经皮椎体成形术和后凸成形术的充填材料及生物力学研究进展
脊柱椎体的压缩性骨折是骨质疏松患者最常见的并发症，严重的椎体压缩性骨折保守治疗5 a内死亡率可达23％～34％，目前常用的手术治疗包括椎体撑开后单纯植骨固定和（或）同时进行坚强内固定材料进行固定等，手术创伤大，并发症也多。经皮椎体成形术（percutaneous vertebroplasty，PVP）与后凸成形术（percutaneous kyphoplasty，PKP）是脊柱外科近来发展迅速的一项新型微创外科技术，通过经皮向压缩骨折椎体内直接注入（PVP）或者先通过球囊扩张再注入（PKP）骨水泥等填充物，从而增强病变椎体的力学稳定性，临床应用证实其有稳定可靠、迅速有效的治疗效果，且并发症少，但到目前为止长期临床随访资料还不足，椎体成形术后脊柱生物力学的研究也发现了一些问题，椎体成形技术还需要不断的改进和探索，特别是材料的发展对减小椎体成形术的并发症发生率和改善术后脊柱的生物力学特性起着关键的作用。
1 PVP和PKP的充填材料研究进展
应用于椎体成形的充填材料主要包括注射型聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）、复合骨水泥如玻璃陶瓷强化复合骨水泥（Orthocomp）、Cortoss（Orthovia）、Hydroxyapatite composite resin（Kuraray）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水泥（calcium phosphate cement，CPC）等。
11 PMMA
具有粘稠度低，容易灌注，能快速提供需要的椎体强度和刚度，价格较便宜等优点，现在仍是目前临床上椎体成形术较常用的材料，但其有一定的局限性：（1）粘滞性较低，渗漏是最常见的并发症，向后方渗漏入椎管可压迫脊髓，严重时可渗漏入血管沿静脉回流引起肺栓塞，甚至导致患者死亡；（2）放热反应：PMMA聚合时产热可对周围组织造成热烧伤，有研究显示骨水泥聚合时的温度在椎体前部达44～113 ℃，在椎体中心达49～112 ℃，椎管内达39～57 ℃，而温度超过50 ℃的滞留时间分别可达55、8min和25 min〔1〕；（3）缺乏骨传导性和生物活性，无法生物降解，后期可出现骨水泥与骨质界面的松动；（4）PMMA注射后的椎体与临近椎体的力学强度差异大，易导致临近椎体的骨折;（5）有毒单体的释放和PMMA碎屑的作用使细胞的生长、DNA的合成和糖代谢受到抑制而具有细胞毒性，其单体毒性可引起患者血压骤降，从而引起患者猝死的可能。另外，还有致敏、局部组织抗感染能力降低、致肿瘤等不良反应。为了提高其机械性能和生物相容性，近年已有将具有生物活性的无机颗粒或纤维增强的高分子骨粘合剂加入PMMA来提高其生物相容性的报道，但仍然不满意，其机械强度降低较快。
12 复合骨水泥
如Orthocomp、Cortoss、Hydroxyapatite composite resin（Kuraray）等与PMMA具有相似的基本性质，但较PMMA有更合适的粘稠度、X线的不透射性、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。Cortoss是一种新型合成骨腔填充物，容易弥散进入松质骨，弹性模量与骨相近。Orthocomp是一种玻璃陶瓷增强的多种基质复合物骨水泥，虽然为不可吸收材料，但其具有亲水性的表面，使骨水泥可以通过化学键与松质骨连结。Jasper等研究发现Orthocomp的强度和刚度是PMMA骨水泥的2倍左右〔2〕。Belkoff等也研究表明Orthocomp对椎体的强度和刚度都有较好的恢复。Lu等介绍了一种含锶羟基磷灰石粉末和BisGMA（bisphenol A diglycidylether dimethacrylate）的复合骨水泥，在动物实验模型中进行30 000和20 000次的疲劳载荷测试后，骨水泥成形椎体的刚度与对照组相比分别下降75％和56％，平均抗压极限载荷分别为5 056 N和5 301 N〔3〕。
