經(jīng)皮椎體成形術(shù)和后凸成形術(shù)的充填材料及生物力學(xué)研究進(jìn)展
脊柱椎體的壓縮性骨折是骨質(zhì)疏松患者最常見的并發(fā)癥，嚴(yán)重的椎體壓縮性骨折保守治療5 a內(nèi)死亡率可達(dá)23％～34％，目前常用的手術(shù)治療包括椎體撐開后單純植骨固定和（或）同時進(jìn)行堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定材料進(jìn)行固定等，手術(shù)創(chuàng)傷大，并發(fā)癥也多。經(jīng)皮椎體成形術(shù)（percutaneous vertebroplasty，PVP）與后凸成形術(shù)（percutaneous kyphoplasty，PKP）是脊柱外科近來發(fā)展迅速的一項(xiàng)新型微創(chuàng)外科技術(shù)，通過經(jīng)皮向壓縮骨折椎體內(nèi)直接注入（PVP）或者先通過球囊擴(kuò)張?jiān)僮⑷耄≒KP）骨水泥等填充物，從而增強(qiáng)病變椎體的力學(xué)穩(wěn)定性，臨床應(yīng)用證實(shí)其有穩(wěn)定可靠、迅速有效的治療效果，且并發(fā)癥少，但到目前為止長期臨床隨訪資料還不足，椎體成形術(shù)后脊柱生物力學(xué)的研究也發(fā)現(xiàn)了一些問題，椎體成形技術(shù)還需要不斷的改進(jìn)和探索，特別是材料的發(fā)展對減小椎體成形術(shù)的并發(fā)癥發(fā)生率和改善術(shù)后脊柱的生物力學(xué)特性起著關(guān)鍵的作用。
1 PVP和PKP的充填材料研究進(jìn)展
應(yīng)用于椎體成形的充填材料主要包括注射型聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）、復(fù)合骨水泥如玻璃陶瓷強(qiáng)化復(fù)合骨水泥（Orthocomp）、Cortoss（Orthovia）、Hydroxyapatite composite resin（Kuraray）以及可生物降解的骨水泥如天然珊瑚骨替代物和磷酸鈣骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）等。
11 PMMA
具有粘稠度低，容易灌注，能快速提供需要的椎體強(qiáng)度和剛度，價格較便宜等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在仍是目前臨床上椎體成形術(shù)較常用的材料，但其有一定的局限性：（1）粘滯性較低，滲漏是最常見的并發(fā)癥，向后方滲漏入椎管可壓迫脊髓，嚴(yán)重時可滲漏入血管沿靜脈回流引起肺栓塞，甚至導(dǎo)致患者死亡；（2）放熱反應(yīng)：PMMA聚合時產(chǎn)熱可對周圍組織造成熱燒傷，有研究顯示骨水泥聚合時的溫度在椎體前部達(dá)44～113 ℃，在椎體中心達(dá)49～112 ℃，椎管內(nèi)達(dá)39～57 ℃，而溫度超過50 ℃的滯留時間分別可達(dá)55、8min和25 min〔1〕；（3）缺乏骨傳導(dǎo)性和生物活性，無法生物降解，后期可出現(xiàn)骨水泥與骨質(zhì)界面的松動；（4）PMMA注射后的椎體與臨近椎體的力學(xué)強(qiáng)度差異大，易導(dǎo)致臨近椎體的骨折;（5）有毒單體的釋放和PMMA碎屑的作用使細(xì)胞的生長、DNA的合成和糖代謝受到抑制而具有細(xì)胞毒性，其單體毒性可引起患者血壓驟降，從而引起患者猝死的可能。另外，還有致敏、局部組織抗感染能力降低、致腫瘤等不良反應(yīng)。為了提高其機(jī)械性能和生物相容性，近年已有將具有生物活性的無機(jī)顆粒或纖維增強(qiáng)的高分子骨粘合劑加入PMMA來提高其生物相容性的報(bào)道，但仍然不滿意，其機(jī)械強(qiáng)度降低較快。
12 復(fù)合骨水泥
