崔 軼，顧 瓊，劉 達，雷 偉，徐永清，吳子祥（解放軍昆明總醫(yī)院附屬骨科醫(yī)院，云南昆明6500；解放軍60醫(yī)院，云南大理67000；解放軍成都總醫(yī)院骨科，四川成都6008；第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院骨科，陜西西安700）

·基礎與轉化醫(yī)學·

椎體成形術在綿羊骨質疏松脫礦化椎體模型中的初步應用研究

崔 軼1，顧 瓊2，劉 達3，雷 偉4，徐永清1，吳子祥4（1解放軍昆明總醫(yī)院附屬骨科醫(yī)院，云南昆明650032；2解放軍60醫(yī)院，云南大理671000；3解放軍成都總醫(yī)院骨科，四川成都610083；4第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院骨科，陜西西安710032）

目的：探討椎體成形術在綿羊骨質疏松脫礦化椎體模型中的生物力學性能變化及可行性．方法：選取綿羊椎體標本30個，隨機分為3組，其中A組為未脫鈣組，空白對照組；B組為4 h脫鈣后椎體成形組；C組為4 h脫鈣后假手術組．B、C兩組運用微量注射泵向椎體內灌注鹽酸及椎體整體浸泡的脫鈣方法，快速建立綿羊腰椎骨質疏松脫礦化椎體模型，10個椎體／組．通過骨密度、影像學及生物力學檢測，評估椎體成形術在模型中應用的可行性及力學性能變化．結果：BMD檢測提示，B、C組模型經脫鈣處理后，BMD下降范圍在25%～35%，兩組比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0．05）；與A組比較，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0．05）．X線及CT檢查提示椎體成形術在體外模型上具有可操作性，操作程序、骨水泥填充情況與體內及臨床試驗基本一致．力學實驗提示椎體成形術可顯著提高椎體的最大抗壓強度，各組間比較，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0．05）．結論：綿羊椎體骨質疏松脫礦化模型可以用于椎體成形術的實驗研究，并為進一步研究提供理論依據．

椎體成形術；骨質疏松；椎體脫礦化模型；骨密度；生物力學

0 引言

在全球人口老年化程度日益加深的趨勢下，骨質疏松癥引起的脊柱疾病的發(fā)病率也越來越高．雖然抗骨質疏松的內科藥物治療已在臨床得到廣泛認可，但仍有一定比例的患者出現(xiàn)脊柱壓縮骨折、脊柱滑脫等疾病，而且該比例呈不斷上升的趨勢［1－3］．目前外科治療脊柱相關疾病的主要技術有椎弓根螺釘內固定技術及椎體成形術．因此，如何提高骨質疏松情況下螺釘把持力以及改進骨水泥材料的性質成為脊柱外科研究的熱點之一．然而，相關的科學研究都需要很好的動物模型，最常構建的大動物模型為綿羊骨質疏松模型，雖然該模型是一種理想的、可用于相關脊柱操作的動物模型，但該模型仍存在諸多缺點［4－8］，如建模周期長、至少需要6個月飼育、模型構建不穩(wěn)定、骨質疏松程度不可控，用骨質疏松動物活體模型耗時且無法及時反饋給研究者實驗結果，增加了研究周期．因此，無法在短期內對生物材料及新型器械的力學性能進行評估．根據上述動物活體模型的不足，本研究提供了簡單、快速制備綿羊椎體骨質疏松脫礦化模型的方法［9］，該模型已經在骨質疏松情況下如何提高椎弓根螺釘內固定及釘?shù)缽娀夹g方面取得了很好的結果［10－11］．但該模型在椎體成形術應用中則未見相關研究報道．本研究就椎體成形術在綿羊椎體骨質疏松脫礦化模型中進行初步應用性研究．

