椎體成形術(shù)中影響手術(shù)椎體生物力學(xué)的相關(guān)因素研究進展張東洋1、尹宏2、錢衛(wèi)慶3（1南京中醫(yī)藥大學(xué)南京210001，2南京市中醫(yī)院骨傷科，南京210001）張東洋Tel摘要】椎體成形術(shù)是近年來治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折的一種新型微創(chuàng)手術(shù)方法。由于其療效與術(shù)后骨折椎體力學(xué)性能的恢復(fù)密切相關(guān)，因此如何通過調(diào)整手術(shù)相關(guān)因素使手術(shù)椎體獲得良好的力學(xué)性能是目前臨床亟待解決的重點問題之一。本文就椎體成形術(shù)中影響手術(shù)椎體力學(xué)性能相關(guān)因素的研究進展和應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述?！娟P(guān)鍵詞】椎體成形術(shù)；椎體后凸成形術(shù)；椎體壓縮骨折；生物力學(xué)椎體成形術(shù)(Percutaneousvertebroplasty,PVP)和椎體后凸成形術(shù)(Percutaneouskyphoplasty,PKP)是目前治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折(Osteoporosisvertebralcompressionfracture,OVCF)較為理想的治療手段，其通過向病變椎體內(nèi)注入生物材料，穩(wěn)定骨折的骨小梁，恢復(fù)壓縮椎體高度，從而快速、有效恢復(fù)脊柱正常力學(xué)性能，達到緩解疼痛，提高患者生活質(zhì)量的目的1，2，3。由于骨質(zhì)疏松性椎體骨折的在體生物力學(xué)研究起步較晚，對影響手術(shù)椎體力學(xué)的相關(guān)因素尚缺乏全面深入的探討。本文就骨水泥性質(zhì)、注射方式、注射時機、注射量對手術(shù)椎體力學(xué)影響的研究進展和在椎體成形術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀作一介紹。一、灌注材料對手術(shù)椎體的生物力學(xué)影響灌注材料是影響椎體成形術(shù)（PVP/PKP）中手術(shù)椎體力學(xué)恢復(fù)和預(yù)后的重要因素。理想的灌注材料須滿足以下要求4：(1)提供對椎體的即時加固，(2)剛度和強度與自然骨接近，(3)具有生物相容性和生物活性，(4)長期維持椎體的力學(xué)強度。聚甲基丙烯酸甲酯5(polymethacrylate，PMMA)是目前椎體成形術(shù)（PVP/PKP）最常用灌注材料；其通過容積充填和微觀交鎖而實現(xiàn)固定，具有快速提供椎體需要的強度和剛度、長期維持椎體生物力學(xué)性能、抗疲勞性能等優(yōu)點。陳瓏等6將國產(chǎn)PMMA按粉液比(g/ml)為21、32、43,分成12個組,每組8個樣本,測定其聚合時間、強度和剛度，結(jié)果顯示：稀薄期、黏稠期、固化期分別為13.02.0s、41.93.6s、261.118.7s；剛度恢復(fù)分別為4167.0544.7N/mm、4262.6929.4N/mm、3316.3649.2N/mm；強度恢復(fù)為8997.5284.4N、8375.0353.6N、7031.3240.4N，證實PMMA具有較滿意的力學(xué)性能。然而PMMA存在一定的局限性，一方面由于PMMA在體內(nèi)不能生物降解，無骨誘導(dǎo)活性，而是作為一種異物永久存在，不僅干擾了正常骨形成過程,而且長時間在體內(nèi)受慢性應(yīng)力作用下，最終易導(dǎo)致材料的疲勞碎裂7；另一方面，由于PMMA固化后硬度高,其彈性模量與宿主骨差異較大，植入病椎后在材料周圍將形成異常的應(yīng)力集中面，在異常應(yīng)力環(huán)境下易導(dǎo)致材料周圍的松質(zhì)骨及鄰近節(jié)段椎體繼發(fā)骨折8。