可降解高分子网状球囊及磷酸钙骨水泥椎体填充后的力学变化.doc

www.CRTER.org彭湘涛，等. 可降解高分子网状球囊及磷酸钙骨水泥椎体填充后的力学变化可降解高分子网状球囊及磷酸钙骨水泥椎体填充后的力学变化*彭湘涛1，刘训伟1，李 敏1，钟 建2，魏岱旭2，何丹农2，孙 钢1 (1解放军第二军医大学济南临床医院济南军区总医院医学影像科，山东省济南市 250031；2纳米技术及应用国家工程研究中心，上海市 200241)文章亮点：实验创新性地将可降解高分子网状球囊联合磷酸钙骨水泥注入离体猪椎体，通过复合易降解生物高分子所制备的内膜有效控制磷酸钙骨水泥的溃散与渗漏，利用内膜与纤维网状结构的降解实现磷酸钙骨水泥与椎体骨质的融合。由于样本量较小，仅提供了初步数据，有关可降解高分子网状球囊联合磷酸钙骨水泥在生物活体中的生物反应有待于进一步实验研究。关键词：生物材料；组织工程骨材料；骨水泥；椎体成形术；椎体后凸成形术；可降解球囊；生物力学；国家自然科学基金主题词：生物相容性材料；可吸收性植入物；磷酸钙类；生物力学基金资助：国家自然科学基金资助(51073173)*摘要背景：寻找具备生物力学性能与生物活性，椎体外渗漏率低的新型椎体填充材料已经成为研究的焦点。目的：观察植入可降解高分子网状球囊并灌注磷酸钙骨水泥椎体的生物力学性能及骨水泥渗漏率。方法：将32个猪单椎体标本随机分为4组，其中2组分别经单侧椎弓根注入2.5-3.0 mL聚甲基丙烯酸树脂骨水泥、2.5-3.0 mL磷酸钙骨水泥；其中1组首先植入可降解高分子网状球囊，然后填充2.5-3.0 mL磷酸钙骨水泥；最后1组为正常椎体。观察各组椎体的骨水泥外漏情况，经SCHENCK RSA-250 电子万能试验机测试各组椎体的刚度及强度。结果与结论：聚甲基丙烯酸树脂骨水泥组椎体强度及刚度明显高于正常椎体(P 0.05)，磷酸钙骨水泥组椎体强度及刚度明显低于正常椎体(P 0.05)，可降解高分子网状球囊联合骨水泥组骨水泥渗漏率较聚甲基丙烯酸树脂骨水泥组与磷酸钙骨水泥组降低(P 0.05)。表明植入可降解高分子网状球囊联合磷酸钙骨水泥椎体的生物力学性能最接近正常椎体，骨水泥渗漏率校低。Vertebral bodies implanted with biodegradable reticulated balloon and calcium phosphate cement: Changes in the vertebral biomechanics Peng Xiang-tao1, Liu Xun-wei1, Li Min1, Zhong Jian2, Wei Dai-xu2, He Dan-nong2, Sun Gang1 (1Medical Image Department of General Hospital of Jinan Military Region, Clinical Hospital of the Second Military Medical University, Jinan 250031, Shandong Province, China; 2National Engineering Research Center for Nanotechnology (NERCN), Shanghai 200241, China)彭湘涛，男，1979年生，河南省周口市人，汉族，解放军第401医院放射科，主治医师，现解放军第二军医大学在读硕士，主要从事非血管介入的研究。 Siyuan_ 通讯作者：孙钢，主任医师，博士，教授，博士生导师，解放军济南军区总医院医学影像科，山东省济南市 250031 中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2013)51-08795-06 修回日期：2013-09-12(201305191/GWW)Peng Xiang-tao, Studying for masters degree, Attending physician, Medical Image Department of General Hospital of Jinan Military Region, Clinical Hospital of the Second Military Medical University, Jinan 250031, Shandong Province, ChinaSiyuan_Corresponding author: Sun Gang, M.D., Professor, Chief physician, Doctoral supervisor, Medical Image Department of General Hospital of Jinan Military Region, Clinical Hospital of the Second Military Medical University, Jinan 250031, Shandong Province, CAccepted: 