论文部分内容阅读
[摘要] 目的 探讨应用真空搅拌骨水泥技术的椎体后凸成形术的生物力学特点。 方法 新鲜成年羊的腰段椎体48个，乙二胺四乙酸二钠（EDTA-Na2）脱钙法制备离体动物椎体骨质疏松模型，在生物力学试验机上垂直压缩制备椎体压缩性骨折模型，将模型随机分为4组，骨折模型对照组及试验组分别行应用真空骨水泥搅拌技术的椎体后凸成形术和应用空气中搅拌骨水泥技术的椎体后凸成形术，对各组生物力学性能进行比较。 结果 A组（骨质疏松椎体对照组）椎体前缘压缩值为0.474±0.073 mm，B组（骨质疏松椎体骨折对照组）椎体前缘压缩值为3.215±0.231 mm，C组（空气中搅拌骨水泥技术PKP组）椎体前缘压缩值为1.164±0.180 mm，D组（真空搅拌骨水泥技术PKP组）椎体前缘压缩值为0.920±0.159 mm。两种骨水泥技术PKP术后椎体前缘压缩程度均小于骨质疏松椎体骨折对照组，且大于骨质疏松椎体对照组；其中真空搅拌骨水泥技术PKP组的椎体前缘压缩值小于空气中真空搅拌骨水泥技术PKP组。 结论 真空搅拌骨水泥技术应用于椎体后凸成形术能够提高术后伤椎的生物力学稳定性。
[关键词] 真空搅拌；骨水泥技术；椎体后凸成形术； 生物力学
[中图分类号] R683.2 [文献标识码] B [文章编号] 1673-9701（2015）01-0058-03
Biomechanical study of the kyphoplasty using vacuum-mixing bone cement
CHEN Yong WANG Gang ZHAO Peng
Department of Orthopedics， the Second People’s Hospital of Dalian， Dalian 116011，China
[Abstract] Objective To investigate biomechanical characteristics of kyphoplasty using the vacuum mixed bone cement. Methods Forty-eight fresh lumbar vertebraes of adult sheep were randomly divided into four groups，each group included 12 vertebraes.These vertebraes were made in vitro vertebral osteoporosis models by edetate disodium（EDTA-Na2） decalcificating， and then biomechanical testing machine was used to make the models of compressed vertebral fractures by applying vertical compression. One of the fracture model group was applied kyphoplasty using air-mixing cement，and another fracture model group was applied kyphoplasty using vacuum-mixing cement.The biomechanical properties of all the four groups were compared. Results The vertebral compression of group A （control group of osteoporotic vertebraes） was 0.474±0.073 mm，group B（control group of fractured osteoporotic vertebrae） was 3.215±0.231 mm， group C（applied kyphoplasty using air-mixing cement） was 1.164±0.180 mm，group D（applied kyphoplasty using vacuum-mixing cement） was 0.920±0.159 mm. The vertebral compression of the two kyphoplasty groups was less than the control group of fractured osteoporotic vertebraes，and more than the control group of osteoporotic vertebraes.And the vertebral compression of the group applied kyphoplasty using vacuum-mixing cement was less than the group applied kyphoplasty using air-mixing cement. Conclusion The technology of vacuum-mixing cement used in kyphoplasty can improve the biomechanical stability of fractured osteoporotic vertebrae.
