临床医学论文-胸腰椎骨质疏松骨折行CPC灌注成形的力学实验.doc

1、 临床论文-CPC灌注治疗胸腰椎骨质疏松性骨折的力学实验作者:石、胡婷、迟永龙、郭晓珊摘要:目的探讨磷酸钙骨水泥(CPC)注射椎体成形术对胸腰椎骨质疏松性骨折椎体的力学效应。 方法建立前屈方向加载的单椎体骨折模型，采用CPC成型加固胸腰椎骨质疏松骨折标本，并在骨折前后进行屈曲压缩力学实验。 结果椎体内注射CPC能明显恢复骨质疏松性骨折椎体的力学性能。 CPC灌注成型可以恢复骨质疏松胸腰椎标本的强度和刚度，分别提高16.92% (P 0.05)和22.31% (P 0.05)。 结论椎体内注射CPC能明显恢复骨质疏松性骨折椎体的力学性能。 关键词:骨质疏松；椎体压缩性骨折；椎体成形术；磷酸钙骨水

2、泥；自体磷酸钙骨水泥填充对胸腰椎骨质疏松性骨折的生物力学影响摘要:目的探讨磷酸钙骨水泥(CPC)对椎体的生物力学影响。方法用4具尸体标本制作脊柱单元。所有患者均接受轴向屈曲加载，导致椎体骨折。复位后，使用磷酸钙骨水泥(CPC ),通过椎体成形术加强中间骨折椎体。骨折前和椎体成形术后，所有标本进行生物力学测试。结果椎体间隙填充CPC后，椎体的强度和刚度分别比初始状态增加了16.92%(P0.05)和22.31%(P0.05)。结论骨小梁间隙内注入磷酸钙骨水泥，可显著恢复骨折椎体的强度和刚度。关键词:骨质疏松；脊椎压缩性骨折；椎体成形术；磷酸钙骨水泥；生物力学经皮椎体成形术用于治疗骨质疏松性椎体骨

3、折已近10年。 聚甲基丙烯酸甲酯是目前临床上最常用的注射材料之一，但它有一些缺点，如渗漏造成脊髓和神经根压迫；单体吸收引起低血压或脂肪栓塞；在持续载荷下，骨水泥的力学稳定性逐渐减弱，限制了其广泛应用。 自固化磷酸钙骨水泥(CPC)不仅具有良好的可塑性，而且具有良好的生物力学性能、骨传导性和可吸收性、生物相容性、可降解性，反应不发热，无毒性，可操作性好，可用于注射。它是一种具有生物学特性的新型人工骨材料1 本研究对CPC注射成型老年胸腰椎骨质疏松标本的生物力学性能进行研究，为临床治疗老年胸腰椎骨质疏松性骨折提供必要的实验依据。 材料与方法1.1标本制备4具甲醛固定的老年尸体胸腰椎标本，年龄65

4、72岁，平均69岁，男2例，女2例，身高162176 cm，平均166.5 cm，体重57 66 kg，平均62.5 kg。他们都是采取前后位x光片，以排除先天性畸形，骨折和肿瘤。 用美国Norland公司生产的XR36双能x射线吸收仪(DEXA)测量每个标本胸腰段的骨密度(BMD)(mg/cm2)。结果显示平均骨密度在860 mg/cm2以下，符合骨质疏松标本2 (见表1)表1胸腰椎标本BMD测量结果(mg/cm2) 1 2 3 4BMD 801 763 786 759测量每个椎体的BMD，然后用双层塑料袋包裹，保存于-20冰箱中。 试验前将其在室温(20)下解冻24小时，分离成单个椎体，然

5、后用湿生理盐水纱布包裹，再用塑料袋包裹，放入恒温(37)水槽(广东威士公司)中至少1小时后进行试验2，3 试剂:采用上海瑞邦公司生产的自固化磷酸钙。 1.2标本处理与固定:从每个标本中随机抽取6个椎体，去除两侧肌肉和软组织，去除后部结构，去除两端椎间盘和韧带残端，制成24个单椎体标本。 将试件放在专用夹具中，倒入PMMA，固定下端，保证两端水平(倾斜度1)，平整以提高测量精度，然后编号，测量几何尺寸，包装备用。 由于本实验是自加压前后的对照，可以很好地消除椎体标本的个体差异和节段差异。 1.3力学模型的建立胸腰椎标本，无论是单椎体标本还是椎体的功能节段，均造成前屈方向的压缩性骨折。 所有实验力