2013-09-12AbstractBACKGROUND: It has become a focus to look for new vertebral body filling materials which have the biomechanical property, biological activity and low cement leakage rate. OBJECTIVE: To investigate the biomechanical characters and cement leakage rate of the vertebral bodies implanted with biodegradable reticulated balloon and calcium phosphate. METHODS: Thirty-two vertebral bodies from pigs were randomly divided to four groups. For A group, 2.5-3.0 mL polymethacrylate cement was injected into the body through a unilateral thoracic pedicle pathway; for B group, 2.5-3.0 mL calcium phosphate cement were injected by the same protocol; for C group, the biodegradable reticulated balloons filled with 2.5-3.0 mL calcium phosphate cement were implanted; D group, including normal vertebral bodies, was designed as controls. Leakage of bone cement was observed in each group. The load-shift curves were recorded by an electronic universal testing machine (SCHENCK RSA-250). RESULTS AND CONCLUSION: The stiffness and strength of A group were significantly higher than those of D group (P 0.05), and the stiffness and strength of B group were statistically lower than those of D group (P 0.05). Cement leakage rate of C group was lower than that of A or B group (P 50%，聚甲基丙烯酸树酯骨水泥组中有2个椎体前外侧出现轻度渗漏；磷酸钙骨水泥组中有5个椎体出现前外侧轻度渗漏，其中1个同时出现椎管内渗漏，渗漏量约为0.5 mL；可降解高分子网状球囊联合骨水泥组未发现椎体外渗漏情况。2.2 各组椎体生物力学测量结果 填充不同材料的椎体强度及刚度与正常对照组间的比较采用Dunnett-t 检验，可降解高分子网状球囊联合骨水泥组骨水泥渗漏率与聚甲基丙烯酸树酯骨水泥组、磷酸钙骨水泥组骨水泥渗漏率的组间比较采用2检验进行统计学分析，统计结果为：聚甲基丙烯酸树酯骨水泥组、磷酸钙骨水泥组椎体强度及刚度与正常椎体比较差异有显著性意义(P 0.05)，见表1。表1 将不同材料植入离体猪椎体后的椎体强度和刚度值比较Table 1 Comparison strength and stiffness after different materials were implanted into the vertebral bodies (s)组别强度(N)刚度(N/mm)聚甲基丙烯酸树酯骨水泥组18 792.5758.7a14 850.51435.1a磷酸钙骨水泥组 5 126.2419.7a 5 167.5309.6a可降解高分子网状球囊联合骨水泥组11 341.5616.110 940.5615.6正常椎体10 660.5506.610 219.5494.7与正常椎体比较，aP 0.05。注：结果显示椎体植入可降解高分子网状球囊并灌注磷酸钙骨水泥后其生物力学测量较接近正常椎体。可降解高分子网状球囊联合骨水泥组骨水泥渗漏率较聚甲基丙烯酸树酯骨水泥组、磷酸钙骨水泥组低 (P 0.05)。结果显示椎体植入可降解高分子网状球囊并灌注磷酸钙骨水泥后其生物力学测量较接近正常椎体，而骨水泥渗漏率较聚甲基丙烯酸树酯骨水泥组、磷酸钙骨水泥组降低。由图5可见植入可降解高分子网状球囊联合磷酸钙骨水泥的椎体生物力学性能最接近正常椎体。