[Key words] Vacuum-mixing；Bone cement； Kyphoplasty； Biomechanics
椎体压缩性骨折是老年人骨质疏松症的主要并发症之一，椎体后凸成形术是近年来由椎体成形术结合血管成形术中的气囊导管技术发展起来的一种创新性的微创技术，现已成为治疗骨质疏松椎体压缩性骨折的一种常用术式。本研究提出将第三代骨水泥技术中的真空搅拌骨水泥技术应用于椎体后凸成形术，并通过制备离体动物标本模型进行生物力学试验验证，目前国内外尚未见相关报道。 1 材料与方法
1.1实验标本
8具新鲜成年羊脊柱，每具选取腰段椎体6节，共48个椎体，检查无骨缺损、畸形，去除椎旁肌肉及椎间盘，保留横突、关节突、棘突及完整骨膜，浸入福尔马林溶液中固定24 h，再取出以生理盐水冲洗、浸泡12 h，全部标本随机分为A、B、C、D共4个处理组，每组12个标本。
1.2主要材料与仪器
①骨水泥真空搅拌系统（史赛克公司，美国）；②椎体后凸成形术器械（Kyphon公司，美国）；③MTS材料实验机（MTS 858 bionix II machine，美国），河北省第三医院提供。
1.3 实验方法
1.3.1分组方法 A组（骨质疏松椎体对照组）：制备骨质疏松椎体模型，不施加其他任何干预。B组（骨质疏松椎体骨折对照组）：先后制备骨质疏松椎体模型及压缩性骨折模型，做为骨质疏松椎体骨折模型对照组。C组（空气中搅拌骨水泥技术PKP组）：先后制备骨质疏松及压缩性骨折模型，应用空气中搅拌骨水泥技术行椎体后凸成形术。D组（真空搅拌骨水泥技术PKP组）：先后制备骨质疏松及压缩性骨折模型，应用真空搅拌骨水泥技术行椎体后凸成形术。
1.3.2实验模型制备 （1）制备椎体骨质疏松模型：A、B、C、D共4个处理组，均采用乙二胺四乙酸二钠（EDTA-Na2）脱钙法制备骨质疏松模椎体型。以0.595 mm/L的乙二胺四乙酸二钠（EDTA-Na2）脱钙液（加入NaOH调整pH值为7.0）脱钙3周。每天以注射器将浸泡椎体的脱钙液向每个椎体预置的椎弓根钉道内注射2次，每次1分钟，每天更换一次脱钙液。（2）制备骨质疏松椎体压缩性骨折模型：B、C、D两组在制成骨质疏松模椎体型之后，分别置于MTS材料实验机上，以5 mm/min的加载速率进行垂直加载，直到标本屈服压缩30%为止，制备出压缩骨折模型，在压缩过程中不断用注射器向标本上注射0.9%氯化钠溶液，以保持椎体湿润，制备出骨质疏松椎体压缩性骨折模型。（3）两种骨水泥技术的椎体后凸成形术：C组12个标本在经过上述步骤后，应用空气中搅拌骨水泥技术，行椎体后凸成形术。空气中搅拌骨水泥技术：按单体、粉末比例1 mL∶2 g调配PMMA骨水泥，将两者倒入调和杯或碗中，以60次/min的速率用搅拌棒轻柔搅拌，约5 min后骨水泥进入拉丝期，即可用于椎体后凸成形术的骨水泥灌注。D组12个标本在经过上述步骤后，应用真空搅拌骨水泥技术，行椎体后凸成形术。使用骨水泥真空搅拌系统，同样按单体、粉末比例1 mL∶2 g调配，真空泵将密闭的骨水泥调和杯抽成真空，在真空状态下搅拌混合，约5 min后骨水泥进入拉丝期，即可用于椎体后凸成形术的骨水泥灌注。PKP手术操作流程基本同文献[1]。首先将导针经双侧椎体椎弓根穿刺至椎体前1/3中心位置，打入套筒，拔出导针，平头钻扩大通道，置入可扩张球囊，打入造影剂至压力250 psi左右扩张球囊在椎体内形成一空腔，然后退出球囊，于拉丝期注入骨水泥（PMMA），约15 min后取出套筒。经两侧椎弓根通道分别注射10%椎体体积的骨水泥。椎体体积的计算方法如下：量筒内置一定量的水，然后将椎体浸入水中，量筒水位刻度改变即为椎体体积。PKP术后将椎体置于室温下24 h，使骨水泥完全聚合固化。
1.3.3生物力学测试 （1）A、B两组：上MTS材料实验机测量加载负荷后椎体前缘高度压缩值。（2）C组：应用空气中搅拌骨水泥技术行椎体后凸成形术，然后上MTS材料实验机测量加载负荷后椎体前缘高度压缩值。（3）D组：应用空气中真空搅拌骨水泥技术行椎体后凸成形术，然后上MTS材料实验机测量加载负荷后椎体前缘高度压缩值。
1.4 统计学处理
采用SPSS13.0统计软件学分析，计量资料采用（x±s）差表示。各组加载负荷后椎体前缘高度压缩值的比较，采用完全随机设计资料的方差分析并进行组间两两比较（Q检验法进行两两比较），P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
各组经生物力学试验机加载负荷后，测量其各组椎体前缘高度压缩值，结果如下：A组（骨质疏松椎体对照组）椎体前缘压缩值为0.474±0.073 mm，B组（骨质疏松椎体骨折对照组）椎体前缘压缩值为3.215±0.231 mm，C组（空气中搅拌骨水泥技术PKP组）椎体前缘压缩值为1.164±0.180 mm，D组（真空搅拌骨水泥技术PKP组）椎体前缘压缩值为0.920±0.159 mm。经方差分析结果显示：F=25.9，P<0.05，有显著性差异；以Q检验行各组间两两比较，结果显示各组间均有统计学差异（P<0.05）。且B、C、D 3组椎体前缘压缩值均高于A组，其中B组椎体前缘压缩值最大；C、D两组椎体前缘压缩值均大于A组且小于B组；D组椎体前缘压缩值小于C组，说明两种骨水泥技术用于PKP术后椎体前缘压缩程度小于椎体骨折模型对照组，且大于空白对照组；其中真空搅拌骨水泥技术PKP组的椎体前缘压缩值小于空气中搅拌骨水泥技术PKP组。见表1。
3 讨论
