骨水泥和纳米骨浆强化椎弓根螺钉植入固定骨质疏松椎体的生物力学特点

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.52.006

摘要/Abstract

摘要：

背景：纳米骨浆和骨水泥注入是强化椎弓根螺钉固定的两种常用方法，但目前关于两种加强方法的强化效果比较的报道相对较少。
目的：对比骨水泥或纳米骨浆强化椎弓根螺钉植入固定骨质疏松椎体的生物力学特点。
方法：取24个人尸体椎弓根，均符合骨质疏松标准，随机均分为3组，对照组仅植入椎弓根螺钉，骨水泥组在钉道内注入骨水泥后植入椎弓根螺钉，纳米骨浆组在钉道内注入纳米骨浆后植入椎弓根螺钉。植入2 h后，检测各组标本最大轴向拔出力和最大旋出力矩。
结果与结论：骨水泥组、纳米骨浆组的最大轴向拔出力和最大旋出力矩均大于对照组(P < 0.05)，并且骨水泥组的最大轴向拔出力和最大旋出力矩大于纳米骨浆组(P < 0.05)。表明骨水泥和纳米骨浆强化可有效提高椎弓根螺钉植入固定骨质疏松椎体的最大轴向拔出力和最大旋出力矩，且骨水泥强化效果更明显。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 椎弓根螺钉, 骨水泥, 纳米骨浆, 骨质疏松, 加强, 生物力学, 稳定性

Abstract:

BACKGROUND: Nano bone putty and bone cement injection are two common methods to strengthen the fixation of pedicle screws, but there are relatively few reports on the comparison of their strengthening effects.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical characteristics of bone cement and nano bone putty strengthening pedicle screw implantation in the fixation of osteoporotic vertebral body.
METHODS: Totally 24 human cadaveric pedicles were obtained, which were all in line with osteoporosis standards, and randomly divided into 3 groups: control group (only implanted pedicle screws), bone cement group (first injected bone cement in the nail channel, and then implanted pedicle screws) and nano bone putty group (first injected nano bone putty in the nail channel, and then implanted pedicle screws). After 2 hours of implantation, the maximum axial pullout strength and the maximum rotation torque of specimens in each group were determined.
RESULTS AND CONCLUSION: The maximum axial pullout strength and maximum rotation torque of the bone cement and the nano bone putty groups were greater than those of the control group (P < 0.05), and the maximum axial pullout strength and the maximum rotation torque of the bone cement group were greater than those of the nano bone putty group (P < 0.05). These results demonstrate that the maximum axial pullout strength and the maximum rotation torque of pedicle screw implantation in the fixation of osteoporotic vertebral body can be effectively improved by injection of bone cement and nano bone putty, and the strengthening effect of bone cement is more obvious.

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中图分类号:

R318

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Lu Xiao-bing, Meng Xiang-xiang. Bone cement and nano bone putty strengthen pedicle screw implantation in the fixation of osteoporotic vertebral body: biomechanical characteristics[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(52): 8396-8400.