正常椎体磷酸钙骨水泥聚甲基丙烯树脂骨水泥新型可降解球囊+磷酸钙骨水泥2.01.51.00.50加载力(N)0 0.6 1.2 1.8椎体压缩高度(mm)注：植入可降解高分子网状球囊联合磷酸钙骨水泥的椎体生物力学性能最接近正常椎体。图5 将不同材料植入离体猪椎体后的椎体加载力变化曲线图Figure 5 The load-shift curves after different materials were implanted into the vertebral bodies 灌注骨水泥24个离体猪椎体的资料：椎体编号填充材料是否渗漏椎体刚度(N/mm)椎体强度(N) 1聚甲基丙烯酸树酯骨水泥是13 750.018 880.0 2聚甲基丙烯酸树酯骨水泥否13 642.019 120.0 3聚甲基丙烯酸树酯骨水泥否15 153.019 730.0 4聚甲基丙烯酸树酯骨水泥是15 750.018 960.0 5聚甲基丙烯酸树酯骨水泥否12 778.017 890.0 6聚甲基丙烯酸树酯骨水泥否14 616.017 540.0 7聚甲基丙烯酸树酯骨水泥否13 978.019 570.0 8聚甲基丙烯酸树酯骨水泥否15 136.016 650.0 9磷酸钙骨水泥是 5 785.0 5 630.010磷酸钙骨水泥是 4 764.0 4 780.011磷酸钙骨水泥否 5 183.0 4 830.012磷酸钙骨水泥是 4 937.0 5 280.013磷酸钙骨水泥否 5 341.0 5 500.014磷酸钙骨水泥是 5 124.0 4 890.015磷酸钙骨水泥是 4 974.0 4 530.016磷酸钙骨水泥否 5 232.0 5 570.017可降解高分子网状可降解高分子网状球囊+磷酸钙骨水泥否10 784.012 680.018可降解高分子网状球囊+磷酸钙骨水泥否11 752.011 750.019可降解高分子网状球囊+磷酸钙骨水泥否11 343.012 430.020可降解高分子网状球囊+磷酸钙骨水泥否10 965.011 870.021可降解高分子网状球囊+磷酸钙骨水泥否12 111.011 650.022可降解高分子网状球囊+磷酸钙骨水泥否10 342.011 240.023可降解高分子网状球囊+磷酸钙骨水泥否11 247.012 000.024可降解高分子网状球囊+磷酸钙骨水泥否11 677.011 970.03 讨论 Discussion经皮椎体成形技术自1987年开展以来，以其疗效肯定、创伤小、并发症少而被广泛应用于临床，但由于经皮椎体成形技术是向椎体内直接注入骨水泥，其所需注射压力高，骨水泥渗漏率可达38%-72.5%9。椎体后凸成形技术是在其基础上发展的改良技术，其与经皮椎体成形技术相比较的优势在于能抬升压缩椎体的高度，矫正脊柱后凸畸形，恢复脊柱正常的生物力学性能。同时由于其是通过骨扩张器扩张在椎体内形成空腔，骨水泥可在低压力下注入，使骨水泥渗漏率可降低至1%-8%10。Humle等11系统性回顾相关文献发现：经皮椎体成形技术或椎体后凸成形技术后，患者的疼痛缓解率分别为87%与92%，椎体高度恢复椎体后凸成形技术优于经皮椎体成形技术，骨水泥渗漏率分别为41%与9%，二者间相邻椎体继发骨折情况无明显差异。Eck 等12的一项Mata分析结果显示经皮椎体成形技术和椎体后凸成形技术比较，骨水泥渗漏率分别为19.7%，7.0%(P 0.001)；而因骨水泥渗漏出现临床症状的发生率分别为1.6%，0.3%(P 0.01)；经皮椎体成形技术和椎体后凸成形技术椎体继发压缩骨折发生率分别为17.9%，14%(P 0.01)；肺栓塞发生率分别为0.9%，0.4%(P 0.01)。目前，椎体后凸成形技术方法主要分为两大类。以Kyphon球囊、Sky骨扩张器、Jack扩张器、记忆合金椎体扩张器为代表的第一类手术方法是椎体内复位扩张器扩张复位和椎体内空腔填充物注入分开操作，其过程相对复杂，需反复穿刺建立工作通道，在一定程度上使椎弓根骨折、脊髓受压发生率增加，并且在扩张器取出后会出现椎体高度再丢失现象；以Pillar椎体支柱块、Vessel-X骨材料填充系统、Osseofix系统、Catheter fabric为代表的第二类手术方法将此两个操作步骤合二为一：扩张器留置椎体内无需取出，这样可简化手术过程，降低手术操作相关并发症，但往往对扩张器材料及形状设计有较高要求。于金河等13应用Pillar“支柱块”植入治疗胸腰椎压缩骨折，术后椎体复位满意，脊柱后凸畸形纠正明显，且无脊髓、神经压迫等并发症发生。但“支柱块”直径较大(8-11 mm)，经椎弓根置入过程中易撑破椎弓根内侧皮质导致脊髓、神经受压，对术者操作的熟练程度有较高要求。同时“支柱块”植入与球囊扩张组比较手术时间稍长、失血量稍多。Flors等14应用Vessel-X充填网袋治疗椎体压缩骨折进行研究，该网袋是非弹力聚对苯二甲酸乙二醇酯组成双层网孔结构，注射骨水泥完全膨胀后呈较固定的球体或椭圆体状，其原理类似于椎体后凸成形技术，依靠压力注射系统，可提高伤椎的抗压强度，并减少骨水泥的渗漏。Rotter等15应用一种金属网状支架结合骨水泥治疗椎体压缩骨折，通过植入永久性金属支架后灌注骨水泥的方式增强伤椎强度及恢复椎体高度。