Bone cement is required for multi-segment osteoporotic compression fractures

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.08.023

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Vertebral osteoporotic compression fractures often occur in the elderly with serious bone calcium loss, and light external forces can cause vertebral fractures. The percutaneous vertebroplasty developed recently has better effect for the treatment of osteoporotic compression fractures.
OBJECTIVE: To explore the effect and material characteristics of bone cement for the treatment of multi-segment osteoporotic compression fractures.
METHODS: Thirty-two patients (158 vertebral bodies) with osteoporotic compression fractures were treated with bone cement through percutaneous vertebroplasty. Review X-ray and CT scanning were performed after treatment to understand the fracture vertebra reduction, changes of vertebral capacity, bone cement distribution and leakage situation. The change of the volume of vertebral body before and after treatment was detected with CT volumetric analysis, the change of visual analog scale was observed and the reason for bone cement leakage was analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: All the 32 patients (158 vertebral bodies) were included in the final analysis. There were no nerve root and spinal cord injuries, no pulmonary embolism and no cardiovascular system acute response after injection of bone cement. All the patients were followed-up for 6-16 months after treatment, averaged in 10 months, and there were no serious complications or vertebral collapse. The vertebral volume before treatment was (22.2±8.6) cm3 and increased to (24.8±6.9) cm3 after treatment, and the difference was significant (P < 0.05). Six vertebral bodies appeared bone cement leakage, including two bone cement leakage in spinal epidural and four bone cement leakage in paravertebral vein, and the leakage may related to the posterior margin burst, low bone cement viscosity and fast injection speed. The visual analog scale score (2.2±3.7) at 48 hours after treatment was significantly lower than (8.3±1.6) before treatment (t=25.2, P < 0.05). The adequate pre-treatment preparation, proper method, suitable bone cement materials combined with percutaneous vertebroplasty is safe and feasible for the treatment of multi-segment osteoporotic compression fractures, which can significantly alleviate pain in the patients, and we should pay attention to prevent the leakage of bone cement during operation.

Key words: biomaterials, academic discussion of biomaterials, bone cement material, percutaneous vertebroplasty, percutaneous kyphoplasty, osteoporotic compression fractures, bone cement leakage, vertebral body volume, visual analog scale, calcium sulfate bone cement, calcium phosphate bone cement, mother-of-pearl, stony coral particle

CLC Number:

R318

Zeng Yi-wen1,,Xu Jian-an, Gui Jian-chao, Ma Yong. Bone cement is required for multi-segment osteoporotic compression fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(8): 1465-1472.

Figures/Tables 7

1 骨水泥材料充填经皮椎体成形治疗多节段骨质疏松性压缩性骨折的病例分析对象：选取2006年1月至2011年1月在南京医科大学附属南京医院骨科就诊的多椎体(3个节段及以上)骨质疏松性压缩性骨折患者32例，共158个椎体，采用经皮椎体成形治疗方法。男13例，女19例，患者年龄在64-87岁，平均年龄为74岁。骨折部位在T2-L4，胸椎骨折椎体有96个，腰椎骨折椎体有62个。骨折压缩程度为20%-90%。治疗前疼痛强度评价的目测类比评分为(8.3±1.6)分。治疗前进行常规血常规、凝血功能、血液化生化、心电图、胸部透视等各项检查。纳入标准：①所以患者均无明显外伤史或者仅有轻微的外伤史，患者病程在2 d-10年，服用非甾体类抗炎药或止痛药效果不明显，腰背部明显胀痛，患者在坐立和行走过程中疼痛症状加重，以至于患者被迫卧床休息。②病变椎体棘突会有明显压痛和叩击痛。③治疗前所有患者均行X射线及磁共振检查，均被确诊为骨质疏松性压缩性骨折的患者。④治疗前CT结果显示椎管无塌陷和狭窄，且周围骨壁完整。排除标准：①患者年龄小于55岁。②椎体骨髓炎患者。③非骨质疏松性椎体急性创伤性骨折。④对治疗药物有过敏反应或有凝血机制障碍的患者。主要仪器：微创器械及特制球囊，来源为Kyphon公司。flexiveiw8800C型臂X射线机来源为GE公司产品。治疗方法：采用微创器械及特制球囊在flexiveiw8800C型臂X线机下行经皮椎体成形治疗。35个椎体行经皮椎体成形治疗，123个椎体行经皮球囊椎体后凸成形治疗。114个椎体单侧椎弓根注射骨水泥，34个椎体双侧椎弓根注射骨水泥。治疗后进行透视检查，若注射的骨水泥未超越椎体中线，再行对侧穿刺，以防止椎体受力不均匀。治疗后观察患者的双下肢感觉和运动情况，同时监测患者的生命体征，并进行血常规及血液大生化复查，患者在平卧 4 h 后即可自由翻身，给予抗生素治疗1 d。疗效评估：治疗后患者行X 射线和CT检查，了解患者骨折部位椎体的复位情况、骨水泥的分布情况以及是否出现骨水泥外漏。检查患者治疗前后血常规和大生化指标的变化，以及对患者的影响。采用CT容量分析法检测骨水泥注射治疗前后椎体的容积变化，患者在治疗前后疼痛强度评价的目测类比评分变化，并进行组间t检验比较，P < 0.05为差异有显著性意义。目测类比评分[3]：0分为无痛，1-3分为轻度疼痛，4-6分为中度疼痛，7-9分为重度疼痛，10分为剧烈疼痛。治疗结果：32例患者对158个椎体进行骨水泥注射，治疗过程中的失血量忽略不计，所有患者均纳入结果分析，无神经根及脊髓损伤，未出现肺栓塞和心脑血管系统的急性反应。治疗前后血常规、大生化无明显变化，治疗对人体机能无影响。每个椎体的手术时间为(19.4±3.6) min，注射骨水泥(4.2±2.1) mL。每个患者的手术时间为(88.5±23.4) min，骨水泥注射量为(20.4±8.6) mL。治疗后X射线片检查显示，注射的骨水泥呈斑片状、团块状或弥散状分布。典型病例分析：患者女，69岁，4个节段椎体骨质疏松性压缩性骨折一期经皮椎体成形治疗的前后磁共振和X射线片，见图1-3。"

