1、 临床论文硫酸钙骨水泥椎体成形术在胸腰椎爆裂性骨折模型中的生物力学性能作者:姜兴杰、吴晓涛、杨慧琳、唐天琦、姜摘要目的评价硫酸钙骨水泥椎体成形术的生物力学性能，探讨其在胸腰椎爆裂性骨折中应用的可行性。 方法16具新鲜小牛胸腰段标本分为4组，每组4具。实验组(A组、B组和C组)标本在制作爆裂性骨折模型后，用三种骨水泥(CSC、CPC和PMMA)进行椎体成形术，D组为不骨折的对照组。 测量椎体前、后、复位后和椎体成形术后椎体前缘高度；测量三种骨水泥完全充填时的注射量；生物力学测试用于比较四组试件的极限抗压强度和刚度的差异。 结果 (1)实验组12个标本均形成胸腰椎爆裂骨折模型，平均冲击能量为66.
2、2J；(2)2)CSC、CPC和PMMA的注射剂量分别为4.4ml0.8ml、3.7ml0.7ml和4.0ml0.6ml，组间无差异(P 0.05)。(3)三种骨水泥均能有效填充爆裂骨折椎体复位后遗留的骨缺损，并显著恢复伤椎高度(P PMMA能完全恢复骨折椎体的抗压强度，而CSC和CPC只能部分恢复骨折椎体的抗压强度，但CSC优于CPC(P CSC的刚度低于完整椎体的刚度(62.5%，P0.05) 结论CSC椎体成形术后骨折椎体的强度优于CPC，刚度与PMMA和CPC相当。 CSC椎体成形术作为胸腰椎爆裂性骨折的辅助治疗，能够满足力学要求，手术安全可行。 关键词硫酸钙骨水泥；爆裂性骨折；生物力
3、学；目的评价硫酸钙骨水泥椎体成形术治疗胸腰椎爆裂骨折的生物力学性能。方法将16根牛胸腰段脊柱(T11L1)分为4组(A、B、C、D)。建立爆裂骨折模型后，A、B、C组共12个椎体分别用硫酸钙骨水泥(CSC)、磷酸钙骨水泥(CPC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥强化。用卡尺在4个时间点测量每个椎体的高度:完整状态(提示)、骨折后(HFr)、复位后(HRe)和椎体成形术后(HVP)。椎体成形术治疗包括将活检针双蒂插入每个椎体，并用不同的骨水泥填充空隙。还测量了3种不同骨水泥的填充体积。使用材料试验机上的铰接板系统以0.5毫米/秒的速度将每个VB压缩至椎体成形术后高度的50%，以测定强度和刚度
4、。检查差异的显著性(P0.05)。三组骨水泥平均填充量分别为4.35 ml (CSC)、3.72 ml (CPC)和3.95 ml (PMMA)，差异无统计学意义(P0.05)。PMMA椎体成形术完全恢复了VBs的强度(116%)和刚度(105%)。用CSC或CPC增强仅部分恢复椎骨强度和硬度。然而，与CPC (1 011 N，P0.05)相比，CSC (1 659 N)获得了显著更大的强度恢复。结论对于爆裂骨折的小腿脊柱，CSC椎体成形术与PMMA或CPC椎体成形术相比具有相似的椎体刚度。虽然CSC的增强部分获得了VBs的强度，但由于其生物活性，这种治疗仍然可以与其他器械一起应用于胸腰椎爆裂
5、骨折。关键词:硫酸钙水泥；爆裂性骨折；生物力学；椎体成形术胸腰椎爆裂骨折是临床上常见的脊柱外伤。 后路短节段椎弓根螺钉内固定是一种常用的手术治疗方法，但由于内固定失败率高1，越来越受到重视。 椎弓根螺钉联合椎体成形术是最近广泛报道的手术方法，但椎体填充材料主要是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和自体松质骨2。由于这些材料的缺陷，很难保证手术安全性和术后疗效。 硫酸钙骨水泥是一种新型骨移植材料，主要用于填充长骨松质骨区的骨缺损，国内外尚无爆裂性骨折的报道。 本实验在小牛胸腰椎爆裂骨折模型上分别进行CSC、磷酸钙骨水泥(CPC)和PMMA椎体成形术，比较三种骨水泥椎体成形术的生物力学性能，探讨CSC椎
