经皮穿刺椎体成形术中骨水泥的理化及生物力学性能回顾

　　作者：艾纯华 曹澍 卞传华　 陈阳 陈伟民 作者单位：解放军第208医院骨科，吉林 长春 130062

　　【关键词】 经皮穿刺椎体成形术;骨水泥;添加剂

　　经皮穿刺椎体成形术是治疗侵袭性椎体血管瘤、骨质疏松性椎体压缩性骨折、脊椎转移癌及多发性骨髓瘤的有效方法。自从20世纪60年代中期聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)用于临床以来，骨水泥在骨科的应用与日俱增。骨水泥潜在的用途导致新的经过修饰的骨水泥不断用于临床。应用骨水泥的合理性依赖于对它们性质的理解——包括其特点，抗菌效果及与周围骨组织的相互作用。本文旨在回顾不同的骨水泥的理化性质、生物力学特征及其添加剂的应用。

　　1 经皮穿刺椎体成形术

　　一种骨水泥是否适用某种程度上取决于对其应用范畴的理解。80年代中期，经皮穿刺椎体成形术被用于稳定骨折、肿瘤或转移癌破坏了生物力学特性的椎体。患者麻醉后采取侧卧位，在X线监控或CT引导下，将1113号套管针经单侧或双侧椎弓根穿刺进入受累椎体，然后注入骨水泥。在注射骨水泥的过程中始终保持侧方的X线监控以防骨水泥渗漏。骨水泥硬化后可以稳定椎体并迅速减轻患者的疼痛，疼痛缓解率在75%～85%之间〔1〕。骨水泥减轻疼痛的原因可能由于其机械性能的稳定，化学毒性或神经组织的热损伤。

　　2 骨水泥的性质

　　许多骨水泥从经济角度讲都可以用于临床，每种都有自己的物理、化学及生物力学特性。尽管许多骨水泥被许多欧共体成员国及世界上其他国家用于临床，却未被美国食品及药品管理局(FDA)通过。

　　许多报道比较了按照骨水泥供应商提供的方法进行椎体成形术时骨水泥的物理性质，如硬度及强度。一项研究发现圆柱型的单纯骨水泥比加入骨黏合剂的骨水泥强度更大，更坚固〔2〕。然而，因为注入椎体的骨水泥会产生非圆柱体的形状，并且椎体内骨水泥注入后会改变性能，所以人们在骨质疏松的尸体椎体上进行生物力学试验：首先测定椎体的强度和硬度，然后从后向前撞碎椎体来模仿压缩性骨折〔3〕，再用单纯骨水泥、加骨黏合剂的骨水泥，含钡骨水泥分别注入椎体进行检测，结果三种骨水泥都增加了椎体的强度，但是单纯骨水泥及用骨黏合剂骨水泥的实验组恢复了最初的硬度〔3〕。

　　3 骨水泥添加剂及其作用

　　很多临床医生在应用骨水泥时为方便使用并且改进其性能而使用添加剂。以下是常用的骨水泥添加剂及其理化性质。

　　3.1 液态聚合体 PMMA为基础的骨水泥由一种粉状及一种液态聚合体混合而成。骨水泥制造商都有自己的单体聚合体比例配方，通常用ml/g表示。改变单体聚合体比例如增加液态聚合体将会导致骨水泥稀释，这将延长操作和注射时间，还会影响骨水泥的性质，特别是它的强度和聚合温度，也可能会影响单体诱导的神经毒性作用，而神经毒性作用可能是术中缓解疼痛的机制。在一项用不同单体聚合体比例(0.40～1.07 ml/g)构建的圆柱形样品进行强度、压缩强度、保持机械性能的检测实验中，人们发现当单体聚合体比例为0.53 ml/g时三种测试结果最好，这个比例接近制造商推荐使用的0.57 ml/g的比例。实验者因而估计临床进行椎体成形术时的比例为0.60～0.74 ml/g之间，这样可以导致强度上有16%的差异〔4〕。

　　3.2 显影剂 许多显影剂如钽粉、钨、硫酸钡及二氧化锆等被加入骨水泥，使骨水泥在注入时可以在荧光监视下进行，从而避免出现骨水泥渗漏〔5～7〕。尽管钨粉及钽粉已经应用，它们对骨水泥的物理和机械性能的影响却未被人知。添加硫酸钡的研究得出不同的结论：有报道称它可能减弱骨水泥的抗变形能力甚至出现断裂〔8〕;减弱了一些物理性能如弹性、压缩性能及横向的承载能力〔9〕;在添加剂不超过干粉总重的50%的情况下不影响承受剪切力 〔11〕;硫酸钡不仅影响骨水泥的机械性能而且影响聚合温度，当PMMA中混入30%及60%的硫酸钡时最高聚合温度相应为60℃和44℃〔10〕;另一项研究则显示当PMMA中加入10%硫酸钡与不加入硫酸钡时的最高聚合温度没有明显区别〔9〕。尽管如此，Haas等〔9〕还是发现骨水泥加入10%硫酸钡后的硬化时间、起效时间都延长了。硫酸钡添加剂还与骨吸收的增加有关〔12，13〕，而这种情况将会影响到经皮椎体成形术后骨水泥的力学性能。这些发现导致有关硫酸钡可以加强巨噬细胞破骨细胞分化从而引起骨吸收增加的假设的提出〔13〕。骨水泥添加二氧化锆也出现不同的结果。一项研究报告认为可以导致明显的骨吸收的增加，尽管吸收量比加入同等量硫酸钡减少了50%〔12〕。另一项研究则表明加入二氧化锆明显地减少了骨吸收〔13〕。

