椎体成形术中影响手术椎体生物力学的相关因素研究进展.doc

椎体成形术中影响手术椎体生物力学的相关因素研究进展张东洋1、尹宏2、钱卫庆3（1南京中医药大学南京210001，2南京市中医院骨伤科，南京210001）张东洋Tel摘要】椎体成形术是近年来治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的一种新型微创手术方法。由于其疗效与术后骨折椎体力学性能的恢复密切相关，因此如何通过调整手术相关因素使手术椎体获得良好的力学性能是目前临床亟待解决的重点问题之一。本文就椎体成形术中影响手术椎体力学性能相关因素的研究进展和应用现状进行综述。【关键词】椎体成形术；椎体后凸成形术；椎体压缩骨折；生物力学椎体成形术(Percutaneousvertebroplasty,PVP)和椎体后凸成形术(Percutaneouskyphoplasty,PKP)是目前治疗骨质疏松性椎体压缩骨折(Osteoporosisvertebralcompressionfracture,OVCF)较为理想的治疗手段，其通过向病变椎体内注入生物材料，稳定骨折的骨小梁，恢复压缩椎体高度，从而快速、有效恢复脊柱正常力学性能，达到缓解疼痛，提高患者生活质量的目的1，2，3。由于骨质疏松性椎体骨折的在体生物力学研究起步较晚，对影响手术椎体力学的相关因素尚缺乏全面深入的探讨。本文就骨水泥性质、注射方式、注射时机、注射量对手术椎体力学影响的研究进展和在椎体成形术中的应用现状作一介绍。一、灌注材料对手术椎体的生物力学影响灌注材料是影响椎体成形术（PVP/PKP）中手术椎体力学恢复和预后的重要因素。理想的灌注材料须满足以下要求4：(1)提供对椎体的即时加固，(2)刚度和强度与自然骨接近，(3)具有生物相容性和生物活性，(4)长期维持椎体的力学强度。聚甲基丙烯酸甲酯5(polymethacrylate，PMMA)是目前椎体成形术（PVP/PKP）最常用灌注材料；其通过容积充填和微观交锁而实现固定，具有快速提供椎体需要的强度和刚度、长期维持椎体生物力学性能、抗疲劳性能等优点。陈珑等6将国产PMMA按粉液比(g/ml)为21、32、43,分成12个组,每组8个样本,测定其聚合时间、强度和刚度，结果显示：稀薄期、黏稠期、固化期分别为13.02.0s、41.93.6s、261.118.7s；刚度恢复分别为4167.0544.7N/mm、4262.6929.4N/mm、3316.3649.2N/mm；强度恢复为8997.5284.4N、8375.0353.6N、7031.3240.4N，证实PMMA具有较满意的力学性能。然而PMMA存在一定的局限性，一方面由于PMMA在体内不能生物降解，无骨诱导活性，而是作为一种异物永久存在，不仅干扰了正常骨形成过程,而且长时间在体内受慢性应力作用下，最终易导致材料的疲劳碎裂7；另一方面，由于PMMA固化后硬度高,其弹性模量与宿主骨差异较大，植入病椎后在材料周围将形成异常的应力集中面，在异常应力环境下易导致材料周围的松质骨及邻近节段椎体继发骨折8。因此，合适的替代材料应满足注入后能与病椎形成骨性接合，增强诱导或传导新骨的形成，在体内被破骨细胞完全降解吸收，同时具有生物活性的灌注材料9,10。磷酸钙骨水泥(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，同时固化后能形成较为理想的三维多孔结构，是目前较为成熟的一种新型骨填充材料。CPC化学组成与人体自然骨相近，植入病椎后为骨基质干细胞提供支架的同时，能逐步发生降解并被宿主骨所替代，从而达到与周围松质骨形成牢固的骨性结合11。朱雪松等12通过动物实验，将CPC注入发生骨折的山羊腰椎椎体，术后2、4、6、12、24周分别对手术椎体进行了生物力学测试及组织学观察，结果显示：随着时间的推移，CPC颗粒逐渐被巨噬细胞吞噬、降解，成骨细胞通过缓慢的爬行替代实现了CPC与周围松质骨的骨性接合；在其界面结合强度逐渐增强的同时,椎体生物力学强度也逐渐增强；术后24周时，椎体获得了最大抗压强度，从而实现了CPC由早期的机械固定向生物固定的转变。