椎體后凸成形術(shù)中灌注不同凝固狀態(tài)骨水泥對骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折綿羊椎體生物力學的影響

文 毅，蘇 峰，石盛生，宗治國

1.湖州市南潯區(qū)人民醫(yī)院脊柱外科，湖州 313009 2.河北北方學院附屬第一醫(yī)院脊柱外科，張家口 075000

隨著我國人口老齡化趨勢的加劇，骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折（OVCF）的發(fā)生率逐年上升，給社會和家庭帶來不小的經(jīng)濟壓力［1-2］。手術(shù)是目前治療OVCF的主流方法，主要有椎體成形術(shù)和椎體后凸成形術(shù)。椎體成形術(shù)不經(jīng)球囊擴張椎體而直接向骨折椎體內(nèi)灌注聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥，能夠迅速緩解腰背痛，但灌注壓力較大，如灌注的骨水泥較稀薄，易發(fā)生滲漏［3-4］。椎體后凸成形術(shù)先經(jīng)球囊擴張骨折椎體，恢復骨折椎體高度并使骨折部分椎體復位后再向其內(nèi)部灌注骨水泥，骨水泥滲漏風險較小，并可改善Cobb角［5-6］，目前在臨床的應(yīng)用較普遍。

PMMA骨水泥為椎體后凸成形術(shù)中較常用的骨水泥，其凝固過程分為稀薄期、黏稠期和凝固期，不同凝固狀態(tài)的骨水泥灌注對椎體強度和剛度的影響目前尚無定論。本研究通過向OVCF綿羊骨折椎體灌注不同凝固狀態(tài)的骨水泥，并對灌注前后椎體強度和剛度進行測試，了解骨水泥灌注的最佳凝固狀態(tài)，為臨床骨水泥灌注時期的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗標本

從同一牧場選取同一飼養(yǎng)方式養(yǎng)殖的成年綿羊8只，（30.3±1.7）月齡，體質(zhì)量為（49.8±2.5）kg。獲取綿羊L1～5椎體共40個，X線掃描排除骨折、先天畸形、腫瘤、骨質(zhì)疏松等病變，切除椎體兩側(cè)3/4橫突，保留1/4橫突以便行椎弓根鉆孔時解剖定位，去除周圍軟組織、韌帶、棘突及椎體上下椎間盤、終板。將準備好的椎體按隨機數(shù)字表法隨機分為4組，每組10個。

1.2 儀器和材料

雙能X線骨密度儀購自美國通用公司，游標卡尺（精確度為0.02 mm）購自上海精密科學儀器有限公司，衡翼生物力學實驗機（型號：HY-3080）購自上海衡翼精密儀器有限公司。包裹椎體上下端的自凝牙托粉（批號：2018-04-25）購自安陽市鷹牌齒科有限公司。實驗所用的注射用PMMA骨水泥［國食藥監(jiān)械（準）字2014第3650624號（更）］購自天津市合成材料工業(yè)研究所有限公司。微量注射泵（型號：KL-702）購自北京科力醫(yī)療有限公司。

1.3 骨質(zhì)疏松椎體模型制備

將4組椎體經(jīng)雙側(cè)椎弓根入路，以直徑3 mm的骨鉆鉆入距離椎體前壁1/3處。4組椎體均浸泡入3%稀鹽酸中，經(jīng)雙側(cè)椎弓根插入輸液管，以60 mL/h的速率微泵勻速灌注3%稀鹽酸，確保椎體內(nèi)外均勻脫鈣。脫鈣4 h后取出椎體，以生理鹽水沖洗椎體表面及椎弓根通道，直至鹽酸沖盡。分別于脫鈣前后用雙能X線骨密度儀測量4組椎體骨密度并記錄。

1.4 壓縮骨折椎體模型制備

用游標卡尺測量4組椎體的前緣高度并記錄。將每個椎體的上下端用牙托粉包裹，包裹厚度為2 mm。將每個椎體置于衡翼生物力學機上，使椎體縱軸與力學機壓縮軸線在一條直線上，首先以200 N/min進行預加載，消除椎體的蠕變和時間效應(yīng)。再以10 mm/min的加載速率進行椎體壓縮，壓縮椎體高度的1/4。用圖形記錄儀記錄椎體壓縮過程中的載荷-位移曲線，椎體的強度值即為載荷-位移曲線的峰值，剛度值為載荷-位移曲線的斜率。將制備好的壓縮骨折模型椎體予以濕潤生理鹽水紗布包裹，裝入塑料袋后置于-6℃的冰箱中保存。