图/表（结果） 2

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引言

现如今，临床治疗多种疾病的过程中均会使用椎弓根螺钉固定技术，但一些患者合并有骨质疏松现象^[1]，在内固定过程中受到骨质疏松的影响，较易出现固定失败现象，不利于手术的顺利开展。骨质疏松患者因骨-钉界面连接不牢固，导致脊柱不易获得稳固的内固定，或者在术后早期即出现螺钉拔出等情况，严重影响手术效果及患者术后恢复等^[2]。骨质疏松患者的骨质无法提供常规椎弓根螺钉复位及长期固定所需的把持力，因此以往对此类患者多采取卧床保守治疗。保守治疗主要以卧床休息为主，辅以抗骨质疏松及促进骨折愈合药物等治疗，增加了患者承受长期疾病折磨的痛苦及由于长期卧床而引起的并发症。总体来看，保守治疗存在诸多缺点：①长期卧床常并发压疮、下肢深静脉血栓及坠积性肺炎等并发症。②治疗时间长，护理困难，患者活动不便、难以配合，给患者及家属带来很多不便。③易发生便秘、腹胀、腹痛、食欲减退、厌食、睡眠质量下降、情绪低落，甚至抑郁症的发生等。再者，保守治疗椎体的高度难以恢复，部分患者遗留急慢性胸腰部疼痛、脊柱变形(后凸侧凸畸形)等，而且对脊柱活动产生影响。所以，保守治疗一般只针对无法耐受手术治疗或因各种社会经济因素无法实施手术患者。接受手术的患者术后也较易出现螺钉松动等情况，需要进行二次翻修手术，患者痛苦大、医疗费用高。尤其是随着中国人口老龄化程度的不断加深，患有骨质疏松的人数越来越多，此类问题也日渐突出。为此，临床需要积极采取有效措施对椎弓根螺钉固定进行加强，以保证手术的顺利开展，并维持长期、稳定的生物力学特性。
目前，临床使用的加强方法很多，其中纳米骨浆和骨水泥注入是两种常用的加强方法^[3]。刘达等^[4]通过构建骨质疏松绵羊腰椎模型，对比骨水泥强化椎弓根螺钉固定与膨胀式椎弓根螺钉固定效果，发现骨水泥强化椎弓根螺钉固定置钉后不同时间的稳定性均显著优于膨胀式椎弓根螺钉固定。但目前关于两种加强方法强化效果比较的报道相对较少。为此，此次研究即通过骨水泥和纳米骨浆强化椎弓根螺钉固定，并进行生物力学测试，比较二者的最大轴向拔出力和最大旋出力矩，以探讨两种加强方法在椎弓根螺钉治疗骨质疏松中生物力学特点，为临床治疗提供一定的参考。

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材料方法

1.1 设计随机对照实验。

1.2 时间及地点于2015年5至6月在南京医科大学完成。

1.3 材料

腰椎标本：从南京医科大学解剖实验中心获得3具完整的人腰锥标本(L₁-L₅)，经双能X射线骨密度仪扫描，峰值骨量减少2标准差(-2.0 SD)或骨量下降25%，符合骨质疏松标准，且骨质疏松严重程度基本一致，利用X射线摄影机(珠海普利德医疗设备有限公司)排除骨折或肿瘤、先天性畸形等。清除标本附着韧带和肌肉等，从间盘处进行断离，游离获得单个椎体，一共获得12个椎体(24个椎弓根)。本次研究相关内容和方法均经本院伦理部门审核并批准，实验设计方案、伦理问题等均符合要求。

椎弓根螺钉钉棒系统：生产企业：美国 Blackstone Medical Inc.，商品名：Spinal Fixation System，产品标准：进口产品注册标准 YZB/USA0168-2006《椎弓根螺钉系统》。系统由螺钉和垫片及锁定帽与横向连接器组成(图1)，材料为Ti6Al4V钛合金，非灭菌包装，安全无毒，具有良好的生物相容性。

骨水泥：商品名：CEMEX；生产企业：北京爱康宜诚医疗器材有限公司；产品标准：进口产品注册标准 YZB/ITA 0395-2010《骨水泥》；产品性能结构及组成：该产品由液体及粉体组成，经混合搅拌后使用。液体成分为甲基丙烯酸甲酯单体、对苯二酚和N，N二甲基聚合甲苯胺；粉体成分为聚甲基丙烯酸甲酯甲基、过氧化二苯和硫酸钡。有高、黏粘度两种，灭菌包装，经测试无细胞毒性，具有良好的血液及组织相容性。

纳米骨浆：由四川国纳科技有限公司提供，成分为纳米结晶羟基磷灰石和骨诱导材料；经测试，材料无细胞毒性，具有良好的血液及组织相容性。

1.4 方法将24个椎弓根随机均分为3组，分别设为对照组和骨水泥组及纳米骨浆组。对3组进行椎弓根螺钉植入，具体方法为：采用人字嵴定位法，选择统一直径和长度的椎弓根螺钉，由人字嵴顶点进行螺钉植入，植入深度40 mm，其中对照组进行直接植入，骨水泥组及纳米骨浆加强组先进行钉道准备，分别注入骨水泥和纳米骨浆之后再植入螺钉。实验流程见图2，椎弓根螺钉植入情况见图3。