6、体成形术的临床应用价值。 材料与方法1.1实验材料从胸腰段(T11 L1)采集新鲜雄性洞胎牛16头(体重32 41 kg，平均37 kg，均在出生后1 5天内宰杀)，X线片排除先天性骨骼发育不良和畸形(图1)。 取出肋骨及附着的肌肉组织，保持椎间韧带和关节突关节完整，用双层塑料袋密封后放入-20冰箱中。保质期15 45天，平均24天。 1.2实验步骤1.2.1胸腰椎爆裂性骨折模型的制备实验过程中，取出标本，室温(20)解冻24小时。 其中取12个标本，用游标卡尺(精度:0.02 mm)测量T12椎体前缘高度，记录为完整椎体高度(提示)。 以T12为中心，将T11和L1包埋在直径9 、厚度3 的
7、环氧树脂中，仅暴露中间椎体及其上下椎间盘，上下底面保持平行并成角度。 采用Panjabi等人3推荐的“自由落体分步冲击法”制备爆裂断裂模型:将试件置于一根高100 cm、直径10 cm的垂直PVC管底部，用一个质量为9.0 kg的锤子从初始高度50 cm处自由落体撞击试件顶部；如果T12完好无损，则以10 cm的梯度逐渐增加锤高，以增加冲击能量，直至T12爆裂骨折，冲击能量可根据公式”计算。g是重力加速度；h是撞击高度，单位为米)。 骨折发生后，提起锤子，测量此时爆裂椎体前缘的高度，记录为骨折后高度(HFr) 将标本水平放置，拉动两端混凝土圆柱体使爆裂椎体充分复位(T12)，再次测量骨折椎体前
8、缘高度，记为复位后高度(HRe)。 1.2.2椎体成形术:将12个爆裂骨折标本随机分为A、B、C组，其余4个完整标本分为D组，即对照组。 使用脊柱穿刺针(美国Wright公司，针芯直径3.2 mm，尾部可连接配套注射器)，在C型臂x光机的引导下，经双侧椎旁椎弓根穿刺骨折椎体的空腔。 骨水泥填充材料如下:A组注射CSC(美国莱特医疗器械公司，MII GX 3系)；B组为CPC(上海瑞邦生物材料有限公司)；C组为PMMA(天津合成材料工业研究所) 当阻力增大或骨水泥即将从骨折线间隙漏出时停止注射，骨水泥剂量可从注射器上读出。 将标本用湿毛巾包好，放入37培养箱中1小时，然后取出测量此时椎体前缘的高
9、度，记录为椎体成形术后的高度(人乳头瘤病毒) 1.2.3生物力学测试:去除16例标本与T11、L1、T12椎体相连的椎间盘组织，仅保留T12椎体。 将试样水平放置在材料试验机(MTS880升级版，南京工业大学机械工程学院材料疲劳实验室)的夹具上 单椎体以垂直恒速加载，预加载50 N，以消除标本松弛或蠕变的影响。加载速度为0.5毫米/秒，以100赫兹的频率记录载荷和位移数据。 所有标本都被加载到50%的椎体高度(人乳头瘤病毒)4，并进行破坏性生物力学测试。 根据每条荷载-位移曲线的拐点和斜率，可以得到每组试件的极限抗压强度和刚度。 1.2.4影像学观察:对a、b、c组标本进行DR(美国GE公司:
10、XR/d)摄影和CT(美国GE公司高速单排螺旋CT)扫描，确保靶椎体形成爆裂性骨折(图2)；椎体成形术后再次进行DR摄影和CT扫描，观察三种骨水泥的灌注效果。 1.2.5统计方法:采用SPSS 11.5软件包进行统计分析，数据以均数标准差表示，两两比较采用不成对T检验，单因素方差分析；用于组间比较；P 2出菇2.1冲击能量与爆裂骨折模型的制备由于逐渐增加锤高来控制冲击能量，提高了模型制备的成功率。 在本实验中，当冲击高度为0.5 m时，所有试样保持完整。冲击高度为0.6 m，只有一个试样形成爆裂断裂。当高度上升到0.7 m和0.8 m时，形成爆裂断裂模型的试件数分别为4个和7个。 平均撞击高度
