動物骨質疏松模型椎體成形術中復合應用骨水泥與同種異體骨療效觀察

張賢森，王志坤，謝文偉，李再學，余穎鋒

我國骨質疏松椎體壓縮骨折發病率隨著人口老齡化發展趨勢逐年上升，臨床上此癥治療手段主要有椎體成形術（PVP）和球囊成形術（PKP），但是病人術后容易再發骨折［1］。尋求一種既能有效緩解疼痛又能降低鄰近節段再骨折發生新型骨填充物是臨床研究者們一直努力重點［2］。制作適合椎體成形材料必須具備以下特點：力學支撐性好，具有骨傳導以及誘導活性，具有可吸收性質生物活性［3-4］。目前應用于臨床椎體成形材料由于生物活性以及成骨活性差等原因使其應用受到限制。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥和其他生物材料復合相關報道使骨水泥與同種異體骨復合相關設想成為可能［5］，但是目前尚沒有相關報道。本研究通過將臨床上現有兩種骨科填充材料Mendec 骨水泥與Biogene 同種異體骨1∶1 組合作為椎體強化填充物，將這種同種異體骨組合組應用于小牛椎體骨質疏松模型PVP術中，為后期臨床使用高強度填充物材料替代探究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料選取2019年1—5月期間醫院動物中心獲得10具同種新鮮小牛脊柱椎體標本上取40例胸腰椎體標本（T9-L4），X 線檢查證實沒有任何畸形、腫瘤及骨折發生，將胸腰椎體標本附近軟組織去除，每三個椎體及兩個椎間盤為一單元，自椎間盤處離斷，采用美國Norland公司生產雙能X線骨密度測試儀測定標本椎體骨密度，隨后將標本使用雙層塑料袋包裹后保存于-20 ℃冰柜，進行實驗前1天置于4 ℃冰箱予以解凍。

1.2 小牛椎體骨質疏松骨折模型的制備在小牛腰椎椎體雙側橫突與關節突外緣水平線交界位置作一直徑和深度分別為6.5 mm和40 mm孔，使用注射管在微量注射泵幫助下經由椎弓根向椎體注入3%稀鹽酸進行脫鈣處理，灌注速度為40 mL/h，時間持續12 h，另—側采用相同方式制作骨質疏松模型，于脫鈣操作處理前后測量骨密度，兩次骨密度差異有統計學意義（P＜0.05），表示骨質疏松椎體模型建立成功。椎體前、后、左、右高度測定使用游卡尺，每個椎體通過牙托掩埋固定，使用通過自制裝置以10 mm/min加載速度予以壓縮，壓縮加載軸線選取椎體前方皮質后緣5 mm處，在椎體前緣壓縮25%時停止壓縮，造成椎體前緣壓縮性骨折。

1.3 椎體成形術40 例小牛椎體骨質疏松模型，按照隨機分組法分為2組，每組各20例小牛椎體骨質疏松模型，分別為單一骨水泥組、骨水泥+同種異體骨組，分別使用Mendec骨水泥、Mendec骨水泥與Bio-gene 同種異體骨1∶1 組合進行椎體成形。Mendec 骨水泥（意大利 Tecres S.P.A）與Bio-gene 同種異體骨（北京大清生物技術有限公司）粉末以1∶1質量混合（按照水和粉體積比2∶1）。在C臂X 線機指導下使用椎體成形穿刺針將兩組骨水泥經由雙側椎弓根注入椎體空腔，停止注射以注入阻力明顯變大以及骨水泥從骨折位置溢出為標準。

1.4 觀察指標比較兩組模型骨水泥填充率，注入前后椎體高度與科伯（cobb）角度以及生物力學變化。①兩組模型完成椎體壓縮性骨折后行MirocCT 檢查確認骨折情況，椎體成形術后再次進行MirocCT 檢查，沿椎體縱軸將整個椎體平均分為4等分，從上而下分別將其定為第1～4 層面，觀察并記錄每個層面骨水泥填充情況，計算骨水泥填充率=層面骨水泥填充面積/該部分層面總面積［6］。②椎體高度與Cobb角：骨水泥注入前后使用X片測定模型椎體前緣以及后緣高度、Cobb角。③生物力學變化使用剛度、強度以及骨密度評估，骨水泥注射前，其測定于椎體前緣壓縮性骨折完成后進行，骨水泥注射后，所有標本用塑料袋保存置入4 ℃冰箱24 h后取出后測定其剛度、強度以及骨密度。