因此，合適的替代材料應(yīng)滿足注入后能與病椎形成骨性接合，增強誘導(dǎo)或傳導(dǎo)新骨的形成，在體內(nèi)被破骨細胞完全降解吸收，同時具有生物活性的灌注材料9,10。磷酸鈣骨水泥(calciumphosphatecement,CPC)克服了既往PMMA材料存在不可降解，生物相容性差等不足，同時固化后能形成較為理想的三維多孔結(jié)構(gòu)，是目前較為成熟的一種新型骨填充材料。CPC化學(xué)組成與人體自然骨相近，植入病椎后為骨基質(zhì)干細胞提供支架的同時，能逐步發(fā)生降解并被宿主骨所替代，從而達到與周圍松質(zhì)骨形成牢固的骨性結(jié)合11。朱雪松等12通過動物實驗，將CPC注入發(fā)生骨折的山羊腰椎椎體，術(shù)后2、4、6、12、24周分別對手術(shù)椎體進行了生物力學(xué)測試及組織學(xué)觀察，結(jié)果顯示：隨著時間的推移，CPC顆粒逐漸被巨噬細胞吞噬、降解，成骨細胞通過緩慢的爬行替代實現(xiàn)了CPC與周圍松質(zhì)骨的骨性接合；在其界面結(jié)合強度逐漸增強的同時,椎體生物力學(xué)強度也逐漸增強；術(shù)后24周時，椎體獲得了最大抗壓強度，從而實現(xiàn)了CPC由早期的機械固定向生物固定的轉(zhuǎn)變。但由于CPC存在降解速度緩慢，固化時間較長,機械性能不足,粘滯性能差等缺點,與新骨生成速度不匹配，一定程度上阻礙了新骨的生成。而且由于CPC固化時間較長,使得CPC注入椎體后材料維持流動狀態(tài)的時間相對較長，增加了術(shù)中CPC滲漏的風(fēng)險，在一定程度上限制了其臨床應(yīng)用13。近年來許多學(xué)者將CPC與骨活性性因子進行了復(fù)合，如骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bonemorphogeneticprotein,BMP)、轉(zhuǎn)移生長因子(TGF-)等，利用CPC固化后形成的微孔結(jié)構(gòu)，新骨得以填充長入，使灌注材料既具有骨傳導(dǎo)活性又具有骨誘導(dǎo)活性，提高了椎體成形術(shù)充填材料的臨床價值14,15,16；但由于此類生物活性因子受提取繁瑣，產(chǎn)量低，價格昂貴等不利因素的影響，使其臨床使用受到了一定程度的限制。此外，硫酸鈣骨水泥(calciumsulfatecement，CSC)也是目前臨床較為常用的一種新型骨填充材料，具有較好的生物相容性及可降解性,能隨新骨長入逐漸被吸收替代的新型骨填充材料。Mirzayam等17，18通過體內(nèi)動物實驗研究證實：CSC體內(nèi)降解后在局部形成微酸性生物環(huán)境，有利于局部高濃度鈣離子加速成骨細胞的分化和鈣鹽沉積，能較好的促進新骨的生成和提高新骨的質(zhì)量；13周左右CSC完全生物降解，24周時骨小梁基本實現(xiàn)了爬行替代骨折缺損區(qū)域，從而提高了承載負荷能力，最終骨折椎體的力學(xué)性能得到了提升。張紹東等19通過在小牛胸腰椎爆裂骨折模型上實施CSC、CPC、PMMA椎體成形術(shù),比較3種骨水泥的力學(xué)性能；結(jié)果顯示：經(jīng)CSC椎體成形術(shù)后椎體的極限抗壓強度(1659N)雖小于PMMA(2821N),為正常椎體(2439N)的68%,但高于CPC(1011N)；傷椎內(nèi)灌注CSC后,其剛度(140N/mm)小于正常椎體(224N/mm),但與PMMA及CPC相比并無統(tǒng)計學(xué)差異；證明CSC同PMMA、CPC一樣,能滿足對椎體填充材料的生物力學(xué)性能要求。