1 材料和方法

1.1 材料和設備選用3．0±0．5歲新鮮綿羊腰椎30個，X線和骨密度檢查均無骨質疏松、先天性畸形、骨折等病變；去除椎體周圍韌帶及椎間盤，分離成單個椎體．分析純級鹽酸（HCL）由中科院白銀高技術產業(yè)園生產提供，微量注射泵（PERFUSOR／COMPACT，B．BRAUN，GERMAN）；自行設計的灌注固定器由山東威高骨科材料有限公司生產提供；Lunar Corp型雙能X線吸收骨密度（bone mineral density，BMD）儀（Madison，WI，USA）；GE?寶石CT（GE，USA）；AG?IS型生物力學測試機（日本島津公司生產）．

1.2 骨質疏松生物力學模型的建立將30個新鮮綿羊腰椎標本完全隨機分為3組，A組（未脫鈣，空白對照組），B組（椎體成形術，4 h脫鈣組），C（假手術，4 h脫鈣組），10個椎體／組．依據既往建立骨質疏松生物力學模型的方式（應用微量注射泵椎體內灌注和整個椎體浸泡鹽酸的脫鈣方法）對B、C兩組進行相應處理［8］，建立BMD下降25%以上的的骨質疏松生物力學模型［8－9］．嚴格操作步驟，減小組間和組內誤差．采用雙能X線吸收骨密度儀檢測A、B、C各組椎體脫鈣前后BMD的變化（圖1）．

圖1 體外構建骨質疏松脫礦化模型裝置圖

1.3 椎體成形術將脫鈣完成后的B組椎體固定在臺鉗上，椎體呈前后位放置，依據穿刺的方向與角度，通過體外測量穿刺針進針的深度，以穿刺針位于椎體后緣2～3 mm為準．然后將穿刺針沿雙側椎弓根人字脊頂點插入椎體內，X線透視明確穿刺針穿過椎弓根至椎體后緣2～3 mm即停止穿刺，取出內芯，建立工作通道（圖2）．用粗細骨鉆沿工作通道刺入椎體內到達距椎體前壁2～3 mm處，拔出骨鉆并以導針探查椎體內情況．然后將調配好的骨水泥注射器套在工作通道上，待骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯，Polymethyl?methacrylate，PMMA）在粘稠的面團期時，將骨水泥注入椎體內，觀察椎管內及椎體前壁是否有骨水泥滲漏．雙側各注射骨水泥0．5 mL．同樣的方法對A，C組重復上述操作，但不注射骨水泥．依次對各組內椎體進行相應操作，通過X線各個方位觀察所見灌注工作通道位置放置可靠，有利于骨水泥填充（圖2）．

圖2 椎體成形術中骨水泥灌注工作通道X線示意圖

1.4 影像學檢查將A、B、C各組椎體進行CT平掃及三維重建，從二維、三維觀察椎體結構及骨水泥的分布情況．

1.5 垂直壓縮試驗A、B、C各組椎體標本做軸向壓縮試驗，去除所有脊柱附件，僅保留椎體，假設椎體為圓柱形，根據每個椎體的前后徑，求出平均直徑和體界面積．用義齒基托樹脂將椎體下端8～10 mm包埋于特制的圓形金屬容器內，以2 mm／min的速度進行椎體整體軸向壓縮，直至椎體出現(xiàn)斷裂，記錄最大軸向壓縮載荷（F）及能量吸收值，最大應力（σult）＝最大壓力／體界面積（N／cm2），即椎體的最大抗壓強度．

1.6 統(tǒng)計學處理采用SPSS16．0測定指標采用表示，組間差異采用完全隨機設計的方差分析，P＜0．05表示差異具有統(tǒng)計學意義．

2 結果

2.1 骨密度檢查脫鈣前A、B、C組間椎體骨密度比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0．05）；經鹽酸脫鈣處理后，B、C組椎體的骨密度分別下降約27．3%、26．7%，較A組術前下降，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0．05），B、C兩組間椎體骨密度比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0．05，表1）．