表1 小牛椎體骨質疏松模型40例骨水泥填充率比較/（%，±s）

表1 小牛椎體骨質疏松模型40例骨水泥填充率比較/（%，±s）

注：與同組第1層比較，aP＜0.05；與同組第2層比較，bP＜0.05；與同組第3層比較，cP＜0.05

組別單一骨水泥組骨水泥+同種異體骨組t 值P 值例數20 20第1層36.35±4.53 45.59±13.46 2.875 0.007第2層43.54±10.24 56.32±15.67 3.053 0.004第3層40.22±9.46 52.54±15.81 2.990 0.005第4層31.20±6.34bc 36.29±8.34abc 2.421 0.020 F值6.285 6.633 P值0.001 0.001 MS組內62.082 166.311

1.5 統計學方法采用SPSS 13.0軟件進行本研究中各項數據分析與處理，骨水泥注入前后各組骨密度、強度、剛度等比較采用配對t檢驗，組間比較使用獨立樣本t檢驗，不同層面骨水泥填充率比較采用方差分析+兩兩比較行SNK-q檢驗，P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組模型骨水泥填充率比較兩組模型不同層面骨水泥填充率：第4層面＜第1層面＜第3層面＜第2層面，骨水泥+同種異體骨組第4層面與其他三層面差異有統計學意義（P＜0.05），單一骨水泥組第4 層面與第2、3 層面差異有統計學意義（P＜0.05），骨水泥+同種異體骨組不同層面骨水泥填充率顯著高于單一骨水泥組（P＜0.05），見表1。

2.2 兩組模型骨水泥注入前后椎體高度與Cobb角比較兩組模型注入后椎體前緣高度與后緣高度增大，Cobb 角減小，上述指標注入前后比較差異有統計學意義（P＜0.05），注入前后骨水泥+同種異體骨組前緣高度與Cobb 角差值顯著高于單一骨水泥組（P＜0.05），見表2。

表2 小牛椎體骨質疏松模型40例骨水泥注入前后椎體高度與Cobb角比較/±s

表2 小牛椎體骨質疏松模型40例骨水泥注入前后椎體高度與Cobb角比較/±s

注：Cobb角為科伯角度

組別單一骨水泥組注入前注入后t 值P 值骨水泥+同種異體骨組注入前注入后t 值P 值兩組比較 t，P 值注入前注入后例數20 20前緣高度/%7.45±4.27 43.36±3.71-4.672 0.000 37.52±4.36 50.33±6.14-7.607 0.000 0.051，0.959 4.345，0.000后緣高度/%28.62±2.53 32.35±4.33-4.863 0.000 28.46±2.35 36.34±3.62-11.806 0.000-0.015，0.988 3.162，0.003 Cobb角/°30.69±3.51 25.36±4.59 3.885 0.000 30.34±3.26 20.13±4.24 8.190 0.000-0.327，0.746-3.743，0.000

2.3 兩組模型骨水泥注射前后生物力學比較兩組骨水泥注入后剛度、強度以及骨密度均明顯改善（P＜0.05），注入后骨水泥+同種異體骨組剛度、強度顯著、骨密度高于單一骨水泥組（P＜0.05），骨密度顯著優于單一骨水泥組（P＜0.05），注入后骨水泥+同種異體骨組剛度、強度均低于單一骨水泥組，骨密度高于單一骨水泥組（P＜0.05），見表3。

表3 小牛椎體骨質疏松模型40例骨水泥注射前后生物力學比較/±s

表3 小牛椎體骨質疏松模型40例骨水泥注射前后生物力學比較/±s

組別單一骨水泥組注入前注入后t 值P 值骨水泥+同種異體骨組注入前注入后t 值P 值兩組比較 t，P 值注入前注入后例數20 20剛度/（N/mm）84.94±11.79 206.33±12.73-31.288 0.000 86.61±12.53 156.22±36.25-8.117 0.000 0.434，0.667-5.832，0.000強度/kN 2.15±0.76 2.93±0.53-3.282 0.002 2.18±0.72 2.59±0.42-2.200 0.034 0.131，0.897-2.249，0.030骨密度/（g/cm)0.31±0.19 0.51±0.15-3.325 0.002 0.33±0.18 0.63±0.20-4.472 0.000 0.342，0.734 2.147，0.038