因此，伤椎术后生物力学性能的主要影响因素是由填充材料骨水泥的性质决定的。目前常用的骨水泥主要为聚甲基丙烯酸树酯骨水泥，其注入伤椎内可使椎体的细微骨折得到固定，减少对痛觉神经末梢的刺激，提高脊柱的生物力学性能。另外，其聚合后产生的热效应，也可能对疼痛有缓解作 用16。但聚甲基丙烯酸树酯骨水泥无骨传导和诱导活性，单体有毒性，固化后刚度强，与骨弹性模量差异较大。有研究表明聚甲基丙烯酸树酯骨水泥灌注后降低相邻椎体的载荷能力，导致相邻椎体的继发骨折17。由于聚甲基丙烯酸树酯骨水泥无生物降解性，随着在椎体骨质内存留时间的延长，二者之间的微观绞锁减少，可在伤椎内出现裂隙，甚至骨水泥块游离、脱出椎体的现 象18-19。磷酸钙骨水泥具有自行固化、生物相容、逐步降解等特性，有较好的生物相容性、骨传导性，在椎体内可逐渐被新骨取代，恢复椎体的骨量20，理论上能够适用任何年龄阶段患者。但是，磷酸钙骨水泥存在注射时易固液分离、遇水溃散、强度低、不适宜承重骨等缺点21。为解决这些的缺陷，许多学者通过在磷酸钙骨水泥中添加材料以增加其力学性能及抗溃散性能22-24，但目前尚处于研究阶段。 Vessel-X充填网袋与金属网状支架等填充器应用的骨填充材料均为聚甲基丙烯酸树酯骨水泥，虽可提高伤椎的抗压强度，并减少骨水泥的渗漏，但仍存在植入物不可降解，与骨弹性模量差异较大的缺点。由于Vessel-X充填网袋与金属网状支架的网孔孔径较大(分别为100 m级与mm级)，不能阻止其内在磷酸钙骨水泥与体液的大范围接触引起溃散，从而导致强度降低。因而，上述两种技术不适宜与磷酸钙骨水泥联合应用。另外，包括Pillar椎体支柱块、Vessel-X骨材料填充系统、Osseofix系统、Catheter fabric等的椎体扩张器均存在缺乏生物活性，植入物不可降解，与骨弹性模量差异较大的缺点。因此临床需要研究开发出具备生物活性，可体内降解，符合椎体生物力学的新型骨扩张器。理论上，磷酸钙骨水泥注入到具有一定抗压性能且能够防止体液与其大范围接触的生物可降解微孔网状球囊中，其可具备较好的抗压强度与较低的渗漏率。实验新型可降解高分子网状球囊的主要材料为可降解聚乳酸和聚已内酯嵌段共聚物，该球囊的囊壁是通过静电纺丝技术将高分子可降解材料形成的纳米级纤维，呈网状无序排列构成，在囊壁上形成网状叠加排列。将球囊植入椎体内后，通过传送装置注入磷酸钙骨水泥。球囊的包裹作用减少了体液和磷酸钙骨水泥接触，以避免磷酸钙骨水泥溃散，使磷酸钙骨水泥的强度增加，同正常椎体强度相近；囊壁的结构既防止了磷酸钙骨水泥的椎体外渗漏，又可使磷酸钙骨水泥通过网孔与周围骨组织充分接触。磷酸钙骨水泥释放的钙离子使局部钙离子浓度增加，促进新骨形成使骨折愈合，并且在球囊和磷酸钙骨水泥降解过程中，新生骨通过孔隙爬伸入固化的磷酸钙骨水泥间隙内，直至骨组织完全取代磷酸钙骨水泥。实验结果表明，联合应用可降解高分子网状球囊与磷酸钙骨水泥组椎体骨水泥渗漏率较聚甲基丙烯酸树酯骨水泥组、磷酸钙骨水泥组低(P 0.05)。说明椎体内填充可降解高分子网状球囊及磷酸钙骨水泥后其弹性模量与正常椎体类似，更符合正常脊柱生物力学并可保护邻近椎体，减小骨水泥渗漏及远期发生骨折的风险。总之，实验采用单椎体模型行椎体垂直恒速加载，并在实验前将椎间盘及其它软组织剔除，更好地反映椎体的生物力学性能。椎体植入可降解高分子网状球囊并注入磷酸钙骨水泥后，椎体强度及刚度接近并稍高于正常椎体，使脊柱能恢复到接近正常的生物力学性能。有关可降解高分子网状球囊联合磷酸钙骨水泥在生物活体中的生物反应及生物力学变化，正在进一步实验研究中。尽管本实验对象为离体猪椎体，仅提供了初步的数据，但该技术的应用前景广泛，为骨填充材料的发展提供了新的思路。致谢：向实验提供帮助的解放军济南军区总医院医学影像科及纳米技术及应用国家工程研究中心的工作人员致谢。作者贡献：第七作者进行实验设计，资料收集及实验实施为全部作者，实验评估为第二作者，第一作者成文，第七作者审校。利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。伦理要求：实验过程中对动物的处置符合国家科技部2006年颁发的关于善待实验动物的指导性意见相关动物伦理学标准条例。学术术语：经皮椎体成形-指通过经皮穿刺到病变椎体的穿刺针向椎体内注入骨水泥，以达到增强椎体强度和稳定性，防止塌陷，缓解腰背疼痛，甚至科部分恢复椎体高度的一种新型技术。作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。4 参考文献 References1 滕皋军,何仕诚,郭金和,等.经皮椎体成形术治疗椎体良恶性病变的临床技术应用探讨J.中华放射学杂志,2002,36(4):295-299.2 倪才方,杨惠林,唐天驷.经皮椎体成形术的初步临床应用J.介入放射学杂志,2002,1194):275-278. 3 Rllinghoff M,Siewe J,Zarghooni K,et al. 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