表1 脫鈣前后A、B、C各組椎體的BMD

表1 脫鈣前后A、B、C各組椎體的BMD

aP＜0．05 vs A組脫鈣前骨密度．

2.2 影像學檢查A組椎體為正常骨質組，冠狀面及三維重建可見椎體骨質密度均勻，骨皮質完整光滑．C組椎體經脫鈣處理后，椎體骨小梁稀疏、骨皮質變薄，三維重建椎體表面欠光滑，椎體表面及橫突骨質丟失較多，以橫突為著．B組椎體中央可見顯影的骨水泥，骨水泥相對均勻的分布于椎體內，椎體邊緣皮質骨變薄，椎體表面及橫突部分骨質丟失（圖3）．

圖3 A、B、C各組椎體CT冠狀面及三維重建圖

2.3 垂直壓縮試驗經椎體成形術處理后B組椎體的最大軸向抗壓強度及能量吸收值較假手術組C組顯著提高，平均提高約2倍，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0．05）．B組的最大軸向抗壓強度及能量吸收值低于A組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0．05），部分數(shù)值已接近正常椎體的強度．

表2 各處理組的最大軸向抗壓強度和能量吸收值

表2 各處理組的最大軸向抗壓強度和能量吸收值

aP＜0．05 vs A組；cP＜0．05 vs B組．

3 討論

骨質疏松癥是人類自然進化過程中必然發(fā)生的疾病之一，而且隨著全球人口老年化日益加重，骨質疏松引發(fā)的脊柱疾病也呈日益增多趨勢［1－3，12］．在骨質疏松的情況下，由于骨質的丟失，椎體BMD下降，骨小梁數(shù)量減少、變薄、間距增大，椎體內骨小梁會出現(xiàn)骨小梁斷裂，即微骨折，進一步出現(xiàn)椎體楔形變，當在椎體受到較大的軸向壓應力時，則出現(xiàn)脊柱壓縮骨折．目前針對脊柱壓縮骨折的外科微創(chuàng)治療，最常選用的方法為椎體成形術及椎體球囊擴張成形術［13］，其中最經典的術式為椎體成形術［13－14］．然后，針對上述術式的研究，除了工具的改進以外，還有包括骨水泥材料強度及其分布的研究［15－17］，目前最常使用的骨水泥為PMMA．因此，針對脊柱壓縮骨折治療的大量基礎研究均需要在骨質疏松動物模型上進行，其中以生物力學測試作為實驗檢測金標準，因此必須選擇合適的動物來建立骨質疏松性生物力學模型．

目前骨質疏松動物模型研究已經很成熟，大量研究證實綿羊骨質疏松動物模型可用于脊柱內固定、骨填充材料、成骨材料及藥物方面的基礎研究．但是其依然存在建模周期長（至少需要6～9個月）、BMD下降程度不可控等諸多缺點［4－8］，不利于短期內反饋研究結果，延長了研究周期，尤其是對于需要進行力學測試的研究．因此，構建一種快速的、骨質疏松程度可控的體外模型很有必要，體外模型可為在活體模型上的研究提供參考依據，并縮短相關研究周期，及時為動物活體實驗提供力學參數(shù)及理論基礎．