3 討論

PVP術中向疏松椎體中注入相關骨水泥填充材料可以有效提高病人疏松椎體骨水泥生物力學特性，減輕病人痛苦［7-9］。但是隨著PVP技術成熟以及對現存椎體成形材料研究深入，發現目前使用椎體成形材料存在不同缺點，如細胞毒性大、成骨活性差等，這些缺陷使PVP用于椎體疏松治療療效和應用受到影響，所以理想椎體成形材料研究成為椎體疏松治療成形材料領域熱點［10-11］。

良好力學強度一直是椎體成形材料必備要求，多種因素如固相粉體材料粒徑尺寸、配方、液配比以及孔隙率等均會影響骨水泥固化強度［12］。臨床上應用頻繁Mendec 骨水泥以PMMA 為主要成分，PMMA 抗壓強度為（83.8±0.8）MPa，硬度較高，在實際使用中容易使鄰近節段椎體在治療后出現骨折［13］。而同種異體骨主要成分為無機礦物質，由于抗壓強度約5～8 MPa，力學性能不佳，難以滿足椎體成形材料力學要求［14］。我們前期預實驗證實兩者以1∶1混合后抗壓強度提高，力學性能明顯改善，可以達到正常骨質疏松骨骼強度（25 MPa左右），可以用于降低骨折椎體塌陷發生風險。本研究結果證實小牛骨質疏松模型中注入骨水泥與同種異體骨組合物后，兩組骨水泥注入后剛度、強度以及骨密度均明顯改善，且注入后骨水泥+同種異體骨組剛度、強度顯著低于對照組，骨密度顯著優于單一骨水泥組，證實了骨水泥與同種異體骨混合物可以有效改善單一骨水泥硬度過高缺點，同時其在改善骨質疏松上作用優于單一骨水泥。

研究顯示，椎體骨折治療效果與骨折線上填充情況關系密切，其主要是因為骨折線上填充狀況會對骨骼穩定性有影響［15-16］。但是椎體發生骨折后顯示為三維立體結構，骨折骨骼之間結構已經不是正常二維“線”結構而變為三維“溝槽”結構，骨水泥注入后通過其流動性進入疏松骨質空間，所以其流動性在一定程度上影響著其后骨折部位強度以及穩定情況［17］。骨水泥在疏松椎體上分布情況關系著其后椎體強度恢復以及穩定情況［18-19］。本研究結果顯示，兩組骨水泥均在第2和3層面分布最多，而在第4 層面分布最少。但是骨水泥+同種異體骨組不同層面骨水泥填充率均顯著高于單一骨水泥組，提示骨水泥與同種異體骨組合物在疏松椎體分布范圍更廣，可為后期椎體提供更好穩定性以及強度支撐。雖然在臨床中一般依靠手術方法對骨折進行復位，改善受損椎體形態，但是有研究顯示骨水泥在注入椎體后通過壓力以及其自身具有體積來擴張椎體，在一定程度上可以有效促進椎體形態尤其是高度的恢復［20］。本研究中在骨水泥注入前后分別測定了椎體高度以及Cobb角，兩組注入后椎體高度以及Cobb 角均明顯改善，且骨水泥+同種異體骨組模型改善程度較單一骨水泥改善更顯著，提示骨水泥與同種異體骨組合物可用于改善受損椎體形態。但是本研究中主要以小牛骨質疏松椎體模型為研究主體，在活體動物上是否會得到相同研究結果還需要長期動物實驗予以證實，其將是下一步研究的重點。

綜上，小牛椎體骨質疏松模型PVP 術中的應用骨水泥與同種異體骨組合物可以有效改善單一骨水泥硬度過高缺點，可為后期椎體提供更好穩定性以及強度支撐，甚至有改善受損椎體形態可能性。