研究背景随着人口的老龄化,骨质疏松症患者逐渐增加,据报道目前全世界有大约2亿的骨质疏松患者,大约0.75%会发生骨质疏松性骨折。其中发病率最高的是骨质疏松性椎体压缩骨折(Osteoporotive Vertebral Compression fracture, OVCF)。既往对该类患者传统的治疗方法包括卧床休息、腰部外固定支架及口服补钙类药物,不但治疗时间长,而且许多老年人难以忍受腰背部酸痛使生活质量显著下降,同时由于卧床休息骨量丢失加重了骨质疏松,这也给病人和家属及社会带来了沉重的负担。近年来采用骨质疏松所致新鲜的椎体压缩骨折骨折,向其椎体内灌注骨水泥—椎体成形术的方法,不但稳定了病变椎体,而且起到了明显的止痛作用,病人可早期下床活动,减少并发症的发生。临床报道显示70-80%椎体成形术后患者的疼痛明显缓解。但是目前临床上常用的椎体成形术的材料是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate PMMA),在凝固的过程中有明显的产热作用,因此渗漏后可灼伤周围的组织,如神经根、脊髓等；在注射过程中的高压及骨水泥的单体可造成脂肪栓子的形成,可导致肺栓塞导致心肺功能变化等并发症。从长远观点来看,由于该骨水泥的不可吸收性,因此在体内不会被降解,且与骨水泥交界部位的骨组织会逐步被吸收,从而造成椎体强度的下降,邻近椎体塌陷骨折。鉴于上述原因,寻找其它类型的骨水泥已成为骨科研究领域的一项重要内容。英国百赛公司(Biocomposities(?))研制生产的新型带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥(biphasic calcium composite bone cement with a negative surface charge BCC)是应用Zata电势控制技术,将硫酸钙和β-磷酸三钙的复合成新一代骨水泥。实验研究证实磷酸钙与硫酸钙为人工骨材料,固化后其强度与正常松质骨相当,是一种理想的骨替代材料。具有良好的骨传导性和组织相容性,在固化过程中不产热,生物降解与成骨活性协调,在骨重建过程中,逐渐被正常骨取代。硫酸钙有较强的成骨作用,但硫酸钙降解比较快,一般在2-3个月就被降解吸收。磷酸钙虽然成骨作用较差,但在椎体内降解比较缓慢,约6-8个月被降解吸收。所以BCC骨水泥具备了硫酸钙和磷酸钙的各自优点,避免了骨水泥注射中可能的并发症,具有理论上的优势,可能替代PMMA骨水泥。BCC骨水泥通常可以注射,并可用于骨质疏松椎体的增强术、胸腰椎暴力骨折的椎体填充术和椎弓根钉的增强术等方面。但是目前国内尚没有BCC骨水泥的基础和临床资料报道。研究目的1.在脊柱领域的应用BCC骨水泥,为临床上骨质疏松及压缩性骨折的治疗提供一种新型的植入材料。测定其生物相容性,在体内、体外的毒性安全性研究。2.建立离体的椎体压缩性骨折的模型,采用BCC骨水泥的椎体成形术试验,进一步测定该骨水泥的渗漏相关性及生物力学测定。3.建立BCC骨水泥注入猪肺动脉引起猪肺栓塞的心肺功能变化,来检测其骨水泥渗漏后对血液动力学、血气变化、凝血指标变化的安全性研究。材料与方法BCC骨水泥相容性的实验研究将人的成纤维细胞的分离培养,纯化后用Ⅰ型胶原酶消化、过滤、离心、铺皿进行原代培养,观察细胞生长状态。第三代的HDF用于实验,BCC骨水泥的浸提液,用MTT法绘制细胞增殖生长曲线。制备BCC骨水泥的浸提液,在家兔耳缘静脉缓慢无菌骨水泥的浸提液,测量家兔肛门的温度,用于热源实验；BCC骨水泥试件植入兔肌肉内,观察炎症反应和纤维包膜形成情况；进行BCC骨水泥的溶血的检测等多种方法对BCC骨水泥的生物相容性进行评价。2.BCC骨水泥椎体成形术的实验研究自4具老年尸体取得胸腰段脊柱标本(胸11～腰2)。均摄X线片,以排除先天性畸形、骨折、肿瘤。测定每具标本椎体的骨密度,证实为骨质疏松标本。