椎体压缩性骨折是骨质疏松症的主要并发症之一，是老年人常见病[2，3，4]。椎体后凸成形术是近年来由椎体成形术结合血管成形术中的气囊导管技术发展起来的一种创新性的微创技术，能将压缩的骨折椎体复位到一定的高度并形成一个空腔以填充骨水泥、增强椎体刚度和强度，达到缓解疼痛、矫正后凸畸形的目的。骨水泥是用于椎体后凸成形术的填充粘固剂，1928年首次应用于医疗领域，用于制备口腔科齿托。20世纪60年代开始骨水泥被应用于人工全髋关节置换术，作为人工关节假体的粘固填充介质，目前市售的骨水泥主要成分多为聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）[5-7]。
目前椎体后凸成形术中所使用的骨水泥技术为空气中搅拌骨水泥技术，而真空搅拌骨水泥技术是20世纪90年代以来在人工关节置换外科领域发展起来的第三代骨水泥技术[8]。第三代骨水泥技术由于在真空状态下对骨水泥进行搅拌，从而明显降低了骨水泥固化后的孔隙率。文献报道真空搅拌骨水泥技术被认为是较有前途的方法，而且容易在手术室推广使用，绝大部分学者认为该技术可以降低骨水泥的疏松度，使其抗弯曲强度和抗疲劳强度分别提高了12%和15%，弹性模量亦有所提高，从而提高了骨水泥的机械性能[9-11]。
[关键词] 真空搅拌；骨水泥技术；椎体后凸成形术； 生物力学
[中图分类号] R683.2 [文献标识码] B [文章编号] 1673-9701（2015）01-0058-03
Biomechanical study of the kyphoplasty using vacuum-mixing bone cement
CHEN Yong WANG Gang ZHAO Peng
Department of Orthopedics， the Second People’s Hospital of Dalian， Dalian 116011，China
[Abstract] Objective To investigate biomechanical characteristics of kyphoplasty using the vacuum mixed bone cement. Methods Forty-eight fresh lumbar vertebraes of adult sheep were randomly divided into four groups，each group included 12 vertebraes.These vertebraes were made in vitro vertebral osteoporosis models by edetate disodium（EDTA-Na2） decalcificating， and then biomechanical testing machine was used to make the models of compressed vertebral fractures by applying vertical compression. One of the fracture model group was applied kyphoplasty using air-mixing cement，and another fracture model group was applied kyphoplasty using vacuum-mixing cement.The biomechanical properties of all the four groups were compared. Results The vertebral compression of group A （control group of osteoporotic vertebraes） was 0.474±0.073 mm，group B（control group of fractured osteoporotic vertebrae） was 3.215±0.231 mm， group C（applied kyphoplasty using air-mixing cement） was 1.164±0.180 mm，group D（applied kyphoplasty using vacuum-mixing cement） was 0.920±0.159 mm. The vertebral compression of the two kyphoplasty groups was less than the control group of fractured osteoporotic vertebraes，and more than the control group of osteoporotic vertebraes.And the vertebral compression of the group applied kyphoplasty using vacuum-mixing cement was less than the group applied kyphoplasty using air-mixing cement. Conclusion The technology of vacuum-mixing cement used in kyphoplasty can improve the biomechanical stability of fractured osteoporotic vertebrae.