2 经皮椎体成形治疗多节段骨质疏松性压缩性骨折的充填材料用于经皮椎体成形治疗的理想充填材料应具备以下特点：①具有良好的显影性能。②治疗中调制的操作简便，易于注射，黏度适宜。③聚合温度适宜。④治疗中的操作时间在6-10 min，凝固时间15 min左右。⑤具有良好的生物力学特性。⑥无毒，使用安全。⑦具有良好的骨传导性和骨诱导性。⑧良好的重吸收率。⑨良好的生物相容性及生物活性。⑩价格合理，能被大部分患者所接受。此外，骨水泥填充材料还应该适合于作为一些药物和生物活性因子的载体，在治疗的过程中具有缓释作用。聚甲基丙烯酸甲酯是目前应用最为广泛的椎体成形治疗充填材料，聚甲基丙烯酸甲酯由液态的单体和粉状的多聚体通过聚合反应凝结而形成，瞬间具有较高的黏滞性，注射需要时间长，具有低聚合温度的特点，降低骨水泥渗漏的发生率[4-6]。目前，用于经皮椎体成形治疗的骨水泥主要有硫酸钙骨水泥、磷酸钙骨水泥、珍珠母粉末、石珊瑚颗粒、复合骨水泥。 2.1 硫酸钙骨水泥用于经皮椎体成形治疗骨质疏松性压缩性骨折硫酸钙骨水泥是一种新型的骨充填材料，能够充分满足椎体充填材料的生物力学要求，硫酸钙骨水泥的特点是可以在骨缺损部位快速的硬化，在局部形成微酸性的环境，使破骨细胞将硫酸钙骨水泥吸收，使成骨细胞吸附在硫酸钙骨水泥上，有利于血管和成骨细胞的长入。目前，以高纯度α晶体结构硫酸钙为原料制成的MIIG X 3(美国WRIGHT 医疗技术公司)，由特制硫酸钙粉剂和相应的稀释剂构成，已在临床得到应用，固化时间约在5 min，固化后形成的微孔样结构，有利于新骨的长入，材料的强度与松质骨结构相似，对骨骼临时的内部支撑起重要作用，而且可以在10-14周的时间里100%被吸收[7-9]。硫酸钙骨水泥用于经皮椎体成形治疗骨质疏松性压缩性骨折的文献分析，见表1。"