将标本游离成16个单椎体,再随机分为2组,即BCC骨水泥组和PMMA骨水泥组。在生物力学材料试验机前屈加载,制成椎体压缩骨折模型。经2ml/min骨水泥单侧椎体注射强化后,各椎体拍摄X线片。对椎体再度压缩获得强度与刚度数据,初始、压缩后和再度压缩的椎体均被测得。并观察骨水泥的渗漏状况,观察渗漏的部位：包括椎管内、椎体前方、椎体侧方、椎体终板部位。并行椎体强化后生物力学测试。3.BCC骨水泥引起猪肺栓塞的心肺功能变化试验研究实验动物麻醉后气管插管,呼吸机保持正常的呼气末潮气量和动脉C02浓度。下肢股动脉置入测压管,供监测有创动脉血压和采集血标本；经颈内静脉置入肺动脉漂浮导管测量肺动脉压。动物行开胸手术,经肺动脉干注入BCC骨水泥和PMMA骨水泥,持续监测血流动力学参数,包括平均肺动脉压(meanpulmonary arterial pressure. MPAP)、平均动脉压(mean arterial pressure, MABP)、心率(heart rate, HR);测定预设时间点的测定不同时间点的动脉血氧分压(Pa02)、动脉血二氧化碳分压(PaCO2)、PH值、碳酸氢根(HCOY)、碱剩余(BE)。处死后肺标本行CT检查,立体三维重建血管内骨水泥铸形。统计学处理所得数据均采用SPSS13.0软件包进行统计分析,以均数±标准差(x±s)表示。P<0.05差异有统计学意义。结果1.在连续5d的成纤维细胞培养的过程中,成纤维细胞在BCC可吸收人工骨的浸提液培养基中生长良好,细胞相对生长率90.1-100.4%于之间,位于毒性标准的0-1级之间,表示BCC骨水泥对细胞的生长基本无毒性；BCC可吸收人工骨浸提液与红细胞混合后没有明显的溶血反应,红细胞溶血率0.0741%<1%,说明该骨水泥无明显的溶血反应,符合医用材料的溶血实验要求；6只家兔体温升高为(0.13±0.07)℃,不大于1.4℃,符合医用材料热源实验的要求,说明材料无致热作用。2.体内实验中动物术后一般情况良好,伤口无感染发生,也无植入物排出。2周时可见材料周围有少量的淋巴细胞和纤维母细胞,未见异物巨细胞。8周时初步形成纤维包膜,仍可见少量淋巴细胞,无炎性细胞。16周和24周,淋巴细胞减少,甚至消失,纤维包膜形成稳定,纤维排列规则,无增厚趋势,厚度<30mm,炎性细胞和纤维囊评价均在Ⅰ级。周围肌肉组织始终保持正常结构。术后试验动物未发生感染或死亡。术后不同时间段见骨水泥降解和吸收明显,24周时BCC骨水泥术后基本吸收完全,局部未见有炎症反应、纤维疤痕形成及钙化结节,炎性细胞和纤维囊评价均在Ⅰ级,周围肌肉组织始终保持正常结构,PMMA骨水泥无吸收。3.BCC骨水泥组有6个椎体出现了渗漏,占8个椎体的75%,说明BCC骨水泥推注椎体时比PMMA骨水泥外漏发生越高。4.BCC组骨折前椎体最大载荷及刚度分别为(1726±287.3)N和(1120.1±157.8)N/mm, PMMA组骨折前椎体最大载荷及刚度分别为(1756.4±311.1)N和(1103.9±154.2)N/mm。两组间椎体最大载荷及刚度用独立样本t检验t分别为-0.199和0.208,P分别为0.845和0.838,均大于0.05,差异无统计学意义,同样骨折治疗后两组间比较也无统计学差异,t分别为-0.226和-0.341,P分别为0.825和0.738,均大于0.05。BCC组骨折治疗后椎体最大载荷及刚度分别为(3161.8±882.9)N和(933.8±231.0)N/mm,PMMA组治疗后椎体最大载荷及刚度分别为(3267.1±981.4)N和(975.3±255.1)N/mm。BCC组和PMMA组骨折前与骨折治疗后最大载荷用独立样本t检验进行分析比较,t值分别为-4.372和-4.15,P值分别为0.001和0.003,均小于0.01,说明BCC组和PMMA组治疗后最大载荷明显高于骨折前,而刚度比较t分别为1.883和1.221,P值分别为0.081和0.242,均大于0.05,说明骨折治疗后两组刚度并无明显改变。