11、为0.75 m0.07 m，平均撞击能量为66.2J6.0J。 2.2椎体高度的测量结果胸腰椎爆裂骨折后，伤椎高度丢失，椎体前缘高度丢失最为显著。因此，本实验选取骨折前(HInt)、骨折后(HFr)、复位后(HRe)和椎体成形术后(人乳头瘤病毒)的椎体前缘平均高度作为参考指标，评价手法牵引复位和椎体成形复位的效果。具体结果见表1。 表1椎体前缘高度比较注:A、B、C 3组中，HFr和HInt、HRe和人乳头瘤病毒采用非配对T检验，P0.05，组间无统计学差异。 2.3椎体成形术中CSC、CPC和PMMA的注射量分别为4.4ml0.8ml、3.7ml0.7ml和4.0ml0.6ml，两组无统计学
12、差异(P = 0.42)。椎体成形术前后各组标本的影像学观察(图3)显示，在上述注射量下，三种骨水泥均能有效填充损伤椎体，恢复椎体形状，重建椎体。 2.4生物力学测试结果:所有16个样本都被加载到原始椎骨高度的50%(人乳头瘤病毒)。由于破坏性试验，加载的椎体发生不可逆的变形。 根据测试仪器在不同时间点记录的载荷和位移值，用graph pad-Prism 2.01软件绘制每组椎体的载荷-位移曲线，每条曲线上的拐点即为极限抗压强度值(图4)；计算载荷-位移曲线上每一点从300 N到椎体极限抗压强度50%的斜率。四组受试椎体的刚度、极限抗压强度和刚度取平均值后的结果见表2。 表2椎体极限抗压强度和
13、刚度注:极限抗压强度和刚度数据采用非配对T检验，*P，# p，P0.05匹配，无显著差异。图1小腿胸腰椎(T11 L1)图2 T12爆裂骨折复位后的正侧位X线片图2a正位图2b侧位 手法复位后，伤椎(T12)有明显骨缺损区。图3 CSC，CPC和PMMA椎体成形术后的DR照片和CT扫描结果。CSC椎体成形术后DR照片(3a)显示骨水泥填充效果满意，椎体外形恢复，ct扫描(3b)显示椎体内骨缺损填充满意，椎管内无明显渗漏。CPC椎体成形术后，DR照片(3c)显示骨水泥填充效果尚可，ct扫描(3d)显示椎体内有少量骨缺损区。(3e)PMMA椎体成形术后DR照片显示骨水泥填充效果良好，但椎体后缘骨水
14、泥渗漏较多，ct扫描(3f)也提示椎管内有渗漏。 图4 4组标本的典型载荷-位移曲线箭头表示每条曲线的拐点，即椎体的极限抗压强度(A、B、C、D分别为CSC组、CPC组PMMA组和非骨折对照组)3讨论3.1椎体成形术应用于爆裂骨折的理论基础胸腰椎爆裂骨折的影像学研究发现，椎弓根螺钉复位后，爆裂椎体内部仍有骨缺损， 特别是在椎弓根水平的前部(前柱区)，其体积约为椎体大小的1/45，形成所谓的“蛋壳椎”和“空心椎” 本实验中，小腿T12爆裂骨折前后的CT扫描结果也证实了上述现象。 研究表明，前柱的完整性将决定矢状塌陷和驼背的发生率6 胸腰椎爆裂骨折后路短节段内固定术后，由于伤椎骨缺损区持续存在，内
15、部新生骨不足或被纤维结缔组织填充，椎体机械强度下降，导致脊柱前柱失去支撑，内固定长期超负荷，易松动甚至断裂，局部后凸畸形复发。 临床上广泛使用的横突间植骨由于远离机械轴，容易被吸收。即使形成了骨桥，仍然难以消除椎体间的微动，因此不能有效防止断钉的发生。 由于椎弓根周长的限制，松质骨成形术因骨植入量少，难以到达骨缺损区，已被证明基本无效。 椎体成形术通过将医用骨水泥植入受伤椎体缺损区，恢复受伤椎体的力学性能，从而精确增强椎体，降低植入物的应力负荷，减少术后并发症。 椎弓根螺钉完全复位后，直视下椎体成形术不仅大大降低了手术难度，而且保证了椎体受压区完全打开后骨水泥对骨缺损区的有效填充(图3)。与横