　　3.3 抗生素 抗生素可以被加入骨水泥中从而减少感染的机会〔6，7〕。这些抗生素也影响到骨水泥的机械性能。研究表明在骨水泥中加入不同种类的抗生素，每标准包装内少于2 g时不会对骨水泥的机械性能造成很坏的影响，然而当加到2 g以上时则明显破坏骨水泥的机械性能〔14，15〕，这被向PMMA中加入0.5 g红霉素和0.24 g多黏菌素时没有破坏骨水泥的疲劳寿命所证实〔16〕。抗生素添加剂的研究也得到不同的结论。一项研究在骨水泥中加入庆大霉素、苯唑青霉素粉或头孢菌素，结果在短期内发现与没有粉状抗生素的对照组之间没有显著的差异〔17〕，另一项研究则发现骨水泥中注入庆大霉素注溶液与没有注入庆大霉素注溶液的骨水泥相比出现机械性能的显著差异〔15〕。尽管研究结果并不说明加入抗生素不超过2 g对骨水泥的机械性能不会产生不良影响，但还是认为每60 g PMMA中加入2 g抗生素较为合适〔18〕。另外部分临床医生在椎体成形术前即开始应用静脉滴注抗菌素，从而避免骨水泥的性质由于添加抗生素而发生改变 〔19〕。

　　4 缓解疼痛

　　神经组织周围的热损伤被认为是椎体成形术镇痛效果的一种机制。当温度超过50℃持续1 min以上时骨组织周围出现热损伤。Deramond〔20〕等人测量经双侧椎弓根注入骨水泥后尸体脊柱前侧皮质、中心及椎管内的温度后得出：在椎体中心部分注入PMMA后可以出现超过50℃的高温且持续时间较长，(61.8±12.7)℃，(3.6±2.1)min;而前方皮质及椎管内的温度没有超过41℃。作者提出假设：如果按照这样的实验结果，似乎椎体成形术后疼痛的缓解不是来自骨组织间神经组织的破坏。

　　5 骨黏合

　　PMMA骨水泥不能与存在的骨组织黏合〔21〕，但是这个缺点不如在关节成形术中那么显著。因为骨水泥直接注射到骨组织中，不同于关节成形术被用做黏合剂，骨水泥松动不会造成任何可被察觉的问题。研究结果表明，经过术后平均1.3年的随访，椎体在抗压及成角方面均保持稳定〔22〕。20个椎体中只有1例骨水泥压缩变形，其他19例没有出现骨水泥的变形〔22〕。另一项术后4年随访表明椎体成形术后椎体畸形没有进展〔23〕。然而，如果骨水泥松动到影响椎体结构的完整性时，骨水泥周围的椎体将再次出现骨折〔24〕。

　　6 骨形成及其他新的进展

　　研究表明尽管PMMA骨水泥不能诱导新骨形成〔22〕，但一些新的骨水泥不仅能促进骨生长而且可以改进其物理和机械性能，这对经皮穿刺椎体成形术很有益处。一种新近开发的骨水泥包括生物活性珠及新奇的PMMA矩阵结构，可使新骨在活性珠周围生成并且增加了弯曲力量〔25〕。另一种向异丁烯酸酯中加入玻璃陶瓷粉及双酚甘油制成的具有生物活性的丙烯酸骨水泥，可以在4～8 w后直接与骨组织黏合在一起，且具有更快的硬化时间，较低的治疗温度及更好的物理性质〔26〕。在一项研究中，调查者检测了向新鲜尸体胸椎及腰椎体内注射BoneSouce(一种有生物活性的羟基磷灰石骨水泥)和Cranioplastic(一种PMMA的衍生物)，然后机械压缩〔27〕。注射Cranioplastic的椎体表现出比压缩骨折前明显增大的强度，而注射BoneSouce的椎体则重获了最初的强度〔27〕。相似的PMMA与BoneSouce对比表明两种骨水泥与压缩前相比硬度下降〔28〕。PMMA与Orthocomp恢复椎体强度及硬度的能力也得到对比研究〔29〕。在力学及硬度测量完成后，用机械压缩的方法造成骨质疏松性尸体的椎体压缩性骨折，然后注入骨水泥或Orthocomp并且重新测定，结果显示两者都明显增加了椎体的强度。椎体硬度应用Orthocomp组恢复如初，用PMMA组则明显降低〔29〕。相似的研究比较了PMMA骨水泥与透钙磷酸盐骨水泥的硬度及强度〔30〕，硬度增加了平均174%和120%，强度增加了195%和113%。实验还表明骨水泥的扩大效应部分来自于充填情况，尽管相关性很差〔30〕。其他实验如含骨形态发生蛋白(BMP)骨水泥的实验正在进行，BMP属于转化生长因子(TGFβ)家族的蛋白质，在骨基质中可以发现〔31〕。尽管对于PVP来说还没有特殊的发现，但是应用注入BMP的骨水泥植入骨的研究已经显示有新骨形成并且有着剂量依赖关系〔32，33〕。

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