[Key words] Vacuum-mixing；Bone cement； Kyphoplasty； Biomechanics
椎体压缩性骨折是老年人骨质疏松症的主要并发症之一，椎体后凸成形术是近年来由椎体成形术结合血管成形术中的气囊导管技术发展起来的一种创新性的微创技术，现已成为治疗骨质疏松椎体压缩性骨折的一种常用术式。本研究提出将第三代骨水泥技术中的真空搅拌骨水泥技术应用于椎体后凸成形术，并通过制备离体动物标本模型进行生物力学试验验证，目前国内外尚未见相关报道。 1 材料与方法
1.1实验标本
8具新鲜成年羊脊柱，每具选取腰段椎体6节，共48个椎体，检查无骨缺损、畸形，去除椎旁肌肉及椎间盘，保留横突、关节突、棘突及完整骨膜，浸入福尔马林溶液中固定24 h，再取出以生理盐水冲洗、浸泡12 h，全部标本随机分为A、B、C、D共4个处理组，每组12个标本。
1.2主要材料与仪器
①骨水泥真空搅拌系统（史赛克公司，美国）；②椎体后凸成形术器械（Kyphon公司，美国）；③MTS材料实验机（MTS 858 bionix II machine，美国），河北省第三医院提供。
1.3 实验方法
1.3.1分组方法 A组（骨质疏松椎体对照组）：制备骨质疏松椎体模型，不施加其他任何干预。B组（骨质疏松椎体骨折对照组）：先后制备骨质疏松椎体模型及压缩性骨折模型，做为骨质疏松椎体骨折模型对照组。C组（空气中搅拌骨水泥技术PKP组）：先后制备骨质疏松及压缩性骨折模型，应用空气中搅拌骨水泥技术行椎体后凸成形术。D组（真空搅拌骨水泥技术PKP组）：先后制备骨质疏松及压缩性骨折模型，应用真空搅拌骨水泥技术行椎体后凸成形术。
1.3.2实验模型制备 （1）制备椎体骨质疏松模型：A、B、C、D共4个处理组，均采用乙二胺四乙酸二钠（EDTA-Na2）脱钙法制备骨质疏松模椎体型。以0.595 mm/L的乙二胺四乙酸二钠（EDTA-Na2）脱钙液（加入NaOH调整pH值为7.0）脱钙3周。每天以注射器将浸泡椎体的脱钙液向每个椎体预置的椎弓根钉道内注射2次，每次1分钟，每天更换一次脱钙液。（2）制备骨质疏松椎体压缩性骨折模型：B、C、D两组在制成骨质疏松模椎体型之后，分别置于MTS材料实验机上，以5 mm/min的加载速率进行垂直加载，直到标本屈服压缩30%为止，制备出压缩骨折模型，在压缩过程中不断用注射器向标本上注射0.9%氯化钠溶液，以保持椎体湿润，制备出骨质疏松椎体压缩性骨折模型。（3）两种骨水泥技术的椎体后凸成形术：C组12个标本在经过上述步骤后，应用空气中搅拌骨水泥技术，行椎体后凸成形术。空气中搅拌骨水泥技术：按单体、粉末比例1 mL∶2 g调配PMMA骨水泥，将两者倒入调和杯或碗中，以60次/min的速率用搅拌棒轻柔搅拌，约5 min后骨水泥进入拉丝期，即可用于椎体后凸成形术的骨水泥灌注。D组12个标本在经过上述步骤后，应用真空搅拌骨水泥技术，行椎体后凸成形术。使用骨水泥真空搅拌系统，同样按单体、粉末比例1 mL∶2 g调配，真空泵将密闭的骨水泥调和杯抽成真空，在真空状态下搅拌混合，约5 min后骨水泥进入拉丝期，即可用于椎体后凸成形术的骨水泥灌注。PKP手术操作流程基本同文献[1]。首先将导针经双侧椎体椎弓根穿刺至椎体前1/3中心位置，打入套筒，拔出导针，平头钻扩大通道，置入可扩张球囊，打入造影剂至压力250 psi左右扩张球囊在椎体内形成一空腔，然后退出球囊，于拉丝期注入骨水泥（PMMA），约15 min后取出套筒。经两侧椎弓根通道分别注射10%椎体体积的骨水泥。椎体体积的计算方法如下：量筒内置一定量的水，然后将椎体浸入水中，量筒水位刻度改变即为椎体体积。PKP术后将椎体置于室温下24 h，使骨水泥完全聚合固化。