13 磷酸钙类骨水泥（CPC）
CPC具有任意塑形、自行固化、生物相容、逐步降解等特性，较PMMA有更好的生物相容性、骨传导性和粘滞度。新骨的替代方式由CPC的表面向深层逐渐推进，6个月时平均长入深度为6 mm，12个月时为114 mm。CPC可能是椎体成形术更好的注入材料，但在体内的应用及长期生物力学和生物效应还需要进一步的研究〔4、5〕。Heini和Lim等〔6、7〕研究认为CPC及改良的CPC在体内成形过程中产热明显减少，并且具有良好的弥散能力，可以明显增强骨质疏松椎体的抗压强度和刚度。其本身的强度低于正常椎体，但高于骨质疏松椎体，在成形术后可以减小因椎体的刚度变化而导致上下缘椎体骨折的几率〔8〕。CPC固化后的微孔结构具有引导新骨形成能力，但无诱导成骨活性，生物活性CPC利用其固化过程温和的特性，将骨形态生长蛋白BMP与CPC均相负荷，使材料在充填修复的同时加速CPC的降解和促进成骨作用。然而，Heini等认为CPC的生物降解也会导致相应的问题，治疗骨质疏松椎体压缩骨折时，骨水泥快速吸收会削弱椎体并导致其进一步塌陷〔9〕。
Cunin应用一种具有多孔状结构的天然珊瑚加入骨诱导因子BMP进行研究，认为颗粒状的天然珊瑚具有可注射性、生物相容性和骨诱导性，但其生物力学特性还需进一步研究〔7〕。最近有报道用MMA（methyl methacrylate）处理的SrHAC（strontiumcontaining hydroxyapatite cement）对椎体刚度、压缩强度、弯曲强度和杨氏系数的恢复都具有很好的效果〔10〕。
2 PVP和PKP的生物力学研究
椎体成形术的短期疗效十分令人鼓舞，也推动了PVP和PKP在临床的发展，Garfin等报道了从1998年10月～2000年5月由多家医院参与的临床研究结果，共340例，603个椎体，随访最长18个月，超过90％的患者症状改善。有人对13例经过经皮椎体成形术的患者进行了长达5 a的随访观察，结果临床疗效显著，5 a的长期随访发现VAS（visual analogue scale）评分略升高，但仍然明显低于术前水平，未发现成形椎体的进一步压缩〔11〕。近年来对于椎体成形术后脊柱的生物力学研究显示椎体成形术后对于脊柱整体特别是临近椎体的影响还是显著的。对椎体成形术后脊柱的生物力学研究对于正确应用椎体成形术十分有帮助，并对临床应用进行正确的指导。
21 术后骨折椎体的生物力学性质
PMMA或磷酸钙椎体成形后的生物力学研究证实骨折椎体成形后的稳定性参数显著提高〔12〕，可防止椎体的进一步塌陷和变形。椎体压缩骨折后降低了运动节段的椎体压缩强度，增加后柱的负荷而引起疼痛，通过对尸体模型的测量发现病变椎体后柱的压力负荷在屈曲时增高21％、42％，后伸时增加39％~68％，椎体成形术后则使脊柱屈曲时后柱的压力负荷减小26％，后伸时减小61％，结果示椎体骨折前和成形术后的神经弓压力无明显差异，全部或部分的逆转了后部结构的压力负荷，从而使疼痛症状立即缓解〔13〕。
22 充填材料与骨折椎体生物力学的关系