然而CSC亦存在不足之處，由于其存在脆性較大,抗壓強度低，耐受疲勞性載荷的能力較低等不足；臨床上能否取代PMMA應(yīng)用于骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折病人,仍需在體實驗進一步研究。二、骨水泥的注射方式對椎體成形術(shù)（PVP/PKP）中手術(shù)椎體的生物力學(xué)影響椎體成形術(shù)（PVP/PKP）最常用的注射方式有兩種，即經(jīng)單側(cè)椎弓根和經(jīng)雙側(cè)椎弓根注射。其中經(jīng)雙側(cè)椎弓根穿刺入路保證了骨水泥在椎體內(nèi)的對稱分布,理論上可以注射更多的骨水泥，更能增加椎體強度和剛度，糾正后凸畸形，帶來椎體良好的穩(wěn)定性，被認(rèn)為是經(jīng)典的注射方式。Liebschner等20在平均年齡80歲老年男性尸體上取L2L58個骨質(zhì)疏松性椎體制備成壓縮性骨折模型，觀察經(jīng)雙側(cè)注入骨水泥后椎體力學(xué)恢復(fù)情況，研究證實經(jīng)雙側(cè)椎弓根穿刺可以使灌注劑分布更加均勻，從而達到更有效恢復(fù)椎體強度和剛度的作用。但經(jīng)雙側(cè)椎弓根注射同時存在手術(shù)時間較長，且部分患者術(shù)中難以耐受長時間俯臥從而影響手術(shù)的順利進行。隨著臨床廣泛推廣，近年來部分學(xué)者推崇經(jīng)單側(cè)椎弓入路行椎體成形術(shù)（PVP/PKP）；單側(cè)操作具有手術(shù)時間短、創(chuàng)傷小等優(yōu)點。鄒文輝等21通過采集40個新鮮老人尸體腰椎標(biāo)本，分別進行非破壞性生物力學(xué)測試后在前屈壓縮載荷下造成椎體骨折，同時測定極限載荷和剛度值，研究結(jié)果顯示：單側(cè)椎弓根人路注射骨水泥，穿刺針尖達到椎體前中1/3處后，骨水泥在椎體內(nèi)的分布越過矢狀面中線，就可以使骨折椎體獲得有效的抗壓強度和剛度,同時也大大節(jié)約了手術(shù)時間。然而在臨床實際操作中要取得良好臨床療效，經(jīng)單側(cè)椎弓根注射手術(shù)操作中必須采取較大的穿刺角度，這就會大大增加椎弓根破裂的風(fēng)險，從而導(dǎo)致骨水泥的滲漏及神經(jīng)損傷。此外，Liebschner等20借助三維有限元模型研究發(fā)現(xiàn)，即使在獲得較為滿意的穿刺角度下，經(jīng)單側(cè)注射仍很難使骨水泥在骨折椎體內(nèi)獲得較為均勻的分布，這就容易引起術(shù)后手術(shù)椎體單側(cè)承重，在恒定載荷下骨折椎體容易向穿刺對側(cè)側(cè)向屈曲，從而造成椎體壓縮變形。由于椎體成形術(shù)（PVP/PKP）中應(yīng)用兩種注射方式在恢復(fù)壓縮椎體強度和剛度生物力學(xué)指標(biāo)尚缺乏大樣本的臨床隨機對照試驗加以證實，并且具體操作仍有待進一步優(yōu)化；對于一側(cè)椎弓根骨折或術(shù)中發(fā)生一側(cè)穿刺操作失敗時，以及老年患者由于體弱或多種慢性疾病不能耐受手術(shù)治療的長時間俯臥，單側(cè)穿刺不失為恢復(fù)壓縮椎體力學(xué)性能較理性的注射方式。三、骨水泥的注射量對椎體成形術(shù)（PVP/PKP）中手術(shù)椎體的生物力學(xué)影響骨水泥注射量是影響椎體成形術(shù)（PVP/PKP）中手術(shù)椎體力學(xué)恢復(fù)的重要因素，而骨水泥注射量通常受兩個因素影響，一是骨水泥在椎體中的填充模式，另一因素是骨水泥的彌散方式；而對于PVP和PKP而言，二者在填充模式及彌散方式上存在明顯差異。在PVP中骨水泥填充是以小腔隙填充為主,為海綿狀模式的均勻彌散分布，骨水泥填充量一般為1-2ml；而在PKP中骨水泥填充以大空腔填充為主,為非均勻性或集中成塊狀分布的團塊狀充填模式，填充量一般為4-6ml。注射骨水泥可以有效恢復(fù)壓縮性骨折椎體的強度和剛度，但對于注射多少骨水泥方可達到最佳的治療效果，目前尚無一致結(jié)論。