1.5 主要观察指标植入结束后，将标本置于常温环境下，放置2 h，利用生物力学动态疲劳实验机(济南东测试验机技术有限公司)进行生物力学测试，每组各个椎体按照随机原则对两侧进行最大轴向拔出力和最大旋出力矩测试，测试过程中椎弓根螺钉长径要与生物力学动态疲劳实验机的运动方向保持在同一轴线上。

最大旋出力矩测试：选择一侧椎弓根，以10 (°)/min速度进行旋出测试，记录最大旋出力矩。

最大轴向拔出力：选择另一侧椎弓根，以5 mm/min的速度进行轴向牵拉，至螺钉拉出停止，并对最大轴向拔出力数值进行记录。

1.6 统计学分析研究过程中得到的所有研究数据均录入SPSS 19.0统计学软件，并进行处理。计量资料符合正态分布的予以t 检验，不符合正态分布的予以单因素方差分析。检测P值，如果检测P < 0.05，则提示经比较两组数据间存在统计学差异。

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讨论

椎弓根螺钉固定治疗可对病椎节段予以有效固定，分担载荷并恢复其稳定性^[5-8]，从而有效缓解患者的临床疼痛等症状，减少卧床时间，避免出现各种并发症[9]。但很多老年人退变性腰椎失稳合并较重的骨质疏松。骨质疏松症是一种全身代谢性骨骼疾病，人到老年，随着激素、代谢水平的改变，致使体内活性维生素D缺乏，继而引起机体对钙的利用率下降，骨基质减少，骨质量下降，经临床影像学检查可见骨小梁间隙出现增大现象^[10-11]。
受到骨质疏松的影响，患者骨密度降低，骨质量差，对螺钉的持钉能力下降，影响固定效果^[12]，在术后还极易出现螺钉松动及脱钉，导致固定失败，严重影响到患者的术后恢复^[13]。因此，对于那些年龄大且伴有严重骨质疏松病的患者，常规椎弓根螺钉对于骨质疏松骨质的把持力下降^[14]。骨质疏松骨质无法提供常规椎弓根螺钉复位及长期固定所需的把持力，因此以往对此类患者多采取卧床保守治疗，增加了老年患者承受长期疾病折磨的痛苦及由于长期卧床而引起的并发症。患者在接受内固定手术时常面临两方面难题：一是现有脊柱螺钉不能满足骨质疏松脊柱手术的固定要求；二是严重骨质疏松患者的螺钉松动率极高，一直被视为脊柱内固定的手术禁区^[15-17]。为此，临床需要积极采取有效措施对椎弓根螺钉固定进行加强，以保证手术的顺利开展，并维持长期、稳定的生物力学特性^[18]，避免椎弓根处膨胀导致爆裂骨折的危险，克服螺钉容易断裂的缺陷，解决螺钉安全性问题^[19]。
目前，纳米骨浆和骨水泥注入是两种常用的加强方法。其中俗称“骨水泥”的聚甲基丙烯酸甲酯是一种高分子聚合物^[20]。这种“骨水泥”与日常水泥有相似的特征，能够迅速变形硬化，可将金属、陶瓷或塑料等材料制成的人工关节与活体骨骼连接起来，并保持不松动。由于骨水泥向骨小梁中渗透，松质骨得到加固后可承受形变力量。对于存在骨质疏松的患者，螺钉植入把持力不够坚强，可加入骨水泥维持复位固定^[21-23]。在注射过程中骨水泥为液态，在注入到骨骼病变部位后，骨水泥便可以迅速凝固，达到一定的强度，使病变骨骼得到“修复”，达到正常甚至超过正常骨骼的强度。固化后聚甲基丙烯酸甲酯的抗压强度为420 kg/cm2，抗弯曲与抗拉强度则较低，弹性模量相当于皮质骨的1/8。根据抗压强度、抗弯曲强度、抗拉强度及弹性模量可知，骨水泥的机械强度高于松质骨而低于皮质骨及假体^[24-25]。通过螺钉中间通道向椎体内灌注骨水泥，待骨水泥凝固后，螺钉与椎体结合为一体，固定牢固，从而能避免因骨质疏松导致术后螺钉松动及脱钉等并发症，达到满意的固定效果^[26]。