1.5 標本分組制備

將椎體從冰箱取出后放在室溫（23℃）下解凍6 h，每個椎體以直徑3 mm的絲錐經(jīng)雙側(cè)椎弓根入路制備骨水泥灌注通道，插入工作套管，放入Kyphon球囊，連接帶壓力表的注射器，球囊壓力控制在200 Pa以內(nèi)。C形臂X線機透視下擴張球囊使壓縮骨折椎體復位，球囊擴張后對照組（A組）不灌注骨水泥，其余各組分別在PMMA骨水泥粉液室溫（23℃）下2∶1混合后2 min（骨水泥稀薄期，B組）、4 min（骨水泥黏稠期，C組）及6 min（骨水泥凝固期，D組）灌注骨水泥，并記錄骨水泥使用劑量。4組椎體于室溫（23℃）下放置24 h，用游標卡尺測量椎體前緣高度，衡翼生物力學機測試各組椎體強度和剛度。

1.6 統(tǒng)計學處理

采用SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。計量資料以±s表示，組間數(shù)據(jù)比較采用單因素方差分析，組內(nèi)術(shù)前和術(shù)后數(shù)據(jù)比較采用配對t檢驗；計數(shù)資料以個數(shù)表示；以P< 0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 骨密度、骨水泥注入量和滲漏情況

脫鈣前和脫鈣后，4組椎體骨密度組間比較，差異均無統(tǒng)計學意義（P> 0.05，表1）。4組椎體脫鈣后骨密度均比脫鈣前降低，差異有統(tǒng)計學意義（P< 0.05，表1），表明骨質(zhì)疏松模型成功制備。B、C、D 3組骨水泥注入量差異無統(tǒng)計學意義（P> 0.05，表1）。B組3個椎體發(fā)生骨水泥滲漏，C組1個椎體發(fā)生骨水泥滲漏，D組無骨水泥滲漏椎體。

表1 各組脫鈣前后骨密度及骨水泥注入量Tab. 1 Bone mineral density before and after decalcification and bone cement injection volume of each group n=10，±s

表1 各組脫鈣前后骨密度及骨水泥注入量Tab. 1 Bone mineral density before and after decalcification and bone cement injection volume of each group n=10，±s

注：*與脫鈣前比較，P < 0.05。Note：* P < 0.05，compared with before decalcification.

組別Group骨密度/（g·cm-3）Bone mineral density/（g·cm-3） 骨水泥注入量/mL Bone cement injection volume/mL 脫鈣后After decalcification A 1.10±0.05 0.74±0.06* —B 1.12±0.06 0.73±0.05* 3.31±0.08 C 1.11±0.06 0.74±0.07* 3.28±0.09 D 1.11±0.04 0.70±0.04* 3.26±0.10脫鈣前Before decalcification

2.2 椎體強度和剛度

術(shù)前4組椎體強度和剛度組間比較，差異均無統(tǒng)計學意義（P> 0.05，表2）。A組術(shù)后椎體強度低于術(shù)前，B、C、D組術(shù)后椎體強度均高于術(shù)前，差異有統(tǒng)計學意義（P< 0.05，表2）。4組術(shù)后椎體剛度均低于術(shù)前，差異有統(tǒng)計學意義（P< 0.05，表2）。B、C、D組術(shù)后椎體強度和剛度均高于A組，差異有統(tǒng)計學意義（P< 0.05，表2）；B、C組術(shù)后椎體強度和剛度均高于D組，差異有統(tǒng)計學意義（P< 0.05，表2）；B組和C組術(shù)后椎體強度和剛度差異無統(tǒng)計學意義（P> 0.05，表2）。

表2 各組手術(shù)前后椎體強度和剛度比較Tab. 2 Comparison of vertebral strength and rigidity pre- and post-operation of each group n=10，±s

表2 各組手術(shù)前后椎體強度和剛度比較Tab. 2 Comparison of vertebral strength and rigidity pre- and post-operation of each group n=10，±s

注：*與術(shù)前比較，P < 0.05；△與A組比較，P < 0.05；▲與D組比較，P < 0.05。Note：* P < 0.05，compared with pre-operation；△P < 0.05，compared with group A；▲P < 0.05，compared with group D.

