/cm2,術后為(0.85±0.08)g/cm2。去勢 1年后,腰椎BMD較術前降低 27.4%,差異具有統計學意義(P＜0.05),且BMD的下降程度均明顯大于2.5倍標準差,骨質疏松綿羊模型建立成功。

2.2 最大壓縮應力 在術后 1 d、6周、12周、24周各時間點,CPC組的σult均明顯高于空白組,差異均有統計學意義(見表1,P＜0.05)。隨著體內時間的延長,空白組和 CPC組的σult均有所增加,但兩組中各時間點之間的差異均無統計學意義(P＞0.05)。

表1 各時間點的最大壓縮應力(M Pa)

2.3 壓縮能量吸收值 在術后1 d、6周、12周、24周各時間點,CPC組的 EAV均明顯高于空白組,差異有統計學意義(見表2,P＜0.05)。隨著體內時間的延長,空白組和 CPC組的 EAV均有所增加,但兩組中各時間點之間的差異均無統計學意義(P＞0.05)。

表2 各時間點的壓縮能量吸收值(N?m)

3 討 論

1984年法國醫生 Galibert等首次實施了經皮椎體成形術[7],即在X線監視下經皮將 PMM A注入C2椎體治療血管瘤引起的椎體破壞,緩解了患者的疼痛。1997年 Jensen等[8]首次報道應用該方法治療骨質疏松引起的椎體壓縮性骨折,并取得了良好的臨床治療效果。目前,PV P在國內外已被廣泛應用于骨質疏松性椎體壓縮性骨折、椎體血管瘤、椎體腫瘤以及多發性骨髓瘤等的治療,均取得了良好的臨床效果[9-12]。

自 PVP廣泛應用以來,PMM A以其突出的生物力學特性而成為 PV P最為常用的填充物。但是應用 PMM A也存在一些問題：a)PM MA生物相容性差,難降解,無骨傳導作用,不能與骨生物連接,最終不能被骨替代,并有可能影響骨的重塑[13];b)凝固時劇烈放熱可導致周圍組織損傷等并發癥[14];c)未聚合的單體被吸收后,可引起低血壓休克和肺栓塞等并發癥[15];d)遠期 PMM A的異物反應可造成骨與骨水泥界面的溶解和吸收,導致椎體的力學強度下降[16];e) PMM A過高的強度使相鄰節段的應力增高,容易導致產生臨近節段骨折[17];f)聚合時揮發出的氣味對醫務人員具有毒害[18]。雖然 PMM A的應用廣泛,但它并非用于椎體成形的理想填充材料。因此,具有良好的力學強度、生物相容性、骨傳導性、可吸收性、可注射性等特點的理想填充物成為了廣大學者研究關注的熱點。

CPC是目前研究最多并被認為是最有前途的一種生物活性骨水泥,CPC具有良好的生物相容性、骨傳導性和可吸收性[4-5],可緩慢地從外向內逐漸生物降解并被正常的骨組織代替,完成骨的重建。CPC具有良好的生物力學性質,在注射后約10 min即可產生接近10 M Pa的抗壓強度。而且,其抗壓強度隨著時間的推移而增加,到大約12 h以后將最終產生接近 55 M Pa的抗壓強。 Belkoff等[19]發現將 CPC注入椎體壓縮骨折的尸體模型中,可以很好地恢復壓縮椎體的強度。Tomita[20]和 Hong等[21]均發現 CPC不僅可以恢復壓縮椎體的強度,還能達到PMM A強化椎體的效果。Nakano等[22]使用 CPC行椎體成形術治療骨質疏松椎體壓縮性骨折 12例,爆裂性骨折并假關節形成 4例,共 17個椎體,術后患者疼痛明顯緩解,并有效預防了椎體塌陷和假關節形成的發生。Grafe等[23]通過臨床觀察發現,術后6、12、36個月隨訪時,使用CPC強化椎體的患者的視覺模擬評分、歐洲脊柱骨質疏松癥研究評分和椎體高度與 PM M A強化椎體的患者無明顯差異,他們認為CPC將會成為臨床上 PV P的理想材料。

目前,許多研究已經證明CPC能顯著強化椎體的強度,但是尚無動物體內觀察 CPC強化椎體強度的動態效果。因此,本研究通過去勢法建立了骨質疏松綿羊模型,使用 CPC對綿羊腰椎進行了強化處理,并設立具有代表性的術后 1 d、4周、12周及24周四個時間點,動態觀察CPC在體內強化骨質疏松椎體強度的變化。結果表明：CPC不僅能夠在早期顯著提高椎體的強度,隨著其在體內的降解吸收,椎體的強度保持平穩,未見明顯波動,在各個時間點的力學強度均較未強化椎體有顯著提高,很好的維持了椎體強度的遠期穩定。雖然 CPC在體內發生降解吸收,但在降解的同時新骨不斷長入,這可能是 CPC能夠維持椎體強度穩定的主要因素[24]。 CPC在體內強化椎體強度的效果具有動態穩定性,這有利于在脊柱達到骨性融合前維持脊柱的穩定性。

通過研究我們認為,CPC對骨質疏松椎體的即時強度和遠期強度均有顯著的強化效果,它對椎體的強化效果在體內是動態穩定的,為脊柱達到堅強骨性融合提供了良好的力學環境。CPC作為一種生物相容性好、可降解吸收、可促骨生成和機械強度好的材料具有廣闊臨床應用前景。下一步我們將對 CPC在體內的降解吸收過程及椎體骨質微觀結構的變化和組織學變化做進一步的研究。

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