如Orthocomp、Cortoss、Hydroxyapatite composite resin（Kuraray）等與PMMA具有相似的基本性質(zhì)，但較PMMA有更合適的粘稠度、X線的不透射性、硬化快、產(chǎn)熱低、具有更好的力學(xué)性能、生物活性及骨誘導(dǎo)性等優(yōu)點(diǎn)。Cortoss是一種新型合成骨腔填充物，容易彌散進(jìn)入松質(zhì)骨，彈性模量與骨相近。Orthocomp是一種玻璃陶瓷增強(qiáng)的多種基質(zhì)復(fù)合物骨水泥，雖然為不可吸收材料，但其具有親水性的表面，使骨水泥可以通過化學(xué)鍵與松質(zhì)骨連結(jié)。Jasper等研究發(fā)現(xiàn)Orthocomp的強(qiáng)度和剛度是PMMA骨水泥的2倍左右〔2〕。Belkoff等也研究表明Orthocomp對椎體的強(qiáng)度和剛度都有較好的恢復(fù)。Lu等介紹了一種含鍶羥基磷灰石粉末和BisGMA（bisphenol A diglycidylether dimethacrylate）的復(fù)合骨水泥，在動物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭羞M(jìn)行30 000和20 000次的疲勞載荷測試后，骨水泥成形椎體的剛度與對照組相比分別下降75％和56％，平均抗壓極限載荷分別為5 056 N和5 301 N〔3〕。
13 磷酸鈣類骨水泥（CPC）
CPC具有任意塑形、自行固化、生物相容、逐步降解等特性，較PMMA有更好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性和粘滯度。新骨的替代方式由CPC的表面向深層逐漸推進(jìn)，6個月時平均長入深度為6 mm，12個月時為114 mm。CPC可能是椎體成形術(shù)更好的注入材料，但在體內(nèi)的應(yīng)用及長期生物力學(xué)和生物效應(yīng)還需要進(jìn)一步的研究〔4、5〕。Heini和Lim等〔6、7〕研究認(rèn)為CPC及改良的CPC在體內(nèi)成形過程中產(chǎn)熱明顯減少，并且具有良好的彌散能力，可以明顯增強(qiáng)骨質(zhì)疏松椎體的抗壓強(qiáng)度和剛度。其本身的強(qiáng)度低于正常椎體，但高于骨質(zhì)疏松椎體，在成形術(shù)后可以減小因椎體的剛度變化而導(dǎo)致上下緣椎體骨折的幾率〔8〕。CPC固化后的微孔結(jié)構(gòu)具有引導(dǎo)新骨形成能力，但無誘導(dǎo)成骨活性，生物活性CPC利用其固化過程溫和的特性，將骨形態(tài)生長蛋白BMP與CPC均相負(fù)荷，使材料在充填修復(fù)的同時加速CPC的降解和促進(jìn)成骨作用。然而，Heini等認(rèn)為CPC的生物降解也會導(dǎo)致相應(yīng)的問題，治療骨質(zhì)疏松椎體壓縮骨折時，骨水泥快速吸收會削弱椎體并導(dǎo)致其進(jìn)一步塌陷〔9〕。
Cunin應(yīng)用一種具有多孔狀結(jié)構(gòu)的天然珊瑚加入骨誘導(dǎo)因子BMP進(jìn)行研究，認(rèn)為顆粒狀的天然珊瑚具有可注射性、生物相容性和骨誘導(dǎo)性，但其生物力學(xué)特性還需進(jìn)一步研究〔7〕。最近有報(bào)道用MMA（methyl methacrylate）處理的SrHAC（strontiumcontaining hydroxyapatite cement）對椎體剛度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和楊氏系數(shù)的恢復(fù)都具有很好的效果〔10〕。
2 PVP和PKP的生物力學(xué)研究