組別Group剛度/（N·mm-1）Rigidity/（N·mm-1）術(shù)前Pre-operation強度/N Strength/N術(shù)后Post-operation A 3 378.16±555.31 1 615.89±311.55* 227.45±59.84 120.77±12.06*B 3 468.59±637.15 5 213.52±734.60*△▲ 250.43±52.65 198.80±34.52*△▲C 3 263.88±716.64 4 714.75±681.07*△▲ 265.07±43.40 184.49±36.06*△▲D 3 396.65±599.77 3 905.08±472.62*△ 246.26±53.12 150.61±10.72*△術(shù)后Post-operation術(shù)前Pre-operation

2.3 椎體前緣高度

原始高度和骨折后高度各組間比較，差異無統(tǒng)計學意義（P> 0.05，表3）。4組骨折后高度均低于原始高度，差異有統(tǒng)計學意義（P< 0.05，表3）。4組術(shù)后高度均高于骨折后高度，但仍低于原始高度，差異有統(tǒng)計學意義（P< 0.05，表3）；B、C、D組術(shù)后高度均高于A組，差異有統(tǒng)計學意義（P< 0.05，表3），B、C、D組之間術(shù)后高度差異無統(tǒng)計學意義（P> 0.05，表3）。

表3 各組椎體前緣原始高度、骨折后高度及術(shù)后高度Tab. 3 Original，post-fracture and postoperative vertebral anterior height of each group n=10，±s

表3 各組椎體前緣原始高度、骨折后高度及術(shù)后高度Tab. 3 Original，post-fracture and postoperative vertebral anterior height of each group n=10，±s

注：*與原始高度比較，P < 0.05；△與骨折后高度比較，P < 0.05；▲與A組比較，P < 0.05。Note：* P < 0.05，compared with original height；△P < 0.05，compared with height after fracture；▲P < 0.05，compared with group A.

術(shù)后高度/cm Postoperative height/cm A 4.02±0.08 2.94±0.07* 3.30±0.04*△B 4.05±0.07 2.95±0.05* 3.67±0.08*△▲C 4.03±0.07 2.95±0.05* 3.72±0.11*△▲D 4.04±0.08 2.94±0.04* 3.70±0.09*△▲組別Group原始高度/cm Original height/cm骨折后高度/cm Post-fracture height/cm

3 討論

脊柱可分為前、中、后三柱，前2/3椎體、前1/2纖維環(huán)和前縱韌帶構(gòu)成前柱，后縱韌帶與后1/3椎體、后1/2纖維環(huán)構(gòu)成中柱，黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶與整個椎弓、棘突構(gòu)成后柱［7-9］。OVCF主要發(fā)生于椎體的前柱和中柱，且通常是前柱壓縮程度更重、中柱壓縮程度次之，后柱較少受累，因此，椎體壓縮性骨折在矢狀位X線片上一般呈現(xiàn)由前向后的楔形變［10］。當椎體發(fā)生楔形變，脊柱Cobb角勢必發(fā)生相應(yīng)改變，由于Cobb角是上位椎體上緣延長線的垂直線與下位椎體下緣延長線的垂直線間的夾角，上位椎體楔形變越重，Cobb角增加越大，脊柱后凸改變越顯著［11-13］。若不手術(shù)恢復壓縮椎體高度、糾正楔形變，則椎體壓縮骨折后脊柱力學傳導異常將進一步加重，導致患者腰背部疼痛持續(xù)并加重，骨折椎體的上位椎體逐漸向前滑脫，甚至出現(xiàn)脊髓和神經(jīng)根的損傷等并發(fā)癥［14-15］。椎體后凸成形術(shù)是目前治療OVCF的主要手術(shù)方式之一，可較快地減輕患者腰背部疼痛，恢復椎體高度，糾正脊柱后凸畸形，改善脊柱力學傳導，減少中遠期并發(fā)癥的發(fā)生［16］。

椎體后凸成形術(shù)的主要目的除了恢復壓縮椎體原有高度之外，還要盡可能恢復椎體的強度和剛度［17］。強度是評估椎體所能承受最大壓縮力的指標，達到或超過骨折前椎體原有抗壓強度才能使椎體術(shù)后更好地承受載荷［18-20］。剛度是椎體在承受壓力后的一個形變指標，剛度越高則在承受相同載荷下發(fā)生的形變越?。?1-22］。但是椎體不同于一般的金屬材料，并不是剛度越大對人體越有利。若骨折椎體的剛度遠超過鄰近椎體，則因為術(shù)后生物力學改變和下位椎體的應(yīng)力集中，相鄰椎體會發(fā)生退行性變加速或出現(xiàn)應(yīng)力性骨折［23-25］。因此，如何使壓縮骨折椎體的強度和剛度恢復到最有利于人體的狀態(tài)對于預后具有重要意義［26-27］。椎體后凸成形術(shù)中PMMA骨水泥注入狀態(tài)的不同對椎體強度和剛度的影響目前尚無定論。根據(jù)PMMA骨水泥凝固狀態(tài)的不同，可將其分為稀薄期、黏稠期和凝固期。稀薄期和黏稠期骨水泥呈液態(tài)或半黏稠狀態(tài)，流動性和彌散性較好；進入凝固期后，骨水泥由半黏稠狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，流動性和彌散性逐漸喪失，需要較大壓力才能推注進入椎體。不同凝固狀態(tài)的骨水泥在骨質(zhì)疏松椎體內(nèi)彌散分布狀態(tài)不同對椎體強度與剛度的影響需要生物力學實驗進一步驗證。

