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經皮椎體成形術和后凸成形術的充填材料及生物力學研究進展

脊柱椎體的壓縮性骨折是骨質疏松患者最常見的并發癥,嚴重的椎體壓縮性骨折保守治療5 a內死亡率可達23%~34%,目前常用的手術治療包括椎體撐開后單純植骨固定和(或)同時進行堅強內固定材料進行固定等,手術創傷大,并發癥也多。經皮椎體成形術(percutaneous vertebroplasty,PVP)與后凸成形術(percutaneous kyphoplasty,PKP)是脊柱外科近來發展迅速的一項新型微創外科技術,通過經皮向壓縮骨折椎體內直接注入(PVP)或者先通過球囊擴張再注入(PKP)骨水泥等填充物,從而增強病變椎體的力學穩定性,臨床應用證實其有穩定可靠、迅速有效的治療效果,且并發癥少,但到目前為止長期臨床隨訪資料還不足,椎體成形術后脊柱生物力學的研究也發現了一些問題,椎體成形技術還需要不斷的改進和探索,特別是材料的發展對減小椎體成形術的并發癥發生率和改善術后脊柱的生物力學特性起著關鍵的作用。

    1  PVP和PKP的充填材料研究進展

    應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)、復合骨水泥如玻璃陶瓷強化復合骨水泥(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度和剛度,價格較便宜等優點,現在仍是目前臨床上椎體成形術較常用的材料,但其有一定的局限性:(1)粘滯性較低,滲漏是最常見的并發癥,向后方滲漏入椎管可壓迫脊髓,嚴重時可滲漏入血管沿靜脈回流引起肺栓塞,甚至導致患者死亡;(2)放熱反應:PMMA聚合時產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44~113 ℃,在椎體中心達49~112 ℃,椎管內達39~57 ℃,而溫度超過50 ℃的滯留時間分別可達55、8min和25 min〔1〕;(3)缺乏骨傳導性和生物活性,無法生物降解,后期可出現骨水泥與骨質界面的松動;(4)PMMA注射后的椎體與臨近椎體的力學強度差異大,易導致臨近椎體的骨折;(5)有毒單體的釋放和PMMA碎屑的作用使細胞的生長、DNA的合成和糖代謝受到抑制而具有細胞毒性,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。為了提高其機械性能和生物相容性,近年已有將具有生物活性的無機顆?;蚶w維增強的高分子骨粘合劑加入PMMA來提高其生物相容性的報道,但仍然不滿意,其機械強度降低較快。

    12  復合骨水泥

    如Orthocomp、Cortoss、Hydroxyapatite composite resin(Kuraray)等與PMMA具有相似的基本性質,但較PMMA有更合適的粘稠度、X線的不透射性、硬化快、產熱低、具有更好的力學性能、生物活性及骨誘導性等優點。Cortoss是一種新型合成骨腔填充物,容易彌散進入松質骨,彈性模量與骨相近。Orthocomp是一種玻璃陶瓷增強的多種基質復合物骨水泥,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鍵與松質骨連結。Jasper等研究發現Orthocomp的強度和剛度是PMMA骨水泥的2倍左右〔2〕。Belkoff等也研究表明Orthocomp對椎體的強度和剛度都有較好的恢復。Lu等介紹了一種含鍶羥基磷灰石粉末和BisGMA(bisphenol A diglycidylether dimethacrylate)的復合骨水泥,在動物實驗模型中進行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、骨傳導性和粘滯度。新骨的替代方式由CPC的表面向深層逐漸推進,6個月時平均長入深度為6 mm,12個月時為114 mm。CPC可能是椎體成形術更好的注入材料,但在體內的應用及長期生物力學和生物效應還需要進一步的研究〔4、5〕。Heini和Lim等〔6、7〕研究認為CPC及改良的CPC在體內成形過程中產熱明顯減少,并且具有良好的彌散能力,可以明顯增強骨質疏松椎體的抗壓強度和剛度。其本身的強度低于正常椎體,但高于骨質疏松椎體,在成形術后可以減小因椎體的剛度變化而導致上下緣椎體骨折的幾率〔8〕。CPC固化后的微孔結構具有引導新骨形成能力,但無誘導成骨活性,生物活性CPC利用其固化過程溫和的特性,將骨形態生長蛋白BMP與CPC均相負荷,使材料在充填修復的同時加速CPC的降解和促進成骨作用。然而,Heini等認為CPC的生物降解也會導致相應的問題,治療骨質疏松椎體壓縮骨折時,骨水泥快速吸收會削弱椎體并導致其進一步塌陷〔9〕。