椎體成形術(shù)的短期療效十分令人鼓舞，也推動了PVP和PKP在臨床的發(fā)展，Garfin等報(bào)道了從1998年10月～2000年5月由多家醫(yī)院參與的臨床研究結(jié)果，共340例，603個椎體，隨訪最長18個月，超過90％的患者癥狀改善。有人對13例經(jīng)過經(jīng)皮椎體成形術(shù)的患者進(jìn)行了長達(dá)5 a的隨訪觀察，結(jié)果臨床療效顯著，5 a的長期隨訪發(fā)現(xiàn)VAS（visual analogue scale）評分略升高，但仍然明顯低于術(shù)前水平，未發(fā)現(xiàn)成形椎體的進(jìn)一步壓縮〔11〕。近年來對于椎體成形術(shù)后脊柱的生物力學(xué)研究顯示椎體成形術(shù)后對于脊柱整體特別是臨近椎體的影響還是顯著的。對椎體成形術(shù)后脊柱的生物力學(xué)研究對于正確應(yīng)用椎體成形術(shù)十分有幫助，并對臨床應(yīng)用進(jìn)行正確的指導(dǎo)。
21 術(shù)后骨折椎體的生物力學(xué)性質(zhì)
PMMA或磷酸鈣椎體成形后的生物力學(xué)研究證實(shí)骨折椎體成形后的穩(wěn)定性參數(shù)顯著提高〔12〕，可防止椎體的進(jìn)一步塌陷和變形。椎體壓縮骨折后降低了運(yùn)動節(jié)段的椎體壓縮強(qiáng)度，增加后柱的負(fù)荷而引起疼痛，通過對尸體模型的測量發(fā)現(xiàn)病變椎體后柱的壓力負(fù)荷在屈曲時增高21％、42％，后伸時增加39％~68％，椎體成形術(shù)后則使脊柱屈曲時后柱的壓力負(fù)荷減小26％，后伸時減小61％，結(jié)果示椎體骨折前和成形術(shù)后的神經(jīng)弓壓力無明顯差異，全部或部分的逆轉(zhuǎn)了后部結(jié)構(gòu)的壓力負(fù)荷，從而使疼痛癥狀立即緩解〔13〕。
22 充填材料與骨折椎體生物力學(xué)的關(guān)系
基于骨水泥注入越多椎體可以得到更好強(qiáng)化的觀念，有些臨床醫(yī)生在病變椎體內(nèi)注入最大劑量的骨水泥來提高其椎體抗壓強(qiáng)度，有人報(bào)道在尸體標(biāo)本中可以注入椎體容積70％的骨水泥〔14〕。椎體成形后的強(qiáng)度越大，對上下位椎體的應(yīng)力也越強(qiáng)，使臨近椎體的骨折發(fā)生率增高，特別是在高齡骨質(zhì)嚴(yán)重疏松患者。成形術(shù)后臨近椎體有抗壓縮力下降及椎體間移位等改變，并且臨近椎體抗壓力下降的程度與成形術(shù)時注入的骨水泥量相關(guān)〔15、16〕。是否注入的骨水泥量越大，椎體的抗壓強(qiáng)度和剛度就越高?Molloy,S等對120個椎體（T6~L5）注入2~8 ml不等量的骨水泥，研究發(fā)現(xiàn)注入量與椎體抗壓強(qiáng)度和剛度的恢復(fù)只有弱相關(guān)（r2分別為021和027），抗壓強(qiáng)度和剛度的恢復(fù)平均只需要注入椎體容積的162％和298％〔17〕。注入的骨水泥量越大，滲漏的幾率則越高。Belkog等〔18〕人對骨質(zhì)疏松女性尸體的椎體建立壓縮性骨折模型，用Orthocomp或Simplex P作為充填材料，結(jié)果僅需2 ml即可恢復(fù)椎體的壓縮強(qiáng)度，而椎體剛度的恢復(fù)與水泥充填容量缺乏相關(guān)關(guān)系。減小骨水泥的注入量同時可縮短注入時間，明顯降低骨水泥滲漏的危險(xiǎn)。也有人報(bào)道椎體成形術(shù)后椎體剛度的恢復(fù)與注入的骨水泥量相關(guān)，14％容積的骨水泥就可滿足剛度恢復(fù)的要求，30％容積的骨水泥注入則可使剛度明顯增加，使臨近椎體的骨折危險(xiǎn)增加〔19〕。