6、学模型在结构、载荷和力学性能上是一致的，都是新鲜试件或固定试件的真实模型。载荷为200 N，加载速度为5 mm/min。 在椎体的椎体被确定之后，它在向前弯曲的方向上被加载。 用专用夹具将试件上下固定在CMT4104多功能力学试验机(甘肃天水三思公司)上。 距椎体前皮质5 mm处作为加载点3 将单个椎体的后部结构从椎弓根移除，并放置在测试模具之间。在椎体上下两端嵌有薄薄的牙粉层，防止水平移动，当椎体塌陷或发生压缩性骨折时停止压缩4 椎体塌陷或压缩性骨折的判定标准是载荷-位移曲线出现峰值，即椎体的抗压力开始下降。 试验机的载荷信号由计算机记录，通过相应的测试分析软件计算出椎体的抗压强度(载荷-位

7、移曲线最高点的载荷值)和刚度(载荷为弹性范围内曲线的斜率)。 力学模型建立后，再进行正式试验，先进行预紧，以消除椎体和椎间盘的时效、松弛、蠕变等流变特性的影响。 然后正式加载收集到的数据。 1.4椎体内填充法:首先用2 mm的钻头在两侧椎弓根钻孔。注射针头通过椎弓根钻的孔进入椎体前部后，用其内芯通畅针，再连接注射器推骨水泥，一般可以轻松推入。遇到阻力时，可稍后推针或转针孔方向，或使用内芯通畅针。 所有椎体骨折都发生在加载端板下。通过椎弓根，用5 mL注射器的2 mm直径针头将CPC注入骨折间隙和椎体卸载后自动复位形成的间隙，尽可能填满椎体内的间隙，每个椎体约4 mL。 材料固化性能制备固液比为

8、2.51的CPC骨水泥，用5 mL注射器(针头内径2 mm)经椎弓根注入椎体骨水束间隙。注射后，将CPC骨水泥浸泡在含有生理盐水的37培养箱中。 1.5数据处理将本次实验测得的注射前后的最大载荷和刚度进行对比，配对数据进行T检验统计分析。数据用(S)法表示，差异显著，P 0.05。所有计算均采用SPSS11.0软件包进行。 2.2.1 CPC的注射性能和凝固性要求5 mL注射器注射力约为30 40 N，压力约为8 10 psi，小于文献中注射PMMA时的20 40 psi。 这充分证明了CPC的注射性能，完全没有必要添加其他成分来增强其注射性能。 骨小梁间隙中的磷酸钙骨水泥在30 45 min

9、内仍可固化。 2.2注入前后力学性能的变化见表2 4。 表2骨折间隙填充塑形后骨质疏松椎体标本力学性能的变化表3典型椎体骨折前载荷与位移的关系表4塑形后载荷与位移的关系2.3结果分析骨质疏松椎体压缩性骨折均发生在加载侧终板骨折下。 a)在相同载荷下，CPC修复后单个椎体的应变小于修复前，经统计有显著性差异(t = 6.37，p 0.05)，说明CPC修复后椎体的刚度大大提高，但应变降低。 说明CPC椎体塑形后变得坚硬，不易造成压缩变形。 b)从单个椎体的承载能力来看，平均能承受(1 95446) N，而CPC经过强化塑形后能承受(2 28534) N。显然，用CPC强化塑形后的单个椎体比原来的

10、要坚固得多，强度提高了16.92%，有统计学意义(t = 17.94，P 0.05)。 (见图1) c)从轴向刚度变化的结构来看，CPC增强的单个椎体轴向刚度增加了22.31% (t = 13.79，p 0.05)。 (见图2)图1骨质疏松椎体骨折间隙填充塑形前后最大载荷的变化图2骨质疏松椎体骨折间隙填充塑形前后刚度的变化3讨论椎体力学性能下降时，骨质疏松椎体骨折发生在轻微外力或自重作用下。 椎体最重要的生物力学指标是最大载荷和刚度。 最大载荷反映椎体的承载能力，刚度是指椎体在轴向载荷下抵抗变形的能力。 当椎体的压缩载荷超过其最大载荷时，椎体发生压缩性骨折。 椎体的最大载荷和刚度与骨密度呈显著

11、正相关。骨质疏松发生时，骨密度降低，椎体最大载荷和刚度降低，容易发生骨折。 经皮椎体成形术用于将CPC自固化磷酸钙注射到骨质疏松椎体和骨质疏松压缩骨折椎体内。理论上，CPC可以在骨小梁之间扩散和填充，以稳定骨折的骨小梁，帮助支撑和分担应力，并通过改善椎体的力学性能来达到治疗效果5，6 在这个实验中，选择了老年女性尸体。根据骨质疏松椎体压缩骨折多发生在胸腰段的临床情况，采用胸腰段椎体进行椎体成形术和力学测试7 由于标本数量的限制，采用旧甲醛固定标本。 本实验为自身对照法，不会影响实验结果。 标本经双能X线骨密度仪检测符合骨质疏松标准，并测量骨折间隙填充塑形后骨质疏松椎体力学性能的变化。从单个椎体