Belkoff22等對4個平均年齡80歲女尸體取5個T1-L5骨質(zhì)疏松性椎體制作壓縮性骨折模型，注入PMMA后測試注射前后椎體剛度和強度，研究顯示：注射量分別為2ml、4ml、6ml、8ml；PMMA注射2ml即可恢復(fù)椎體的剛度，而恢復(fù)椎體的強度胸椎需要4ml，腰椎則需要6ml。McKiernan等23通過對平均年齡在74.310.9歲之間32名骨質(zhì)疏松性椎體骨折婦女，49個椎體實施椎體成形術(shù)，觀察骨水泥注入量和術(shù)后疼痛緩解關(guān)系，研究證實：骨質(zhì)疏松性骨折椎體強度恢復(fù)所需的骨水泥量僅為2ml，而椎體剛度恢復(fù)所需的量較大，常需4-8ml。然而，骨水泥的注入量并非越多越好，過量注射骨水泥并不一定能獲得最佳生物力學(xué)效果和臨床療效，反而會增加骨水泥滲漏引發(fā)肺栓塞等重大近期并發(fā)癥；同時，骨水泥的注入過多，也會引起與相鄰椎體的彈性模量差異過大，易造成相鄰節(jié)段的椎體骨折遠期并發(fā)癥。四、骨水泥的注射時機對椎體成形術(shù)（PVP/PKP）中手術(shù)椎體的生物力學(xué)影響骨水泥的注射時機在椎體成形術(shù)（PVP/PKP）中對手術(shù)椎體的力學(xué)恢復(fù)和并發(fā)癥的預(yù)防關(guān)系密切。骨水泥注射時機是一個相對矛盾的選擇；稀薄期注射可以在椎體松質(zhì)骨的充分?jǐn)U散，達到滿意的滲透；但稀薄期骨水泥流動性大，極易通過椎體裂隙及椎體血管滲漏，沿血液回流進入椎外靜脈叢并匯入與之相連的上下腔靜脈系統(tǒng)，若骨水泥隨血液循環(huán)進入肺部，就可能引起骨水泥性肺栓塞，嚴(yán)重者可發(fā)生呼吸衰竭，導(dǎo)致死亡。反之，骨水泥在高度黏稠期注射雖可以減少滲漏，但由于其流動性差，不僅會影響骨水泥在椎體內(nèi)均勻分布，而且由于注射時所需的注射壓力較大，容易造成椎管破裂，骨水泥滲入到椎管內(nèi)，導(dǎo)致神經(jīng)受到直接壓迫和灼傷后產(chǎn)生嚴(yán)重并發(fā)癥。劉希勝等24用國產(chǎn)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥和造影劑進行耐壓和應(yīng)力的測試,結(jié)果顯示：國產(chǎn)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥按照粉劑4g、單體2.6ml和造影劑1ml的比例配制,在低度黏稠期和黏稠期骨水泥呈“牙膏狀”注射，不僅有效的恢復(fù)手術(shù)椎體力學(xué)性能，并且最大程度上減少了由于骨水泥滲漏引起的相關(guān)并發(fā)癥。因此，椎體成形術(shù)（PVP/PKP）骨水泥低度黏稠期和黏稠期是相對安全的注射時機。綜上所述，椎體成形術(shù)（PVP/PKP）中骨水泥的生物性能、注射方式、注射時機、注射量與手術(shù)椎體力學(xué)性能的恢復(fù)密切相關(guān)。因此，如何較為合理地在實踐中應(yīng)用這些因素提高手術(shù)療效，減少并發(fā)癥發(fā)生仍是目前研究重點問題之一。而目前一方面由于受生物材料學(xué)發(fā)展的限制，臨床尚缺乏較為理想的骨填充材料；另一方面，受在體力學(xué)研究技術(shù)的限制，目前仍很難獲得骨折椎體微環(huán)境的在體力學(xué)數(shù)據(jù)，因此，如何去獲得較為直接的在體力學(xué)數(shù)據(jù)并研發(fā)新的骨填充材料以適應(yīng)椎體成形術(shù)進一步發(fā)展的需要將是今后的重點發(fā)展方向之一。