    Cunin應用一種具有多孔狀結構的天然珊瑚加入骨誘導因子BMP進行研究,認為顆粒狀的天然珊瑚具有可注射性、生物相容性和骨誘導性,但其生物力學特性還需進一步研究〔7〕。最近有報道用MMA(methyl methacrylate)處理的SrHAC(strontiumcontaining hydroxyapatite cement)對椎體剛度、壓縮強度、彎曲強度和楊氏系數的恢復都具有很好的效果〔10〕。

    2  PVP和PKP的生物力學研究

    椎體成形術的短期療效十分令人鼓舞,也推動了PVP和PKP在臨床的發展,Garfin等報道了從1998年10月~2000年5月由多家醫院參與的臨床研究結果,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例經過經皮椎體成形術的患者進行了長達5 a的隨訪觀察,結果臨床療效顯著,5 a的長期隨訪發現VAS(visual analogue scale)評分略升高,但仍然明顯低于術前水平,未發現成形椎體的進一步壓縮〔11〕。近年來對于椎體成形術后脊柱的生物力學研究顯示椎體成形術后對于脊柱整體特別是臨近椎體的影響還是顯著的。對椎體成形術后脊柱的生物力學研究對于正確應用椎體成形術十分有幫助,并對臨床應用進行正確的指導。

    21  術后骨折椎體的生物力學性質

    PMMA或磷酸鈣椎體成形后的生物力學研究證實骨折椎體成形后的穩定性參數顯著提高〔12〕,可防止椎體的進一步塌陷和變形。椎體壓縮骨折后降低了運動節段的椎體壓縮強度,增加后柱的負荷而引起疼痛,通過對尸體模型的測量發現病變椎體后柱的壓力負荷在屈曲時增高21%、42%,后伸時增加39%~68%,椎體成形術后則使脊柱屈曲時后柱的壓力負荷減小26%,后伸時減小61%,結果示椎體骨折前和成形術后的神經弓壓力無明顯差異,全部或部分的逆轉了后部結構的壓力負荷,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的關系

    基于骨水泥注入越多椎體可以得到更好強化的觀念,有些臨床醫生在病變椎體內注入最大劑量的骨水泥來提高其椎體抗壓強度,有人報道在尸體標本中可以注入椎體容積70%的骨水泥〔14〕。椎體成形后的強度越大,對上下位椎體的應力也越強,使臨近椎體的骨折發生率增高,特別是在高齡骨質嚴重疏松患者。成形術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時注入的骨水泥量相關〔15、16〕。是否注入的骨水泥量越大,椎體的抗壓強度和剛度就越高?Molloy,S等對120個椎體(T6~L5)注入2~8 ml不等量的骨水泥,研究發現注入量與椎體抗壓強度和剛度的恢復只有弱相關(r2分別為021和027),抗壓強度和剛度的恢復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,結果僅需2 ml即可恢復椎體的壓縮強度,而椎體剛度的恢復與水泥充填容量缺乏相關關系。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。也有人報道椎體成形術后椎體剛度的恢復與注入的骨水泥量相關,14%容積的骨水泥就可滿足剛度恢復的要求,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增加〔19〕。

    不同的充填材料對椎體生物力學性質的影響也有不同。Belkoff等人先后對Simplex P,Cranoplastic,Osteobond,Orthocomp等不同材料進行椎體成形術后的椎體生物力學研究,結果顯示Simplex P、Osteobond及Orthocomp能有效恢復椎體的剛度和壓縮強度,而Cranoplastic則僅能增加壓縮強度,不能恢復椎體的剛度,且在剛度的恢復程度上Orthocomp優于Simplex P〔20、21〕。新型材料CPC能明顯恢復骨質疏松椎體的抗壓強度,對剛度的恢復也較好,CPC的微孔結構可以使新骨長入,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測試表明其對壓縮強度的恢復滿意,但對剛度的恢復作用小。MMA處理的SrHAC不僅有利于界面的融合,對椎體剛度、壓縮強度、彎曲強度和楊氏系數的恢復都具有很好的效果,而且明顯優于單純的SrHAC〔10〕。

    23  PVP和PKP兩種術式的生物力學比較

    Belkoff等先后兩次進行了關于后凸成形術的體外生物力學檢測,發現無論在有無載荷的情況下后凸成形術均能部分恢復椎體的高度,恢復椎體的強度。它在無載荷的情況下可以恢復丟失高度的97%,而椎體成形術僅能恢復30%,兩種方法都能明顯增強椎體的強度。Belkoff對16個椎體隨機分為PVP和PKP治療組,結果顯示PKP組能恢復椎體的起始剛度,而PVP則不能,PKP與PVP相比,不僅能有效恢復椎體的高度,而且能恢復椎體的壓縮強度和剛度〔22〕。但也有不同觀點,Tomita等對30個骨質疏松椎體隨機分為4組:(1)PKP+CPC;(2)PKP+PMMA;(3)PVP+CPC;(4)PVP+PMMA,術前及術后對椎體強度和剛度的分析顯示各組對椎體強度的恢復都較好,但對椎體剛度的恢復PKP組不及PVP組〔23〕。對于PVP和PKP術后的生物力學差異還有待進一步研究。