5.①BCC组与PMMA组平均肺动脉压之间比较：使用BCC骨水泥的猪在10min(t=3.895, P=0.003)、20min(t=4.891, P=0.001)、30min(t=5.505, P=0.000)、 40min(t=4.788,P=0.001)、50min(t=7.617,P=0.000)、60min(t=6.104,P=0.000)的平均肺动脉压均低于PMMA组,具有显著统计学意义(P<0.01)。②BCC组与PMMA组平均动脉压之间比较：使用BCC骨水泥的猪在10min(t=3.521,P=0.006)、20min(t=4.485, P=0.001)、30min(t=4.669,P=0.001)、40min(t=4.858, P=0.001)、50min(t=4.753,P=0.001)、 60min(t=4.533,P=0.001)的平均动脉压均低于PMMA组,具有显著统计学意义p<0.01)。③BCC组与PMMA组比较：使用BCC骨水泥的猪在10min(t=3.389, P=0.013)、20min(t=7.706,P=0.000)、30min(t=9.870, P=0.000)、40min(t=5.542, P=0.000)、 50min(t=5.539, P=0.000)、60min(t=4.911, P=0.001)的心率低于PMMA组,具有显著统计学意义(P<0.01)。。6.①BCC组与PMMA组PaCO2比较：使用BCC骨水泥的猪在30min(t=6.860, P=0.000)、60min(t=5.709, P=0.000)的PaCO2均低于PMMA组,具有显著统计学意义p<0.01)。②BCC组与PMMA组的PaO2比较：使用BCC骨水泥的猪在30min(t=0.408, P=0.697)、60min(t=9.553,P=0.000)的PaO2低于PMMA组,具有显著统计学意义(P<0.01)。③BCC组与PMMA组HCO3-比较：使用BCC骨水泥的猪在30min(t=3.470, P=0.013)、60min(t=6.399,P=0.000)的HCO3-低于PMMA组,具有显著统计学意义(P<0.01)。④BCC组与PMMA组PH值比较：使用BCC骨水泥的猪在10min(t=2.837, P=0.032)、30min(t=3.522,P=0.006)、60min(t=5.546, P=0.000)的PH值均低于PMMA组,具有显著统计学意义(P<0.01)。④BCC组与PMMA组BE值比较：使用BCC骨水泥的猪在10min(t=5.978,P=0.000)、30min(t=5.090, P=0.003)、60min(t=6.554,P=0.001)的BE低于PMMA组,具有显著统计学意义(P<0.01)。7.①BCC组与PMMA组A-Ⅲ比较：使用BCC骨水泥的猪在10min(t=2.631, P=0.025)、30min(t=3.494, P=0.006)、60min(t=9.053, P=0.000)的A-Ⅲ均低于PMMA组,具有显著统计学意义(P<0.05)。②BCC组与PMMA组的D-Ⅱ聚体比较：与PMMA组比较：使用BCC骨水泥的猪在10min(t=6.782, P=0.000)、30min(t=5.096, P=0.000)、60min(t=3.817,P=0.010)的D-Ⅱ聚体低于PMMA组,具有显著统计学意义(P<0.01)。结论1.BCC骨水泥具有良好的生物相容性,终产物颗粒小、体内易于降解和吸收。2.BCC骨水泥具有相当好的生物增强作用,但是骨水泥填充骨质疏松椎体时容易渗漏。3.BCC骨水泥引起了平均肺动脉高压、平均动脉高压和心率增快；导致低氧血症、高碳酸血症及酸中毒症状,但是明显低于PMMA骨水泥。