聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥与同种异体骨混合强化羊椎体的生物力学研究

经皮椎体成形术已成为临床治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的常用手术方法[1]，术中常用聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）骨水泥填充，其为液态甲基丙烯酸甲酯（methacrylate，MMA）单体和粉末状 MMA 聚合物组成的丙烯酸聚合物[2]，术后可以提供脊柱机械稳定性[3]。但 PMMA 骨水泥具有生物学惰性，不适合骨骼生长，导致与局部骨骼间的相互作用较差[4]。为了提高 PMMA 骨水泥的生物活性，学者们将各种活性成分（如二氧化钛、二氧化硅、磷酸三钙、羟基磷灰石、生物陶瓷、生物活性硅酸钙颗粒）掺入骨水泥中[5-12]。研究显示活性成分的加入可以减少聚合过程中产生的热量，促进骨水泥与骨组织之间钙磷沉积过渡层的形成，并使 PMMA 骨水泥具有一定生物活性[13]。

同种异体骨主要成分为无机骨矿物，完全保留了天然骨组织的三维网架结构，具有良好的细胞相容性及骨传导作用，植入人体后骨细胞可黏附生长，并最终完成爬行替代。本课题组前期体外研究发现 PMMA 骨水泥与同种异体骨组成的骨替代物可促进成骨细胞活力、黏附和分化[14]。本次研究将 PMMA 骨水泥和同种异体骨以 1∶1 比例混合后，填充强化羊骨质疏松性压缩骨折椎体，比较强化前后椎体力学性能，探讨其应用于临床治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的可行性。

PMMA 骨水泥（天津市合成材料工业研究所）；Bio-Gene 同种异体骨（北京大清生物技术股份有限公司），骨粉直径 0.25～1.00 mm；牙托粉（广州市石膏制品厂）。

X 线机（北京航天中兴医疗系统有限公司）；C 臂 X 线机（通用公司，美国）；Micro-CT（SCANCO MEDICAL 公司，瑞士）；XR-36 型双能 X 射线吸收仪（Lunar 公司，美国）；SW10 电子式万能试验机（济南恒瑞金试验机厂）；电子秤（上海英展机电企业有限公司）；Graphpad prism 7 软件（Graphpad 公司，美国）。

取 15 只市售新鲜成年山羊腰椎（L1～L5），剥离周围肌肉、韧带和骨膜以及椎间盘组织、软骨终板，仅完整保留骨性终板，分离成单个椎体，注意保留椎体后部。经大体及 X 线透视观察无明显骨缺损、病变与畸形，共获得 75 个椎体。修剪部分横突和棘突尖端，以便于测试。

由于羊 L1～L3 椎体大小接近及 L4、L5 椎体大小接近，根据配对设计，将 L1～L3 椎体配对，L4、L5 椎体配对后，随机分为同种异体骨组（A 组）、PMMA 骨水泥组（B 组）、PMMA 骨水泥与同种异体骨混合物组（C 组），每组 25 个椎体。

① 脱钙处理：参照文献［15］脱钙方法进行处理。取 3 组椎体，用锥子分别于两侧横突和小关节中线交界处钻入椎弓根后，改用直径为 4 mm 的钝尖椎弓根探针沿此孔伸入椎体达 40 mm 深。将每个椎骨单独置于 500 mL 盐酸脱钙溶液中，溶液温度 20～22℃。首先，将 1 个塑料锥形接头插入一侧椎弓根上的孔，连接 1 根 60 cm 塑料管，推注 50 mL 脱钙剂后，改用控制注射器式输液泵输注 480～500 mL 脱钙剂，输注速度为 40 mL/h，脱钙时间 12 h。然后，于另一侧椎弓根同法脱钙 12 h。单个椎体共脱钙时间 24 h。最后取出椎体用自来水冲洗椎骨，生理盐水冲洗椎弓根孔。

② 观测指标：脱钙前将 3 组椎体置于恒温干燥箱，105℃ 干燥 l h 后采用电子秤称重（干重）；然后将椎体放入盛有 50 mL 生理盐水的 100 mL 量杯中，计算放入椎体前后体积差值，即为椎体体积。最后，用双能 X 射线吸收仪测量骨密度。脱钙后，同上法再次测量椎体质量及骨密度，按照以下公式计算骨密度下降比：（脱钙前骨密度－脱钙后骨密度）/脱钙前骨密度×100%。

脱钙后 3 组椎体用牙托粉固定，置于力学试验仪平行金属板上，调整高度使椎体上、下两个面与模具贴合，以 1 mm/min 加载速度预加载 100 N，以消除标本松弛或蠕变的影响，并使椎体充分固定于模具中，以免滑脱掉落影响测定结果。然后采用 5 mm/min 加载速度垂直轴向加压，加载力精确度为 0.01 N，位移精确度为 0.01 mm，记录载荷、位移数据；加载期间严密观察椎体变化，持续加载至椎体发生压缩骨折。整个过程保持室温恒定，并使用注射器向椎体上喷洒生理盐水保持湿润。