   24  預防性應用椎體成形術可行性研究

    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度,這與骨礦物質含量和密度高度相關,椎體成形術的確切療效也僅在骨折疏松性骨折中發現,術后椎體的抗壓能力能夠通過注入骨水泥而顯著增強,但在正常BMD(bone mineral density)的椎體,成形術前后則沒有明顯差別。Skos Pheumaticos等對4個新鮮脊柱共40個正常椎體進行椎體注入了PMMA與不注入PMMA的生物力學研究顯示未進行成形術的椎體最大負荷為(6 72402±3 29170)N,然而注入了PMMA的椎體最大負荷為(5 770504±2 13372)N,兩組間統計學上無明顯區別。這提醒對有椎體骨折高?;颊哌M行預防性的椎體成形術治療可能是不可取的〔24〕。在骨折椎體上下緣椎體注入適當的骨水泥來緩解椎體間強度差異,是否可以減少因為椎體間應力不平衡導致的骨折以及是否能夠更有效的維持脊柱的生物力學穩定性還有待進一步的研究。但對于有嚴重骨質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〕。近來陸續有對骨質疏松患者預防性注入骨水泥來提高椎體強度可行性的研究。Sun,K等研究發現,對高?;颊咦⑷胫辽僮刁w容積20%的骨水泥才能有效減少其骨折風險,而對中等程度危險度患者則需要注入椎體容積5%~15%的骨水泥,而這種預防性治療和骨折后進行椎體成形術治療的并發癥發生率并無太大區別〔26〕。

    25  椎體成形術后臨近椎體的生物力學改變

    對椎體成形術后的生物力學研究同時發現其不足之處,特別是對上下緣椎體的影響較為明顯。椎體成形術的目的為最大程度上的恢復壓縮椎體的剛度和抗壓強度,但對椎體強度的恢復或增強,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例人體新鮮標本相鄰椎體共20對,隨機分成2組,一組下緣椎體注射PMMA,另一組設為對照,對上緣椎體負荷的生物力學研究顯示,2組上緣椎體在低于臨界負荷下與對照組無明顯差別,但在臨界負荷時實驗組壓力平均低于對照組19%,在實驗組中,骨折總發生在成形椎體的上緣椎體〔28〕。臨床上也有椎體成形術后上下臨近椎體骨折的報道〔15、29〕。在APerezHigueras等對13例經過經皮椎體成形術的患者進行5 a長期隨訪觀察得出臨床療效顯著的同時也發現有2例發生臨近椎體骨折〔11〕。對1組平均年齡74歲的椎體成形術后患者研究顯示,臨近椎體發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發生骨折的危險性提高了約5倍,在椎體骨折后的1 a里發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度增加有關。對L4、5椎體的研究發現椎體成形術后堅硬的骨水泥對椎體上緣的終板造成約7%的壓縮,使椎間盤內壓力較正常增高了19%,特別是在脊柱負荷增高時,椎間關節活動度下降11%,上緣椎體下終板內凸增加17%,這可能是導致成形術后臨近椎體骨折的原因〔31〕。由于患者術后疼痛的減輕,改變了生活方式,脊柱運動量和負荷增加,也使椎體骨折的幾率增加。同時與成形術后椎體臨近的椎間盤內壓力升高也使椎間盤突出的危險性增加。

    不同材料的使用對臨近椎體生物力學影響不同。一般而言,松質骨彈性模量為168 MPa,PMMA則為2 700 MPa,CPC彈性模量在180 MPa左右,CPC較PMMA在避免應力遮擋效應和載荷傳遞異常以及減少相鄰椎體繼發骨折方面有優越性。有研究顯示CPC椎體成形后,相鄰椎間盤應力沒有明顯變化,應力遮擋和異常載荷傳遞效應甚微,相比PMMA、CPC椎體成形術在降低相鄰椎體骨折發生率方面有潛在的優勢。

    到目前為止,對椎體成形術后與未進行椎體成形術時對臨近椎體發生骨折的危險性是否增高還未見完全隨機試驗的研究,然而臨近椎體的骨折也許是嚴重骨質疏松的自然進程,特別是臨近椎體有相似的機械和形態學特征。但近來相繼有報道椎體成形術后臨近椎體的力學性質下降,可能增加骨折的危險性。填充材料的發展可以有效增強骨折椎體的抗壓能力和維持良好的形態學特征,并可能使骨折椎體的生物力學性質恢復到最佳的狀態。

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