12、的承载能力来看，经CPC强化塑形后的单个椎体比原椎体强度大得多，强度提高了16.92%，差异显著。从轴向刚度的变化结构可以看出，CPC加固后的单个椎体轴向刚度比原来提高了22.31%。 因此，通过本实验，可以证实椎体内注射CPC自固化磷酸钙可以增强其最大载荷和刚度，提示临床经皮椎体成形术在治疗椎体压缩性骨折时可以强化椎体，改善力学性能。 骨质疏松单椎体的位移开始呈线性变化，然后随着载荷的增加，应变呈非线性关系，是典型的椎体应力应变规律。 这是因为松质骨依靠其网状结构来维持自身的机械强度。当载荷增加到断裂点时，松质骨开始断裂，表现为骨小梁间隙结构的塌陷。此时，载荷-位移曲线处于平台期。随着大量骨

13、小梁间隙的塌陷，松质骨被压实，其机械强度重新恢复，载荷-位移曲线处于上升期。 在相同载荷下，CPC修复后单个椎体的应变小于修复前，说明CPC修复后椎体的刚度大大提高，但应变降低。 说明CPC椎体塑形后变得坚硬，不易造成压缩变形。 CPC具有良好的粘附性。CPC固化后与骨紧密接触，起到粘结和固定骨折块的作用。 本实验利用其与骨的紧密接触和远高于松质骨的快速凝固性能和力学性能，填充椎体内的缺损和裂隙，使骨折椎体既能保持椎体外部结构，又能恢复内部完整结构，起到内夹板的作用，阻止骨折部位之间的移动和椎体内的微动。CPC本身作为一种传导力量，提供了一个有利于愈合的稳定环境。 注入椎体骨质疏松的CPC材料

14、的力学性能也与注射部位有关。 椎体三角区存在薄弱区，在椎体三角区进行塑性强化时椎体不易骨折。老年人骨质疏松多见于终板下(尤其是上终板)的骨折，所以这部分应该是椎体成形术的重点部位。从这个实验中可以发现，CPC注入椎体后，如果在椎体的上下终板之间形成柱状结构，用很小的剂量就可以恢复原有的力学性能。 本组实验数据均来自老年尸体胸腰椎骨质疏松标本，其力学分析均为即时测试结果。椎体内注射自固化磷酸钙椎体成形术，可瞬间加固和稳定受损椎体，并填充受损椎体孔隙，避免纤维组织填充，使骨骼有爬行替代的空间。CPC在椎体内的长期降解和生物力学性能的变化需要进一步的动物实验来证实。 用这种方法成形的骨折椎体，塌陷的

15、松质骨和CPC的力学性能高于正常的松质骨结构，因此成形椎体的力学性能优于骨折前的原椎体。 通过本实验可以证实，CPC灌注成型后可以增强骨质疏松胸腰椎标本的最大载荷和刚度，明显恢复骨折椎体的力学性能。 提示临床经皮椎体成形术在治疗椎体压缩性骨折时，可强化椎体，改善力学性能。 参考文献:1 Nakano M，Hirano N，Matsuura K，等.磷酸钙骨水泥经皮椎弓根椎体成形术治疗骨质疏松性椎体压缩和爆裂骨折J.神经外科杂志，2002年，97:287293。2贝尔科夫，马西斯JM，贾斯珀勒，等.椎体成形术用羟基磷灰石骨水泥的体外生物力学评价J.脊柱，2001，26:15421546。3托赫梅

16、，马西斯JM，芬顿DC，等.单椎弓根与双椎弓根椎体成形术治疗骨质疏松性压缩性骨折的生物力学疗效比较J.脊柱，1999，24:17721776。4白波，莱斯M，弗雷德里克J，等.一种可注射的、可生物降解的磷酸钙骨替代物在骨质疏松性椎骨预防性增大和椎骨压缩性骨折治疗中的应用J.脊柱，1999年，24:1521 1526。5 Belkoff SM，Maroney M，Fenton DC，等.经皮椎体成形术中骨水泥的体外生物力学评价J.骨头1999，25:2326。6贝尔科夫，马西斯JM，德拉蒙德，等.一种羟基磷灰石骨水泥在椎体后凸成形术中的体外生物力学评价J.美国神经放射学杂志，2001，22:12121216。7威尔森博士，梅尔斯尔，马西斯JM，等.增强对椎体楔形骨折力学的影响J.脊柱，2000，25:158165。