3 组椎体骨折后，采用椎体成形穿刺针通过两侧椎弓根上的孔穿刺至椎体中央处（图 1），C 臂 X 线机透视确认穿刺针位于椎体中央后，插入工作通道，A 组椎体注射 3 mL 同种异体骨并压实；B 组注射 3 mL 常温下调制并呈拉丝状的 PMMA 骨水泥；C 组将 1.5 mL 常温下调制的 PMMA 骨水泥以及 1.5 mL 同种异体骨搅拌混合，待呈拉丝状时注射；透视监控下确保填充物无渗漏。注射后将 3 组椎体行 CT 扫描，观察填充物分布情况。然后同上法持续加载至椎体发生骨折。采用 Graphpad prism 7 软件绘制骨折前以及强化后载荷-位移曲线，计算失效强度及刚度，以发生骨折时位移值作为失效位移。

下载全尺寸图像

下载幻灯片

采用 SPSS23.0 统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，组内脱钙处理前后比较采用配对 t 检验；组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用 SNK 检验；检验水准 α=0.05。

各组椎体脱钙前质量、骨密度及体积比较，差异均无统计学意义（P>0.05）；脱钙后椎体骨密度及下降比、质量比较，差异亦无统计学意义（P>0.05）。3 组脱钙前后椎体质量以及骨密度比较，差异均有统计学意义（P 表1 各组椎体骨密度、质量以及体积比较（n=25，） Table1. Comparison of bone density, weight, and volume between groups (n=25, ) 表选项

下载CSV

CT 示各组填充物在椎体内弥散均匀，均无渗漏表现（图 2）。骨折前，3 组椎体失效强度、失效位移及刚度比较，差异均无统计学意义（P>0.05）；经强化处理后，A 组失效位移明显大于 B、C 组，失效强度及刚度小于 B、C 组；C 组失效位移大于 B 组，失效强度及刚度小于 B 组；组间比较差异均有统计学意义（P 图2 CT 观察各组椎体中填充物分布

a. A 组；b. B 组；c. C 组

a. Group A; b. Group B; c. Group C

下载全尺寸图像

下载幻灯片

除 A 组失效强度骨折前与强化后差异无统计学意义（P>0.05）外，其余各组组内骨折前与强化后的失效强度、失效位移以及刚度比较，差异均有统计学意义（P 表2 各组椎体失效强度、失效位移以及刚度比较（n=25，） Table2. Comparison of failure strength, failure displacement, and stiffness of vertebral bodies in each group (n=25, ) 表选项

下载CSV

失效强度和刚度是椎体生物力学重要评价指标，其中失效强度反映椎体载荷能力，刚度反映轴向载荷下椎体抗变形能力。因此，本研究生物力学测试选择上述两指标来评估强化处理前后椎体的生物力学性能。结果表明，A 组经同种异体骨强化处理后椎体失效强度及刚度分别达骨折前 101%±4%、50%±4%，与尹知训等[17]报道的经椎弓根椎体内植骨能恢复椎体最大抗压强度，但刚度恢复较差的结果一致。故我们认为对于椎体压缩性骨折经椎弓根植入同种异体骨后早期不宜负重，否则失去了椎体强化后早起下床活动的优点。

研究表明，脊柱载荷传递机制与椎体结构刚度有关[18]。因此，在获得最大强度的同时，应尽量减少骨水泥强化对椎体刚度的影响。一些学者认为椎体成形术后椎体刚度较小能减轻相邻椎体的退行性变[19]。本研究结果表明 B 组失效强度是骨折前的 250%±11%、刚度达骨折前 400%±12%，术后椎体刚度明显升高，出现应力集中现象，容易导致邻椎骨折[20]。文献报道，经皮椎体成形术后 1 年新发骨折发生率为 5%～22%，术后 4 年为 17.2%～52%[21-23]。而邻近椎体再骨折是临床许多经皮椎体成形术后患者再次就医的主要原因。

因此，调整 PMMA 骨水泥硬度，使其与人椎体松质骨硬度相匹配，有望降低经皮椎体成形术后邻近椎体骨折风险[24]。Gutiérrez-Mejía 等[25]报道在标准骨水泥配方中加入 20wt% 丙烯酸丁酯/PMMA 纳米颗粒后，骨水泥硬度降低 31%。Boger 等[26-27]通过添加透明质酸钠和羟丙基甲基纤维素水溶液的方法，使制备的多孔 PMMA 骨水泥弹性模量明显降低。Robo 等[28]通过加入亚油酸降低弹性模量来优化 PMMA 骨水泥硬度，使其更接近松质骨力学性能，而且亚油酸不会影响 PMMA 骨水泥在绵羊模型中的生物相容性。

本研究生物力学测试显示，C 组椎体经 PMMA 骨水泥与同种异体骨混合物强化处理后，椎体失效强度及刚度小于 PMMA 骨水泥强化的 B 组，但高于同种异体骨强化的 A 组；而失效位移小于 A 组、大于 B 组；差异均有统计学意义。结果表明 3 种填充物中，PMMA 骨水泥与同种异体骨混合物既能恢复椎体失效强度，也能恢复椎体刚度，能满足椎体填充材料的生物力学性能要求，可作为经皮椎体成形术中填充材料的选择之一。

作者贡献：王志坤负责实验设计及实施、数据收集整理及统计分析、文章撰写；张贤森、冯庆裕参与实验设计及实施、协助数据收集整理；李再学协助数据收集整理；谢文伟、陈建庭指导实验设计、实施及文章撰写，对文章的知识性内容作批评性审阅。

利益冲突：所有作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道。

机构伦理问题：研究方案经东莞市松山湖中心医院 南方医科大学附属东莞石龙人民医院医学伦理委员会批准。