王志坤,馮慶裕,張賢森,李再學(xué),謝文偉

東莞市松山湖中心醫(yī)院骨科(廣東東莞 523326)

目前全球人口老齡化趨勢日益明顯，骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折(OVCF)已逐漸成為老年人常見的骨折類型[1],約占骨質(zhì)疏松性骨折的45%。經(jīng)皮椎體強化術(shù)，包括經(jīng)皮椎體成形術(shù)和球囊后凸成形術(shù)，已成為治療OVCF的常規(guī)手術(shù)方法，并取得了廣泛滿意的療效[2]。隨著手術(shù)患者的增多，有大量文獻報道術(shù)后再發(fā)椎體骨折的發(fā)生率較高。因此，有學(xué)者認為骨水泥椎體強化術(shù)可能會增加再發(fā)椎體骨折的風(fēng)險，特別是鄰近椎體，但是目前并沒有確切的證據(jù)[3-6]。我們于2020年1—3月對骨水泥強化骨折椎體及鄰近非骨折椎體力學(xué)改變作一研究，現(xiàn)報告如下。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 X 光機(北京航天中興醫(yī)療系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)，中國)， C 型臂X光機(通用醫(yī)療器械廠生產(chǎn)，美國)，骨密度儀XR-36 型雙能X 線(Lunar 公司，美國)，SW10 電子式萬能試驗機(濟南恒瑞金試驗機廠制造，中國)，普通冰箱(青島海爾公司，中國)，椎體成形術(shù)器械(山東龍冠醫(yī)療器械用品有限公司，中國)，注射器(5 mL、10 mL、20 mL)，(江蘇公司，中國)，PMMA 骨水泥、PMMA 液相(天津市合成材料工業(yè)研究所，中國)，牙托粉(廣州市石膏制品廠，中國)，成年新鮮山羊腰椎15具，于附近屠宰場購買。

1.2 實驗方法

1.2.1 標本處理及分組 成年新鮮山羊腰椎15具，剝離并切除周圍肌肉、韌帶和骨膜，椎間盤組織、軟骨終板，保留骨性終板的完整，分離成單椎體，注意保留椎體后部。經(jīng)過肉眼與 DR 觀察，無明顯骨缺損，無病變與畸形，產(chǎn)生75個椎體。修剪部分橫突和棘突的尖端，以便于測試。根據(jù)配對設(shè)計，將連續(xù)的3個椎體標本配成對子(L1～L3，L4～L6)，交叉分配到A、B、C組，每組25個，A組不脫鈣，B組脫鈣后骨水泥強化骨折椎體組，C組脫鈣骨水泥強化非骨折椎體組，使3組間標本均衡可比。分別將3組椎體放入恒溫干燥箱，105℃干燥1 h后秤干重。以阿基米德定律用酸式滴定管精確測量每個椎體的體積。用雙能X射線吸收儀(DEXA)測量骨密度(BMD)。

1.2.2 脫鈣方法 用錐子在椎骨橫突和小關(guān)節(jié)中線的交界處鉆入椎弓根。用鈍尖椎弓根探針將此孔伸入椎體40 mm深。直徑約為4 mm，相當(dāng)于鈍型椎弓根探針的直徑。然后A組用鹽泡紗布包裹，密封在塑料袋中，冷凍保存在-20℃直到測試日。B組與C組參考Atilla Akbay的脫鈣方法[7]，將每個椎骨單獨放置在裝有500 mL鹽酸脫鈣溶液的玻璃量杯中，溶液的溫度是20～22℃。將一個塑料錐形接頭插入椎弓根上的孔，連接一根60 cm長的塑料管，先推注50 mL脫鈣劑溶液。然后，用控制注射器式輸液泵將480～500 mL脫鈣劑溶液通過同一個孔注入椎骨，該泵的輸液速度為40 mL/h。另一個椎弓根采用相同的步驟再脫鈣12 h，共脫鈣時間為24 h。然后用自來水沖洗椎骨，用500 mL鹽水沖洗椎弓根孔，將脫鈣液從標本中完全沖洗干凈。再次測量椎體重量及骨密度。所有的樣品都解凍達到室溫，并在整個注射和測試期間保持濕潤。見圖1。

1.2.3 骨水泥強化骨折及非骨折椎體模型的生物力學(xué)測試 將B組脫鈣后的羊椎骨，用牙托粉固定兩個終板，安放于力學(xué)實驗儀平行金屬板上，調(diào)整試驗機的高度，使得單元椎的上下兩個面與模具貼合，并用 1 mm/min 的加載速度預(yù)壓，力量達到100 N 時停止，目的為消除蠕變運動，并且使椎體充分固定于模具之中，不至于滑脫掉落影響數(shù)值的測定，充分固定完畢后試驗力調(diào)零；采用5 mm/min的加載速度垂直軸向壓縮，試驗力精確度為 0.01 N，位移精確度為 0.01 mm，試驗中嚴密觀察各個椎體變化，加載至椎體強度失效停止。將骨折后的B組椎體和C組脫鈣后的羊椎骨，采用椎體成形穿刺針，通過兩個椎弓根的輸液孔，經(jīng)雙側(cè)椎弓根穿刺椎體中央處，C臂透視確認，配備PMMA骨水泥，常溫下等待8 min后，在C型臂X線機監(jiān)控下，經(jīng)雙側(cè)穿刺針向每椎體注入3 mL骨水泥(圖2)。等待骨水泥完全凝固。按上述測試方法分別加載三組椎體至椎體強度失效，通過對荷載-位移關(guān)系圖的分析，確定了失效強度及失效位移。根據(jù)圖表計算剛度(N/mm)，整個過程保持室溫恒定并使用注射器向椎體上噴灑生理鹽水以保持濕潤，減少誤差。