不同的充填材料對椎體生物力學(xué)性質(zhì)的影響也有不同。Belkoff等人先后對Simplex P，Cranoplastic，Osteobond，Orthocomp等不同材料進(jìn)行椎體成形術(shù)后的椎體生物力學(xué)研究，結(jié)果顯示Simplex P、Osteobond及Orthocomp能有效恢復(fù)椎體的剛度和壓縮強(qiáng)度，而Cranoplastic則僅能增加壓縮強(qiáng)度，不能恢復(fù)椎體的剛度，且在剛度的恢復(fù)程度上Orthocomp優(yōu)于Simplex P〔20、21〕。新型材料CPC能明顯恢復(fù)骨質(zhì)疏松椎體的抗壓強(qiáng)度，對剛度的恢復(fù)也較好，CPC的微孔結(jié)構(gòu)可以使新骨長入，使其具有更好的生物相容性。對羥基磷灰石骨水泥（HA）充填椎體后的生物力學(xué)測試表明其對壓縮強(qiáng)度的恢復(fù)滿意，但對剛度的恢復(fù)作用小。MMA處理的SrHAC不僅有利于界面的融合，對椎體剛度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和楊氏系數(shù)的恢復(fù)都具有很好的效果，而且明顯優(yōu)于單純的SrHAC〔10〕。
23 PVP和PKP兩種術(shù)式的生物力學(xué)比較
Belkoff等先后兩次進(jìn)行了關(guān)于后凸成形術(shù)的體外生物力學(xué)檢測，發(fā)現(xiàn)無論在有無載荷的情況下后凸成形術(shù)均能部分恢復(fù)椎體的高度，恢復(fù)椎體的強(qiáng)度。它在無載荷的情況下可以恢復(fù)丟失高度的97％，而椎體成形術(shù)僅能恢復(fù)30％，兩種方法都能明顯增強(qiáng)椎體的強(qiáng)度。Belkoff對16個椎體隨機(jī)分為PVP和PKP治療組，結(jié)果顯示PKP組能恢復(fù)椎體的起始剛度，而PVP則不能，PKP與PVP相比，不僅能有效恢復(fù)椎體的高度，而且能恢復(fù)椎體的壓縮強(qiáng)度和剛度〔22〕。但也有不同觀點(diǎn)，Tomita等對30個骨質(zhì)疏松椎體隨機(jī)分為4組：（1）PKP+CPC；（2）PKP+PMMA；（3）PVP+CPC；（4）PVP+PMMA，術(shù)前及術(shù)后對椎體強(qiáng)度和剛度的分析顯示各組對椎體強(qiáng)度的恢復(fù)都較好，但對椎體剛度的恢復(fù)PKP組不及PVP組〔23〕。對于PVP和PKP術(shù)后的生物力學(xué)差異還有待進(jìn)一步研究。
24 預(yù)防性應(yīng)用椎體成形術(shù)可行性研究
水平骨小梁的丟失和骨小梁間空隙的增大降低了椎體的壓縮強(qiáng)度，這與骨礦物質(zhì)含量和密度高度相關(guān)，椎體成形術(shù)的確切療效也僅在骨折疏松性骨折中發(fā)現(xiàn)，術(shù)后椎體的抗壓能力能夠通過注入骨水泥而顯著增強(qiáng)，但在正常BMD（bone mineral density）的椎體，成形術(shù)前后則沒有明顯差別。Skos Pheumaticos等對4個新鮮脊柱共40個正常椎體進(jìn)行椎體注入了PMMA與不注入PMMA的生物力學(xué)研究顯示未進(jìn)行成形術(shù)的椎體最大負(fù)荷為（6 72402±3 29170）N，然而注入了PMMA的椎體最大負(fù)荷為（5 770504±2 13372）N，兩組間統(tǒng)計(jì)學(xué)上無明顯區(qū)別。這提醒對有椎體骨折高危患者進(jìn)行預(yù)防性的椎體成形術(shù)治療可能是不可取的〔24〕。在骨折椎體上下緣椎體注入適當(dāng)?shù)墓撬鄟砭徑庾刁w間強(qiáng)度差異，是否可以減少因?yàn)樽刁w間應(yīng)力不平衡導(dǎo)致的骨折以及是否能夠更有效的維持脊柱的生物力學(xué)穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步的研究。但對于有嚴(yán)重骨質(zhì)疏松患者的椎體壓縮性骨折，也有在包括骨折椎體共4個椎體注入PMMA（其中骨折椎體為T6、7，注入骨水泥椎體T6~9）〔25〕。近來陸續(xù)有對骨質(zhì)疏松患者預(yù)防性注入骨水泥來提高椎體強(qiáng)度可行性的研究。Sun,K等研究發(fā)現(xiàn)，對高危患者注入至少椎體容積20％的骨水泥才能有效減少其骨折風(fēng)險(xiǎn)，而對中等程度危險(xiǎn)度患者則需要注入椎體容積5％～15％的骨水泥，而這種預(yù)防性治療和骨折后進(jìn)行椎體成形術(shù)治療的并發(fā)癥發(fā)生率并無太大區(qū)別〔26〕。