但由于CPC存在降解速度缓慢，固化时间较长,机械性能不足,粘滞性能差等缺点,与新骨生成速度不匹配，一定程度上阻碍了新骨的生成。而且由于CPC固化时间较长,使得CPC注入椎体后材料维持流动状态的时间相对较长，增加了术中CPC渗漏的风险，在一定程度上限制了其临床应用13。近年来许多学者将CPC与骨活性性因子进行了复合，如骨形态发生蛋白(bonemorphogeneticprotein,BMP)、转移生长因子(TGF-)等，利用CPC固化后形成的微孔结构，新骨得以填充长入，使灌注材料既具有骨传导活性又具有骨诱导活性，提高了椎体成形术充填材料的临床价值14,15,16；但由于此类生物活性因子受提取繁琐，产量低，价格昂贵等不利因素的影响，使其临床使用受到了一定程度的限制。此外，硫酸钙骨水泥(calciumsulfatecement，CSC)也是目前临床较为常用的一种新型骨填充材料，具有较好的生物相容性及可降解性,能随新骨长入逐渐被吸收替代的新型骨填充材料。Mirzayam等17，18通过体内动物实验研究证实：CSC体内降解后在局部形成微酸性生物环境，有利于局部高浓度钙离子加速成骨细胞的分化和钙盐沉积，能较好的促进新骨的生成和提高新骨的质量；13周左右CSC完全生物降解，24周时骨小梁基本实现了爬行替代骨折缺损区域，从而提高了承载负荷能力，最终骨折椎体的力学性能得到了提升。张绍东等19通过在小牛胸腰椎爆裂骨折模型上实施CSC、CPC、PMMA椎体成形术,比较3种骨水泥的力学性能；结果显示：经CSC椎体成形术后椎体的极限抗压强度(1659N)虽小于PMMA(2821N),为正常椎体(2439N)的68%,但高于CPC(1011N)；伤椎内灌注CSC后,其刚度(140N/mm)小于正常椎体(224N/mm),但与PMMA及CPC相比并无统计学差异；证明CSC同PMMA、CPC一样,能满足对椎体填充材料的生物力学性能要求。然而CSC亦存在不足之处，由于其存在脆性较大,抗压强度低，耐受疲劳性载荷的能力较低等不足；临床上能否取代PMMA应用于骨质疏松椎体压缩性骨折病人,仍需在体实验进一步研究。二、骨水泥的注射方式对椎体成形术（PVP/PKP）中手术椎体的生物力学影响椎体成形术（PVP/PKP）最常用的注射方式有两种，即经单侧椎弓根和经双侧椎弓根注射。其中经双侧椎弓根穿刺入路保证了骨水泥在椎体内的对称分布,理论上可以注射更多的骨水泥，更能增加椎体强度和刚度，纠正后凸畸形，带来椎体良好的稳定性，被认为是经典的注射方式。Liebschner等20在平均年龄80岁老年男性尸体上取L2L58个骨质疏松性椎体制备成压缩性骨折模型，观察经双侧注入骨水泥后椎体力学恢复情况，研究证实经双侧椎弓根穿刺可以使灌注剂分布更加均匀，从而达到更有效恢复椎体强度和刚度的作用。但经双侧椎弓根注射同时存在手术时间较长，且部分患者术中难以耐受长时间俯卧从而影响手术的顺利进行。随着临床广泛推广，近年来部分学者推崇经单侧椎弓入路行椎体成形术（PVP/PKP）；单侧操作具有手术时间短、创伤小等优点。邹文辉等21通过采集40个新鲜老人尸体腰椎标本，分别进行非破坏性生物力学测试后在前屈压缩载荷下造成椎体骨折，同时测定极限载荷和刚度值，研究结果显示：单侧椎弓根人路注射骨水泥，穿刺针尖达到椎体前中1/3处后，骨水泥在椎体内的分布越过矢状面中线，就可以使骨折椎体获得有效的抗压强度和刚度,同时也大大节约了手术时间。然而在临床实际操作中要取得良好临床疗效，经单侧椎弓根注射手术操作中必须采取较大的穿刺角度，这就会大大增加椎弓根破裂的风险，从而导致骨水泥的渗漏及神经损伤。此外，Liebschner等20借助三维有限元模型研究发现，即使在获得较为满意的穿刺角度下，经单侧注射仍很难使骨水泥在骨折椎体内获得较为均匀的分布，这就容易引起术后手术椎体单侧承重，在恒定载荷下骨折椎体容易向穿刺对侧侧向屈曲，从而造成椎体压缩变形。