16、突间植骨相比，对脊柱运动节段无干扰，为后期脊柱序列在矢状面的重建和稳定创造了条件。 3.2椎体成形术治疗胸腰椎爆裂骨折的现状及不足目前椎体成形术多采用PMMA和CPC作为人工骨替代材料，两者均具有良好的生物力学性能7 Cho等8辅助PMMA椎体成形术应用椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎爆裂骨折，术后疗效明显提高。经2.5年随访，患者后凸角度仅轻微丢失，未发现内固定松动或断裂。 Oner等9将CPC椎体成形术应用于胸腰椎爆裂骨折，取得了良好的术后效果。 但上面提到的两种材料都有各自的缺陷:PMMA生物相容性差，永远不会降解，受伤的椎骨永远不会愈合；此外，其强度远高于椎体骨，容易导致相邻椎体继发骨折10
17、，因此不适合中青年胸腰椎爆裂性骨折患者；CPC虽然可以生物降解，但是速度非常慢。一旦术中漏入椎管，会长期压迫脊髓或神经，造成严重后果。 3.3 CSC椎体成形术的临床应用价值CSC(CaSO41/2H2O)由CaSO42H2O在高压下加热。约13周后具有良好的组织相容性、可发育性、成骨诱导性和生物降解性11。它已被用于填充松质骨(如桡骨远端、胫骨平台等)中的骨缺损。)临床上。 Perry等人12的体外研究表明，在新鲜脊柱压缩骨折模型中，CSC椎体成形术可以完全恢复椎体的强度(108%)和部分刚度(46%)。 但上述结果是在压缩性骨折模型上测得的，比爆裂性骨折模型更能直观地检测骨水泥的力学性能。
18、 本实验建立小腿胸腰椎爆裂骨折模型，模拟椎弓根螺钉的复位效果，在全手工复位的基础上进行椎体成形术。 通过测量椎体高度，发现CSC能为椎体提供即刻支撑力量，术后维持椎体高度(19.09 mm/19.22 mm，99%)，与PMMA、CPC无异。 为了研究椎体成形术后的抗损伤能力，实验主要测试椎体的极限抗压强度和刚度，以评价CSC的生物力学性能。 结果表明，CSC椎体成形术后椎体的极限抗压强度(1 659N)低于PMMA(2 821 N)，是正常椎体(2 439N)的68.0%(T = 2.85，P = 0.029)，但高于CPC(1 011 N)(t=6.19，P 将CSC注入损伤椎体后，其刚度
19、(140 N/mm)也低于正常椎体的刚度(224 N/mm)(t=3.05，P=0.023)，但与PMMA和CPC相比无统计学差异(P0.05) 笔者认为，与新鲜人体标本测得的力学参数相比，小腿脊柱的某些参数小于前者13，但使用新生小腿脊柱标本可以最大程度地保证样本的均一性，避免人体标本的年龄、性别、体质等因素的差异对测量结果可能造成的影响和误差。 另外，本实验采用单椎体模型，椎体上终板垂直等速加载。为了测量准确，力学实验前去除椎间盘等软组织，有助于更好地反映椎体的力学特性。 虽然CSC椎体成形术后椎体强度低于正常椎体，但如果结合椎弓根螺钉等其他内固定方法，可以大大分担内固定的应力负荷，进而降
20、低松动和断裂的发生率。 此外，也有学者认为，椎体成形术后较小的椎体刚度可以减少相邻椎体的退变9，降低相邻椎体骨折的发生率，与PMMA相比有很大的优势。 结论综上所述，CSC椎体成形术可以重建椎体的强度，恢复受损椎体的力学性能，使用椎弓根螺钉治疗胸腰椎爆裂骨折是安全可行的。但由于该材料可降解吸收，能否替代PMMA用于骨质疏松患者的椎体压缩骨折，还需要进一步的体内实验研究。 1维拉安杰，迭克霍夫，布斯肯斯等.胸腰椎创伤性结构的外科治疗j.脊柱，2004年，29: 803-814。2袁虎，李阳，朱，等.后路椎弓根螺钉系统固定及经椎弓根人工骨植入治疗胸腰椎爆裂骨折J.中国骨科杂志，2005，18: 1
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