25 椎體成形術(shù)后臨近椎體的生物力學(xué)改變
對椎體成形術(shù)后的生物力學(xué)研究同時發(fā)現(xiàn)其不足之處，特別是對上下緣椎體的影響較為明顯。椎體成形術(shù)的目的為最大程度上的恢復(fù)壓縮椎體的剛度和抗壓強(qiáng)度，但對椎體強(qiáng)度的恢復(fù)或增強(qiáng)，可能是臨近椎體骨折的重要原因，因其可使上下緣椎體所受壓力升高〔27〕。
Bertemann等對10例人體新鮮標(biāo)本相鄰椎體共20對，隨機(jī)分成2組，一組下緣椎體注射PMMA，另一組設(shè)為對照，對上緣椎體負(fù)荷的生物力學(xué)研究顯示，2組上緣椎體在低于臨界負(fù)荷下與對照組無明顯差別，但在臨界負(fù)荷時實(shí)驗(yàn)組壓力平均低于對照組19％，在實(shí)驗(yàn)組中，骨折總發(fā)生在成形椎體的上緣椎體〔28〕。臨床上也有椎體成形術(shù)后上下臨近椎體骨折的報(bào)道〔15、29〕。在APerezHigueras等對13例經(jīng)過經(jīng)皮椎體成形術(shù)的患者進(jìn)行5 a長期隨訪觀察得出臨床療效顯著的同時也發(fā)現(xiàn)有2例發(fā)生臨近椎體骨折〔11〕。對1組平均年齡74歲的椎體成形術(shù)后患者研究顯示，臨近椎體發(fā)生骨折概率每年遞增66％。其下緣椎體有一個或多個椎體骨折時，第1 a發(fā)生骨折的危險(xiǎn)性提高了約5倍，在椎體骨折后的1 a里發(fā)生新的骨折的概率約192%〔30〕。
如前所述，椎體骨折可能與臨近椎體的強(qiáng)度增加有關(guān)。對L4、5椎體的研究發(fā)現(xiàn)椎體成形術(shù)后堅(jiān)硬的骨水泥對椎體上緣的終板造成約7％的壓縮，使椎間盤內(nèi)壓力較正常增高了19％，特別是在脊柱負(fù)荷增高時，椎間關(guān)節(jié)活動度下降11％，上緣椎體下終板內(nèi)凸增加17％，這可能是導(dǎo)致成形術(shù)后臨近椎體骨折的原因〔31〕。由于患者術(shù)后疼痛的減輕，改變了生活方式，脊柱運(yùn)動量和負(fù)荷增加，也使椎體骨折的幾率增加。同時與成形術(shù)后椎體臨近的椎間盤內(nèi)壓力升高也使椎間盤突出的危險(xiǎn)性增加。
不同材料的使用對臨近椎體生物力學(xué)影響不同。一般而言，松質(zhì)骨彈性模量為168 MPa，PMMA則為2 700 MPa，CPC彈性模量在180 MPa左右，CPC較PMMA在避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)和載荷傳遞異常以及減少相鄰椎體繼發(fā)骨折方面有優(yōu)越性。有研究顯示CPC椎體成形后，相鄰椎間盤應(yīng)力沒有明顯變化，應(yīng)力遮擋和異常載荷傳遞效應(yīng)甚微，相比PMMA、CPC椎體成形術(shù)在降低相鄰椎體骨折發(fā)生率方面有潛在的優(yōu)勢。
到目前為止，對椎體成形術(shù)后與未進(jìn)行椎體成形術(shù)時對臨近椎體發(fā)生骨折的危險(xiǎn)性是否增高還未見完全隨機(jī)試驗(yàn)的研究，然而臨近椎體的骨折也許是嚴(yán)重骨質(zhì)疏松的自然進(jìn)程，特別是臨近椎體有相似的機(jī)械和形態(tài)學(xué)特征。但近來相繼有報(bào)道椎體成形術(shù)后臨近椎體的力學(xué)性質(zhì)下降，可能增加骨折的危險(xiǎn)性。填充材料的發(fā)展可以有效增強(qiáng)骨折椎體的抗壓能力和維持良好的形態(tài)學(xué)特征，并可能使骨折椎體的生物力學(xué)性質(zhì)恢復(fù)到最佳的狀態(tài)。
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