樊仕才等^[27]利用聚甲基丙烯酸甲酯对骨质疏松椎弓根螺钉固定进行强化，并进行生物力学测试，发现强化后椎弓根螺钉的最大抗压力显著高于强化前，可有效增加螺钉在椎体内的稳固性。辛世樵^[28]也报道在治疗骨质疏松性椎体骨折的过程中，较之单纯经椎弓根钉棒系统固定治疗，实施骨水泥强化椎弓根螺钉内固定伤椎锥体成形治疗，可以获得更好的临床效果且并发症少，是一种较为安全有效的治疗方案。纳米骨浆成分为纳米羟基磷灰石复合骨诱导材料，羟基磷灰石是人骨无机质的主要成分，它赋予骨抗压强度，是骨组织的主要承力者。由于羟基磷灰石与人体骨骼天然化学成分相似，而被成功应用于快速促进骨组织固定等骨科手术，并且羟基磷灰石可直接与宿主骨骼组织固定，具有优异的骨传导和骨诱导性能，使其较其他陶瓷生物材料具有明显优势。在自然界，某些细菌细胞膜可以不同程度地矿化，细胞膜外S层含有规则排列的蛋白质分子，可作为模板诱导矿化微结构合成纳米材料。纳米骨浆具有瞬间凝固特性，注射到断骨或病骨部位随即凝固，起到支撑等作用。在注入纳米骨浆之后，可以对钉道予以有效填充，显著增强螺钉的把持力。纳米骨浆具有良好的液体流动性和黏性，注射之后可以定型留在原处，减少植入物移位的出现，并且进入体内的纳米骨浆最终可降解，溶为人体的一部分^[29]。
通过此次研究发现，骨水泥组、纳米骨浆组的最大轴向拔出力和最大旋出力矩均显著高于对照(P < 0.05)，且骨水泥组的最大轴向拔出力和最大旋出力矩显著高于纳米骨浆组(P < 0.05)。通过聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥等强化椎弓根螺钉后，螺钉的稳固性取决于钉与骨水泥界面和骨水泥与骨界面的连接强度。聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥在椎体松质骨中扩散，与骨的接触面增加，而且钉与骨水泥界面的连接强度相当牢固，即提示通过骨水泥和纳米骨浆强化，可有效提高椎弓根螺钉治疗骨质疏松中的最大轴向拔出力和最大旋出力矩，且使用骨水泥可以获得更好的强化效果。但骨水泥具有一定的热损毁作用，骨水泥在发生聚合时温度可达52-93 ℃，并持续时间7-12 min，且临床应用过程中较易出现骨水泥渗漏情况^[30]。因骨水泥聚合放热损伤和机械压迫，如向椎管内、椎间孔内渗漏可引起脊髓或神经根损伤^[31]。另外，骨水泥不具备骨传导性，在进入人体之后，会与人体骨组织间存在一层结缔组织薄膜，在术后长期负荷下可能会出现松动，导致椎弓根出现骨折现象^[32]。骨水泥不规则的表面和单体释放后的局部作用，可能间接地促进感染的发生，骨水泥碎屑引起异物反应。
本次实验过程中所使用的纳米骨浆成分为纳米结晶羟基磷灰石和骨诱导材料，从理论角度进行分析，材料可以诱导新骨生成，逐渐被完全吸收并被新生骨组织替代，另外还可以通过对骨细胞的诱导而促进植入物的稳定。但实验过程中使用的材料为尸体椎体，因此关于纳米骨浆骨细胞诱导等方面的优势未予以研究。为此，对于纳米骨浆的相关生物学特性，还有待进一步分析。另外，受到入组样本数量及观察时间等因素的影响，此次研究所得到的相关结果及相应的结论可能存在一定的片面性和不准确，因此研究还存在一定的不足之处，还需要在今后的研究中予以进一步完善和分析。

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