1.3.3生物力学测试 （1）A、B两组：上MTS材料实验机测量加载负荷后椎体前缘高度压缩值。（2）C组：应用空气中搅拌骨水泥技术行椎体后凸成形术，然后上MTS材料实验机测量加载负荷后椎体前缘高度压缩值。（3）D组：应用空气中真空搅拌骨水泥技术行椎体后凸成形术，然后上MTS材料实验机测量加载负荷后椎体前缘高度压缩值。
1.4 统计学处理
采用SPSS13.0统计软件学分析，计量资料采用（x±s）差表示。各组加载负荷后椎体前缘高度压缩值的比较，采用完全随机设计资料的方差分析并进行组间两两比较（Q检验法进行两两比较），P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
各组经生物力学试验机加载负荷后，测量其各组椎体前缘高度压缩值，结果如下：A组（骨质疏松椎体对照组）椎体前缘压缩值为0.474±0.073 mm，B组（骨质疏松椎体骨折对照组）椎体前缘压缩值为3.215±0.231 mm，C组（空气中搅拌骨水泥技术PKP组）椎体前缘压缩值为1.164±0.180 mm，D组（真空搅拌骨水泥技术PKP组）椎体前缘压缩值为0.920±0.159 mm。经方差分析结果显示：F=25.9，P<0.05，有显著性差异；以Q检验行各组间两两比较，结果显示各组间均有统计学差异（P<0.05）。且B、C、D 3组椎体前缘压缩值均高于A组，其中B组椎体前缘压缩值最大；C、D两组椎体前缘压缩值均大于A组且小于B组；D组椎体前缘压缩值小于C组，说明两种骨水泥技术用于PKP术后椎体前缘压缩程度小于椎体骨折模型对照组，且大于空白对照组；其中真空搅拌骨水泥技术PKP组的椎体前缘压缩值小于空气中搅拌骨水泥技术PKP组。见表1。
3 讨论
椎体压缩性骨折是骨质疏松症的主要并发症之一，是老年人常见病[2，3，4]。椎体后凸成形术是近年来由椎体成形术结合血管成形术中的气囊导管技术发展起来的一种创新性的微创技术，能将压缩的骨折椎体复位到一定的高度并形成一个空腔以填充骨水泥、增强椎体刚度和强度，达到缓解疼痛、矫正后凸畸形的目的。骨水泥是用于椎体后凸成形术的填充粘固剂，1928年首次应用于医疗领域，用于制备口腔科齿托。20世纪60年代开始骨水泥被应用于人工全髋关节置换术，作为人工关节假体的粘固填充介质，目前市售的骨水泥主要成分多为聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）[5-7]。
目前椎体后凸成形术中所使用的骨水泥技术为空气中搅拌骨水泥技术，而真空搅拌骨水泥技术是20世纪90年代以来在人工关节置换外科领域发展起来的第三代骨水泥技术[8]。第三代骨水泥技术由于在真空状态下对骨水泥进行搅拌，从而明显降低了骨水泥固化后的孔隙率。文献报道真空搅拌骨水泥技术被认为是较有前途的方法，而且容易在手术室推广使用，绝大部分学者认为该技术可以降低骨水泥的疏松度，使其抗弯曲强度和抗疲劳强度分别提高了12%和15%，弹性模量亦有所提高，从而提高了骨水泥的机械性能[9-11]。