參考文獻：1IdlerC,ZuchermanJF,YerbyS,etal.Anoveltechniqueofintra-spinousprocessinjectionofPMMAtoaugmentthestrengthofaninter-spinousprocessdevicesuchastheXSTOPJ.Spine,2008,33(4):452-456.2BrownDB,GilulaLA,SehgalM,etal.TreamentofchronicsymptomaticvertebralcompressionfractureswithpercutaneousvertebroplastyAmJRoentgenol,2004,182(2):319-322.3McKiernanF,FaciszewskiT,JensenR.DoesvertebralheightrestorationachievedatvertebroplastymatterJ.JVascIntervRadiol,2005,16:973.4顧冬云等,椎體成形術(shù)的生物力學(xué)研究J中華骨科雜志,2006,(06):421-423.5朱青安,李鑒鐵,趙衛(wèi)東等，聚甲基丙烯酸甲酯強化和修復(fù)椎弓根螺釘?shù)纳锪W(xué)研究J，中華骨科雜志,2000,20(5):283-286.6陳瓏等，國產(chǎn)灌注劑行經(jīng)皮椎體成形術(shù)的實驗研究，介入放射學(xué)雜志，2003，4（12）：294-2977孫輝,臧學(xué)慧,高立華.骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折患者經(jīng)皮椎體成形注入黏絲期骨水泥后的再骨折J，中國組織工程研究與臨床康復(fù),2010,14(25):4657-46608SunH,ZangXH,GaoLH.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiuyulinchuangKangfu.2010；14(25):4657-4660.9沈萍,骨粘合劑的研究與臨床應(yīng)用，生物骨科材料與臨床研究,2011,8(6),23-2510鄭江,陳怡等，三種膠體材料及其復(fù)合物作為骨粘合劑的粘合強度比較，中國海洋藥物雜志，2009，1（28）：26-2811RacquelZapantaLeGeros.Proportiesofosteoconductivebiomaterials:calciumphosphateJ.ClinOrthop,2002,395:81-98.12朱雪松，張志明等，磷酸鈣骨水泥填充椎體成形過程中椎體生物力學(xué)評價，中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2008，41（12）：8071-807413HEINIPF,BERLEMANNU.BonesubstitutesinvertebroplastyJ.EurSpineJ,2001,10(suppl2):205-21314ChubinskayaS,KuettnerKERegulationofosteogenicproteinsbychondro-cytesJ.IntJBiochemCellBio,l2003；35:1323-4015HabrakenWJ,WolkeJG,MikosAG,etal.InjectablePLGAmicrospher/calciumphosphatecements:physicalpropertiesanddegradationcharac-teristics.J.BiomaterSciPolymEd2006；17(9):1057-107416Hurrell-GillinghamK,ReaneyIM,BrookI,etal.InvitrobiocompatibilityofanovelFe2O3basedglassionomercement.JDent2006；34(8):533-53817MirzayamR，PanossianV，AvedianR，eta1Theuseofcalciumsulfateinthetreatmentofbenignbonelesionsapreliminaryrep