骨質疏松性生物力學模型已有相關研究［18－20］，首先由張智海等［18］于2003年研究報道，通過向綿羊椎體體外注射EDTA及HCL，同時輔助椎體前壁浸泡在液體中的方法，可在5 d內初步建立骨質疏松椎體壓縮骨折模型．但該建模方法很多操作步驟都需要人工操作，同時忽略了鹽酸等脫鈣液會揮發(fā)的特點，因而存在較大實驗誤差．2008年張智海等［19］采用上述相同方法對三聯(lián)椎體進行脫鈣，構建骨質疏松脫礦化力學模型．雖然他對該方法進行了一些改進，但仍存在許多人為操作步驟，存在較大的實驗誤差．Akbay等［20］首次提出利用微量注射泵可精確、定時、定量灌注的特點，通過微量注射泵向椎體內灌注鹽酸脫鈣液．可快速建立小牛椎體骨質疏松脫礦化模型．但該模型依然存在缺點：椎體上的灌注固定器設計不合理，缺乏椎弓根及椎體內同時脫鈣的過程，脫鈣液經椎弓根后再緩慢流入椎體內，最終出現(xiàn)椎弓根脫鈣，這與生理狀態(tài)下的骨質疏松鈣質流失過程不符．同時該模型忽略了鹽酸等脫鈣液會揮發(fā)的特點，整個裝置完全開放并暴露在空氣中．因此，針對上述不足本研究做了一系列改進［9］：①自行設計一款灌注固定器，通過灌注固定器上的側孔及中空管道灌注脫鈣液，使得椎弓根及椎體內同步脫鈣；②同時密封裝置，將整個脫鈣反應過程與外界空氣隔絕，盡可能減少鹽酸揮發(fā)，減小實驗誤差．③整個操作過程在安裝好之后，除了更換脫鈣液需要手工操作以外，其余操作完全依靠注射泵等脫鈣裝置進行，可將系統(tǒng)誤差降到最低．同時通過大量的研究檢測證實，該建模方法可以快速建立不同BMD下降程度的骨質疏松脫礦力學模型，經過2、4、6 h的脫鈣處理，可建立BMD分別下降10%～25%，25%～35%，＞35%的椎體標本［10］．將骨量丟失百分率診斷法作為人骨質疏松的診斷標準［21－22］，經過體外脫鈣建模的方法，可分別建立骨量減少、骨質疏松及嚴重骨質疏松的椎體標本．同時通過影像學分析，通過不同脫鈣時間的處理，椎體、椎弓根的松質骨及皮質骨均出現(xiàn)骨質疏松樣變化［10］：骨小梁變薄、骨小梁間隙擴大及骨小梁數(shù)量減少、椎弓根釘?shù)榔べ|骨變薄．力學測試也證實隨著BMD的下降，該椎體脫礦化模型軸向拔出力及垂直抗壓強度均出現(xiàn)進行性下降，這與動物活體模型及臨床研究結果一致［6，9，23］．

該模型主要用于骨質疏松情況下脊柱生物力學測試，包括軸向拔出力實驗及垂直壓縮實驗，用于檢測脊柱內固定器械的改進、釘?shù)缽娀夹g以及生物材料的力學性能．該模型用于評價兩種釘?shù)缽娀夹g提高骨質疏松情況下椎弓根螺釘固定強度．研究［11］發(fā)現(xiàn)椎弓根釘?shù)勒w強化及局部強化技術均能顯著提高骨質疏松情況下椎弓根螺釘?shù)墓潭◤姸?；在注射相同劑量骨水泥情況下，釘?shù)勒w強化技術較局部強化技術更能提高螺釘?shù)墓潭◤姸龋瑫r釘?shù)谰植繌娀夹g既能保持“骨?螺釘”和“骨?骨水泥?螺釘”共存界面，避免螺釘被骨水泥嚴密包裹，又可以通過提高注射劑量使得釘?shù)谰植繌娀夹g達到與整體強化技術相近的強化效果．這為進一步動物體內研究提供了相關理論依據，并在體內骨質疏松模型上得到證實［23］．說明該骨質疏松脫礦化椎體模型可用于脊柱內固定器械及釘?shù)缽娀夹g的研究，但在該脫礦化椎體模型上進行椎體成形術則無相關實驗研究．

本研究通過椎體成形術在骨質疏松脫礦化椎體模型中的初步應用，其操作步驟與臨床手術過程基本一致，由于是標本模型，因而不需要進行多次X線透視，只需要術前通過測量穿刺深度及角度，然后在操作過程目測是否存在椎管內及椎體前方骨水泥滲漏，完成整個操作后再進行影像學明確骨水泥位置．本研究PMMA注射劑量的確定是依據釘?shù)缽娀夹g在骨質疏松脫礦化模型中的應用結果而決定的［11］．由于本研究主要是探討椎體成形術在骨質疏松脫礦化模型中的應用情況，因而所選擇的注射劑量并非最大劑量．術中B組出現(xiàn)1例椎管前壁滲漏，未見椎管內滲漏，這可能與樣本量偏小以及注射劑量并非最大劑量有關．通過影像學證實了不同實驗組的骨質情況以及骨水泥在椎體的位置，同時通過生物力學試驗驗證了椎體成形術可以顯著提高骨質疏松脫礦化椎體的抗壓強度．經椎體成形術處理后B組椎體的最大軸向抗壓強度及能量吸收值較假手術組C組顯著提高，平均提高約2倍，且有統(tǒng)計學意義，說明本實驗的綿羊椎體脫礦化模型可以用于椎體成形術的應用研究，具有很好的可行性．