此外，磷酸钙骨水泥可以减少椎体成形治疗后与相邻椎体之间的应力梯度问题，延缓椎体的退变和相邻椎体骨折的发生率[24]。磷酸钙骨水泥充填后椎体具有良好的生物力学强度[25]。在体内自固化过程中不会产生热量，具有骨传导性和生物降解性等特点，可以克服界面松动和生物相容性差的不足[26]。老年骨质疏松患者在进行椎体成形治疗后，疼痛缓解效果良好，椎体塌陷及假关节形成的危险有所降低[27]。但磷酸钙骨水泥材料也存在一些问题，如无成骨细胞活性，遇到血液和体液固化时比较困难，材料黏稠度不够、显影效果欠佳、力学性能不足、材料脆性较大、生物降解速度很难调控等缺点。随着磷酸钙骨水泥性状研究的改进，会研制出更符合临床应用要求的材料。刘兴炎等[28]研究表明应用复合重组人类骨形态发生蛋白2的磷酸钙骨水泥可以加速骨质疏松性骨缺损的愈合，是治疗骨质疏松性骨缺损的良好骨科修复重建材料。赵刚等[29]对山羊标本电镜观察中发现，聚甲基丙烯酸甲酯材料与宿主骨组织之间不能够紧密结合，复合重组人类骨形态发生蛋白2的磷酸钙骨水泥能够与宿主骨组织紧密结合，而且未见界膜形成，复合重组人类骨形态发生蛋白2的磷酸钙骨水泥具有可操作性，骨替代时间较短的特点，有利于永久性的重建椎体的稳定性。周英杰等[30]使用复合重组人类骨形态发生蛋白2的磷酸钙骨水泥充填治疗15例胸椎和腰椎压缩性骨折的患者，患者经治疗后活动能力较治疗前得到明显增加，且疼痛症状得到明显改善。 2.3 珍珠母粉末、石珊瑚颗粒用于经皮椎体成形治疗骨质疏松性压缩性骨折珍珠母的成分可以被成骨细胞所识别，并可以诱导成骨，具有良好的生物相容性。Lamghari等[31]通过对动物实验发现珍珠母粉末与自体的血液相混合制成糊状后可以容易注射，并可以释放刺激因子，诱导成骨细胞的分化，具有良好的骨诱导性。石珊瑚的主要成分是碳酸钙，材料的空隙率与人的松质骨结构相似，孔径大小在190-260 μm，适宜新骨长入的同时具有骨传导作用。严宁等[32]通过基础实验发现天然珊瑚颗粒和复合纤维蛋白的天然珊瑚颗粒均能够促进骨的形成。Cunin等[33]发现加入骨形态发生蛋白的天然珊瑚颗粒能够稳定骨质疏松性椎体骨折，具有良好的生物相容性、可生物降解性以及骨传导性，在X射线片显影方面还具有良好的对比性。目前，珍珠母粉末和石珊瑚颗粒仅作为一种骨科替代充填材料来使用，其材料特性和临床应用还需深入研究。 2.4 复合骨水泥用于经皮椎体成形治疗骨质疏松性压缩性骨折对于复合骨水泥的研究目前还处于探索研究阶段。如玻璃陶瓷强化复合骨水泥Orthocomp、Cortoss、Hydroxy apatite composite resin以及可生物降解的骨水泥，如天然珊瑚骨替代物和磷酸钙骨等。复合骨水泥材料与聚甲基丙烯酸甲酯具有相似的基本性质，但较聚甲基丙烯酸甲酯有更合适的黏稠度、X射线片的不透射性、硬化快、产热低、具有更好的力学性能、生物活性及骨诱导性等优点。Orthocomp是以甲基丙烯酸甲酯的衍生物为基质，具有生物活性的骨水泥，其表面具有亲水性，可以使骨水泥通过表面的化学键与松质骨连结，具有良好的骨传导作用，缺点是不能诱导骨组织的生长，也不能生物降解[34]。Cortoss是一种新型的合成填充物，容易弥散进入松质骨，并且弹性模量与骨结果非常相似。钱明等[35]将Cortoss新型生物骨水泥与传统的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥进行生物力学和聚合温度比较，将聚甲基丙烯酸甲酯与新型骨水泥Cortoss按照ISO5833:2002标准分别制作成抗压及抗弯模型，将制作的模型使用生物力学机测试两种骨水泥的抗弯及抗压模量，同时在制模过程中测量骨水泥聚合温度。结果发现，与聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥比较，Cortoss骨水泥在聚合过程中最高温度相对较低、抗压强度较强、抗弯模量降低，差异均具有显著性意义(P < 0.05)，抗弯强度间差异无显著性意义(P > 0.05)。说明Cortoss生物力学强度优于聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，由于Cortoss在聚合时放热较少，所以其用于外科治疗时有较好的安全性。"

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