本研究中4組椎體骨密度和椎體前緣原始高度差異均無統(tǒng)計學意義，使用完全相同的脫鈣方案和脫鈣時間制備骨質(zhì)疏松模型后，4組椎體脫鈣后骨密度差異無統(tǒng)計學意義；在制作壓縮骨折模型時，將骨質(zhì)疏松模型放于衡翼生物力學機上壓縮掉其原始高度的1/4，測量壓縮前后椎體前緣高度，4組椎體壓縮后前緣高度差異無統(tǒng)計學意義；行椎體后凸成形術(shù)時，4組的球囊壓力均控制在200 Pa；經(jīng)雙側(cè)椎弓根通道灌注骨水泥，B、C、D組骨水泥劑量差異無統(tǒng)計學意義，保證了研究結(jié)果的可比性。A組因球囊擴張后未灌注骨水泥，術(shù)后椎體前緣高度小于B、C、D組，而B、C、D組術(shù)后椎體前緣高度組間差異無統(tǒng)計學意義，說明球囊擴張后骨折椎體內(nèi)無骨水泥支撐，椎體會逐步塌陷；不同凝固狀態(tài)的骨水泥注入椎體后都能對壓縮骨折椎體起到有效的支撐作用。

本研究結(jié)果顯示，術(shù)前4組椎體強度差異無統(tǒng)計學意義，術(shù)后A組因未灌注骨水泥其椎體強度小于術(shù)前，B、C、D組術(shù)后椎體強度均高于術(shù)前，說明不同凝固狀態(tài)的骨水泥均能增強椎體強度，對脊柱起到良好的支撐作用。本研究結(jié)果還顯示，不同凝固狀態(tài)的骨水泥注入椎體后均能增強椎體剛度，但剛度均小于術(shù)前，說明骨水泥雖能增強椎體的形變能力，但術(shù)后椎體的彈性形變依然恢復不到未骨折狀態(tài)。B、C組術(shù)后椎體強度和剛度均高于D組，而B、C組椎體強度和剛度相當，說明PMMA骨水泥在稀薄期和黏稠期注入椎體能顯著增強椎體強度和剛度，效果優(yōu)于凝固期。推測可能原因為稀薄期和黏稠期骨水泥灌注入椎體后在椎體內(nèi)彌散較均勻，能使整個椎體的強度得到全面有效的增強，形變能力也增強；而凝固期骨水泥注入椎體后，迅速在球囊擴張開的空間內(nèi)凝固，不能有效經(jīng)過骨折間隙和骨小梁進行彌散，對椎體整體的支撐作用和形變能力減弱。

雖然稀薄期骨水泥對椎體強度和剛度的增強效果較好，但10個椎體中有3個出現(xiàn)了骨水泥滲漏，其滲漏率不容忽視。而黏稠期骨水泥除了能較好增強椎體的強度和剛度，滲漏率也較低，10個椎體中僅1個出現(xiàn)骨水泥滲漏。凝固期骨水泥灌注的10個椎體雖均未出現(xiàn)滲漏，但對椎體強度和剛度的增強效果有限。權(quán)衡利弊，本研究組建議行椎體后凸成形術(shù)時，選擇黏稠期骨水泥灌注，既能增強椎體的強度和剛度，也能減少滲漏的發(fā)生。

本研究的不足：①采用的標本是離體綿羊椎體，雖然綿羊椎體與人的椎體有很高的相似性，但由于人是直立行走，而綿羊為四肢行走，因此，在椎體發(fā)育過程的應(yīng)力傳導上存在明顯差異，勢必在椎體的結(jié)構(gòu)上存在一定差異，而此結(jié)構(gòu)差異對研究是否有明顯的影響仍有待進一步探討。②為離體的動物椎體力學實驗，脫離了生物體的內(nèi)環(huán)境，因此，尚不能完全闡明內(nèi)環(huán)境狀態(tài)下的生物力學變化。