由于椎体成形术（PVP/PKP）中应用两种注射方式在恢复压缩椎体强度和刚度生物力学指标尚缺乏大样本的临床随机对照试验加以证实，并且具体操作仍有待进一步优化；对于一侧椎弓根骨折或术中发生一侧穿刺操作失败时，以及老年患者由于体弱或多种慢性疾病不能耐受手术治疗的长时间俯卧，单侧穿刺不失为恢复压缩椎体力学性能较理性的注射方式。三、骨水泥的注射量对椎体成形术（PVP/PKP）中手术椎体的生物力学影响骨水泥注射量是影响椎体成形术（PVP/PKP）中手术椎体力学恢复的重要因素，而骨水泥注射量通常受两个因素影响，一是骨水泥在椎体中的填充模式，另一因素是骨水泥的弥散方式；而对于PVP和PKP而言，二者在填充模式及弥散方式上存在明显差异。在PVP中骨水泥填充是以小腔隙填充为主,为海绵状模式的均匀弥散分布，骨水泥填充量一般为1-2ml；而在PKP中骨水泥填充以大空腔填充为主,为非均匀性或集中成块状分布的团块状充填模式，填充量一般为4-6ml。注射骨水泥可以有效恢复压缩性骨折椎体的强度和刚度，但对于注射多少骨水泥方可达到最佳的治疗效果，目前尚无一致结论。Belkoff22等对4个平均年龄80岁女尸体取5个T1-L5骨质疏松性椎体制作压缩性骨折模型，注入PMMA后测试注射前后椎体刚度和强度，研究显示：注射量分别为2ml、4ml、6ml、8ml；PMMA注射2ml即可恢复椎体的刚度，而恢复椎体的强度胸椎需要4ml，腰椎则需要6ml。McKiernan等23通过对平均年龄在74.310.9岁之间32名骨质疏松性椎体骨折妇女，49个椎体实施椎体成形术，观察骨水泥注入量和术后疼痛缓解关系，研究证实：骨质疏松性骨折椎体强度恢复所需的骨水泥量仅为2ml，而椎体刚度恢复所需的量较大，常需4-8ml。然而，骨水泥的注入量并非越多越好，过量注射骨水泥并不一定能获得最佳生物力学效果和临床疗效，反而会增加骨水泥渗漏引发肺栓塞等重大近期并发症；同时，骨水泥的注入过多，也会引起与相邻椎体的弹性模量差异过大，易造成相邻节段的椎体骨折远期并发症。四、骨水泥的注射时机对椎体成形术（PVP/PKP）中手术椎体的生物力学影响骨水泥的注射时机在椎体成形术（PVP/PKP）中对手术椎体的力学恢复和并发症的预防关系密切。骨水泥注射时机是一个相对矛盾的选择；稀薄期注射可以在椎体松质骨的充分扩散，达到满意的渗透；但稀薄期骨水泥流动性大，极易通过椎体裂隙及椎体血管渗漏，沿血液回流进入椎外静脉丛并汇入与之相连的上下腔静脉系统，若骨水泥随血液循环进入肺部，就可能引起骨水泥性肺栓塞，严重者可发生呼吸衰竭，导致死亡。反之，骨水泥在高度黏稠期注射虽可以减少渗漏，但由于其流动性差，不仅会影响骨水泥在椎体内均匀分布，而且由于注射时所需的注射压力较大，容易造成椎管破裂，骨水泥渗入到椎管内，导致神经受到直接压迫和灼伤后产生严重并发症。刘希胜等24用国产聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥和造影剂进行耐压和应力的测试,结果显示：国产聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥按照粉剂4g、单体2.6ml和造影剂1ml的比例配制,在低度黏稠期和黏稠期骨水泥呈“牙膏状”注射，不仅有效的恢复手术椎体力学性能，并且最大程度上减少了由于骨水泥渗漏引起的相关并发症。因此，椎体成形术（PVP/PKP）骨水泥低度黏稠期和黏稠期是相对安全的注射时机。综上所述，椎体成形术（PVP/PKP）中骨水泥的生物性能、注射方式、注射时机、注射量与手术椎体力学性能的恢复密切相关。因此，如何较为合理地在实践中应用这些因素提高手术疗效，减少并发症发生仍是目前研究重点问题之一。而目前一方面由于受生物材料学发展的限制，临床尚缺乏较为理想的骨填充材料；另一方面，受在体力学研究技术的限制，目前仍很难获得骨折椎体微环境的在体力学数据，因此，如何去获得较为直接的在体力学数据并研发新的骨填充材料以适应椎体成形术进一步发展的需要将是今后的重点发展方向之一。参考文献：1IdlerC,ZuchermanJF,YerbyS,eta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