注：A：羊椎骨脫鈣前矢狀位切面圖；B：羊椎骨脫鈣后矢狀位切面圖，觀察到脫鈣后椎體皮質(zhì)變薄和終板下可見的致密的軟骨下骨松動

注：A：脫鈣羊椎骨模型經(jīng)雙側(cè)椎弓根插入穿刺針；B：脫鈣羊椎骨模型經(jīng)椎體強化術(shù)后CT橫截面

2 結(jié)果

2.1 骨質(zhì)疏松羊椎骨模型建模結(jié)果 A、B、C三組椎體脫鈣前的重量、骨密度、體積差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，B組脫鈣前后的骨密度下降比達32.6%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。C組脫鈣前后的骨密度下降達31.9%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，B、C兩組脫鈣后骨密度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表1。

表1 3組椎骨骨密度、重量、體積的比較

2.2 生物力學(xué)測試結(jié)果 B組失效強度比A組下降123%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，B組剛度比A組下降102.6%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。B組骨水泥強化后的失效強度及剛度分別是強化前的2.5倍和5倍，是C組失效強度的1.7倍，剛度的4.8倍，C組失效強度比骨水泥強化前的B組增加48.6%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，剛度稍增加3.3%，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。失效位移差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表2。

表2 3組椎骨失效強度、失效位移、剛度的比較

3 討論

由于目前供研究的人體尸體標本有限，關(guān)于骨質(zhì)疏松的研究，有學(xué)者建議利用羊椎骨建立骨質(zhì)疏松模型模擬人體骨質(zhì)疏松椎體進行生物力學(xué)研究[8-9]。而利用脫鈣的方法建立骨質(zhì)疏松模型是得到國內(nèi)外學(xué)者所認可的[7，10]。該方法快速、簡便、可控、而且費用低。至于如何判斷是否成功建立骨質(zhì)疏松動物模型的標準取決于骨密度下降比。由于動物不能參考人類的數(shù)據(jù)進行標準差判斷,故一般以造模前后骨密度值下降25%為骨質(zhì)疏松的診斷標準[7]。在我們的模型中，脫鈣前和脫鈣后的骨密度平均下降32.3%。根據(jù)骨密度低于0.75 g/cm2被認為是骨質(zhì)疏松癥[11]。本研究脫鈣后椎體骨密度平均為0.74 g/cm2。因此，有理由說我們的脫鈣方案能夠成功地降低羊椎骨的骨密度。如圖1所示，脫鈣過程導(dǎo)致椎骨皮質(zhì)變薄和骨小梁成分脫鈣。椎骨的力學(xué)性質(zhì)(剛度、應(yīng)變、極限載荷等)與骨基質(zhì)的礦化程度有關(guān)[12-13]。Turner[14]觀察到抗扭強度與礦物含量成正比，且大部分取決于礦物含量。本研究對羊椎骨進行24 h酸的脫鈣處理，羊椎骨骨礦質(zhì)逐漸減少，骨密度隨之下降，而椎體的失效強度和剛度均隨之下降。本研究結(jié)果表明，脫鈣方案也能模擬骨質(zhì)疏松癥患者脊柱椎體力學(xué)性能的退化。這是一個制作骨質(zhì)疏松椎骨容易獲得的方法，它具有晚期骨質(zhì)疏松癥的生物力學(xué)性質(zhì)。用該方法制作的羊椎體可用于椎體最大強度及剛度測量的研究。

劉祥飛等[15]報道單側(cè)入路椎體成形術(shù)生物力學(xué)效果與雙側(cè)入路接近，但本研究采用臨床較常用的雙側(cè)入路，雙側(cè)共注射3 mL PMMA骨水泥。通過我們建立的模型，對比B組椎體骨折前及骨折后椎體強化術(shù)后力學(xué)變化，結(jié)果顯示可增加椎體強度約2.5倍和剛度約5倍，與Seei等[16]的研究結(jié)果一致。Seei等[16]的生物力學(xué)研究表明骨水泥會增加傷椎的剛度和強度，骨水泥填充后的傷椎會導(dǎo)致相鄰椎體負荷增加，從而引起隨后的骨折。Fahim等[17]和Bedemann等[18]的研究也指出椎體成形術(shù)會改變脊柱的載荷傳遞，導(dǎo)致鄰近椎體負荷增加，從而增加未治療相鄰椎體骨小梁隱匿性骨折或鄰近椎體骨折的風(fēng)險。椎體的強度和剛度與骨密度密切相關(guān)，與骨密度遠低于正常水平的人相比，那些骨密度正常或接近正常的椎體可能表現(xiàn)出較少的椎體成形效果。李家瓊等[19]報道椎體的骨疏松越重，椎體成形后受到的應(yīng)力越高。臨床行椎體成形的患者均是骨質(zhì)疏松的患者，故椎體成形術(shù)后明顯增加椎體的強度及剛度。