雖然本研究的結果只能代表椎體成形術即刻的力學性能結果，對體內長期存留后的力學性能無法評估，但該結果可以為進一步體內實驗提供參考依據．同時椎體成形術通常用于椎體壓縮骨折的患者，而該研究雖然建立起了骨質疏松脫礦化椎體模型，但并不是骨質疏松引起的椎體壓縮骨折．因此，需要進一步構建骨質疏松脫礦化椎體壓縮骨折以及多節(jié)段椎體模型，并在椎體壓縮骨折模型基礎上進行脊柱內固定及椎體成形等研究，這也是未來研究的方向．

盡管建立的椎體模型不能完全等同于生理狀態(tài)下的骨質疏松，且接近骨軟化狀態(tài)，但是該方法可快速、有效、可控地建立近似于骨質疏松狀態(tài)下的生物力學測試模型，可為在骨質疏松動物活體模型下的生物力學研究提供參考依據．通過本課題的研究，可以認為綿羊椎體骨質疏松脫礦化模型不僅可以用于脊柱內固定技術的研究，也可以用于椎體成形術的實驗研究，并為進一步的研究提供理論依據．

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Preliminary application of vertebroplasty in the demineralized osteoporotic vertebra model of sheep in vitro

CUI Yi1，GU Qiong2，LIU Da3，LEI Wei4，XU Yong?Qing1，WU Zi?Xiang4

1Kun Ming General Hospital of PLA，Kunming 650032，China；
2No．60 Hospital of PLA，Dali 671000，China；3Cheng Du Gen?eral Hospital of PLA，Chengdu 610083，China；4Xijing Hospital of the Forth Military Medicine University，Xi'an 710032，China

AIM：To investigate the biomechanical properties and feasibility of vertebroplasty in the demineralized osteoporotic vertebra model of sheep in vitro．METHODS：A total of 30 sheep vetebra model were randomly divided into three groups：group A，undecalcified，blank control group；group B，vertebroplasted group after 4 hours'decalcification；group C，sham operation group after 4 hours'decalcification．Group B and C were treated with the demineralizing method of vertebral perfusion with hydro?chloric acid with micro syringe pump and soaking of vertebra in order to quickly establish demineralized osteoporotic vertebra model of sheep，with 10 vertebrae in each group．The feasibility and the mechanical properties of vertebroplasty were evaluated by bone mineral density，radiographs and biomechanical tests．RESULTS：BMD test showed that BMD was decreased in 25%～35%of group B and C after decalcification．There was no statistically significant difference between group B and group C（P＞0．05），while there were statistically significant differences among group A，B and C（P＜0．05）．X?ray and CT tests showed that vertebroplasty was feasible in vitro model，which remained in line with in vivo and clinical test in procedure and bone cement filling．The biomechan?ical test suggested that vertebroplasty could significantly improve the maximum compressive strength of the vertebrae of group B，and there was statistically significant difference among the three groups（P＜0．05）．CONCLUSION：The demineralized vertebra model of sheep in vitro can be used in the research of vertebro?plasty，which can provide some theoretical basis in the further study．

vertebroplasty；osteoporosis；demineralized vertebra model in vitro；bone mineral density；biomechanics

R332

A

2095?6894（2017）03?33?05

2017－01－07；接受日期：2017－01－23

軍隊醫(yī)學科技青年培育項目（15QNP031）

崔 軼．博士，主治醫(yī)師．研究方向：脊柱外科．E?mail：cuiyi1103＠sina．com顧 瓊．主管護師．研究方向：骨質疏松預防與治療．E?mail：2190765548＠qq．com

吳子祥．博士，副主任醫(yī)師．研究方向：脊柱外科．E?mail：wuzixiang＠fmmu．edu．cn