恢復(fù)椎體剛度和增加椎體強度可能是椎體強化的理想的結(jié)果。但從本研究結(jié)果顯示椎體強化術(shù)導(dǎo)致椎體剛度值明顯大于初始值，導(dǎo)致鄰近椎體 “應(yīng)力集中”效應(yīng)明顯，從而增加骨折風(fēng)險，故有必要增加鄰近椎體的抗壓強度。所以臨床上在椎體發(fā)生骨質(zhì)疏松性壓縮骨折后，骨折椎體強化同時，對鄰近未骨折椎體進行預(yù)防性強化，符合生物力學(xué)需要，尤其骨質(zhì)疏松明顯的患者。Alkalay等[20]報道經(jīng)椎體成形術(shù)后的骨折椎骨強度增加。Furtado等[21]通過骨折后與正常人椎體成形的生物力學(xué)比較，得出結(jié)論：預(yù)防性椎體成形增加了破壞強度，同時保持了剛度。與本研究C組中骨水泥強化非骨折椎體的力學(xué)改變一致。

關(guān)于為何骨水泥強化骨折椎體比強化非骨折椎體的強度和剛度均增加明顯。分析原因，骨水泥比松質(zhì)骨堅硬得多。根據(jù)大量的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，向椎體腔內(nèi)注射水泥可顯著增加椎體的剛度和極限強度。這些變化使鄰近椎體的壓力大幅度增加。本研究認為當(dāng)椎體發(fā)生骨折，椎體表面密質(zhì)骨受到破壞，椎體形態(tài)發(fā)現(xiàn)改變，終板塌陷，抗壓能力及剛度隨之下降，此時靠椎體內(nèi)松質(zhì)骨支撐，此時向椎體注射骨水泥后，骨水泥比松質(zhì)骨堅硬得多，骨水泥沿骨折線間隙分布為主，通過在終板之間建立水泥橋，完成替代松質(zhì)骨支撐，此時椎體的強度與剛度相當(dāng)于骨水泥的強度與剛度，得到大大的提高。而骨水泥強化非骨折椎體，椎體表面的密質(zhì)骨完整性仍存在，即使注射骨水泥，骨水泥通過小梁間隙流動，導(dǎo)致彌漫性骨水泥云層在增強和非增強骨區(qū)域之間有連續(xù)的過渡。這使得界面處的應(yīng)力集中越小，力傳遞越平滑，椎體的強度及剛度仍主要靠表面的密質(zhì)骨維持，故其最大強度及剛度沒有骨折椎體改變明顯。

本研究的不足之處，第一，本研究所建立的羊椎骨模型中的骨小梁的結(jié)構(gòu)在脫鈣后仍然存在，從組織學(xué)和形態(tài)學(xué)更符合骨軟化癥，而不是骨質(zhì)疏松癥，為了真實模擬骨質(zhì)疏松癥，膠原含量和骨小梁本身的結(jié)構(gòu)需要去除，但是在本研究的模型中沒有去除。但是這種組織學(xué)和形態(tài)學(xué)的變化不應(yīng)否認該模型的實驗意義。從生物力學(xué)的角度來看，結(jié)構(gòu)特性是最重要的。因此，本研究所作的羊椎骨模型具有生物力學(xué)觀察和相關(guān)實驗研究的價值。第二，本研究只檢查了單椎體垂直軸向壓縮負荷，而沒有檢查脊柱功能單位，沒有研究椎間盤在椎體強化術(shù)后生物力學(xué)中的作用及人體脊柱活動時的多方向的負載。第三，根據(jù)Kurutz等[22]研究，預(yù)防性椎體強化的力學(xué)性能與骨水泥面和椎體終板距離及和終板接觸次數(shù)等因素有關(guān)，本研究沒有作具體分析，故仍需進一步研究。

利用脫鈣方法建立的羊椎骨模型具有骨質(zhì)疏松力學(xué)性能，在軸向的加載條件下，經(jīng)骨水泥強化的骨折與非骨折羊椎骨的失效強度及剛度均有增高，而且骨折椎體增加明顯，表明骨水泥強化能恢復(fù)骨折椎體的力學(xué)性能，但導(dǎo)致椎體剛度明顯升高，對鄰近非骨折椎體預(yù)防性強化有助于提高椎體抗壓強度，維持椎體剛度，可能對預(yù)防鄰近椎體骨折有作用。