基于骨水泥注入越多椎体可以得到更好强化的观念，有些临床医生在病变椎体内注入最大剂量的骨水泥来提高其椎体抗压强度，有人报道在尸体标本中可以注入椎体容积70％的骨水泥〔14〕。椎体成形后的强度越大，对上下位椎体的应力也越强，使临近椎体的骨折发生率增高，特别是在高龄骨质严重疏松患者。成形术后临近椎体有抗压缩力下降及椎体间移位等改变，并且临近椎体抗压力下降的程度与成形术时注入的骨水泥量相关〔15、16〕。是否注入的骨水泥量越大，椎体的抗压强度和刚度就越高?Molloy,S等对120个椎体（T6~L5）注入2~8 ml不等量的骨水泥，研究发现注入量与椎体抗压强度和刚度的恢复只有弱相关（r2分别为021和027），抗压强度和刚度的恢复平均只需要注入椎体容积的162％和298％〔17〕。注入的骨水泥量越大，渗漏的几率则越高。Belkog等〔18〕人对骨质疏松女性尸体的椎体建立压缩性骨折模型，用Orthocomp或Simplex P作为充填材料，结果仅需2 ml即可恢复椎体的压缩强度，而椎体刚度的恢复与水泥充填容量缺乏相关关系。减小骨水泥的注入量同时可缩短注入时间，明显降低骨水泥渗漏的危险。也有人报道椎体成形术后椎体刚度的恢复与注入的骨水泥量相关，14％容积的骨水泥就可满足刚度恢复的要求，30％容积的骨水泥注入则可使刚度明显增加，使临近椎体的骨折危险增加〔19〕。
不同的充填材料对椎体生物力学性质的影响也有不同。Belkoff等人先后对Simplex P，Cranoplastic，Osteobond，Orthocomp等不同材料进行椎体成形术后的椎体生物力学研究，结果显示Simplex P、Osteobond及Orthocomp能有效恢复椎体的刚度和压缩强度，而Cranoplastic则仅能增加压缩强度，不能恢复椎体的刚度，且在刚度的恢复程度上Orthocomp优于Simplex P〔20、21〕。新型材料CPC能明显恢复骨质疏松椎体的抗压强度，对刚度的恢复也较好，CPC的微孔结构可以使新骨长入，使其具有更好的生物相容性。对羟基磷灰石骨水泥（HA）充填椎体后的生物力学测试表明其对压缩强度的恢复满意，但对刚度的恢复作用小。MMA处理的SrHAC不仅有利于界面的融合，对椎体刚度、压缩强度、弯曲强度和杨氏系数的恢复都具有很好的效果，而且明显优于单纯的SrHAC〔10〕。
23 PVP和PKP两种术式的生物力学比较
Belkoff等先后两次进行了关于后凸成形术的体外生物力学检测，发现无论在有无载荷的情况下后凸成形术均能部分恢复椎体的高度，恢复椎体的强度。它在无载荷的情况下可以恢复丢失高度的97％，而椎体成形术仅能恢复30％，两种方法都能明显增强椎体的强度。Belkoff对16个椎体随机分为PVP和PKP治疗组，结果显示PKP组能恢复椎体的起始刚度，而PVP则不能，PKP与PVP相比，不仅能有效恢复椎体的高度，而且能恢复椎体的压缩强度和刚度〔22〕。但也有不同观点，Tomita等对30个骨质疏松椎体随机分为4组：（1）PKP+CPC；（2）PKP+PMMA；（3）PVP+CPC；（4）PVP+PMMA，术前及术后对椎体强度和刚度的分析显示各组对椎体强度的恢复都较好，但对椎体刚度的恢复PKP组不及PVP组〔23〕。对于PVP和PKP术后的生物力学差异还有待进一步研究。
24 预防性应用椎体成形术可行性研究
水平骨小梁的丢失和骨小梁间空隙的增大降低了椎体的压缩强度，这与骨矿物质含量和密度高度相关，椎体成形术的确切疗效也仅在骨折疏松性骨折中发现，术后椎体的抗压能力能够通过注入骨水泥而显著增强，但在正常BMD（bone mineral density）的椎体，成形术前后则没有明显差别。Skos Pheumaticos等对4个新鲜脊柱共40个正常椎体进行椎体注入了PMMA与不注入PMMA的生物力学研究显示未进行成形术的椎体最大负荷为（6 72402±3 29170）N，然而注入了PMMA的椎体最大负荷为（5 770504±2 13372）N，两组间统计学上无明显区别。这提醒对有椎体骨折高危患者进行预防性的椎体成形术治疗可能是不可取的〔24〕。在骨折椎体上下缘椎体注入适当的骨水泥来缓解椎体间强度差异，是否可以减少因为椎体间应力不平衡导致的骨折以及是否能够更有效的维持脊柱的生物力学稳定性还有待进一步的研究。但对于有严重骨质疏松患者的椎体压缩性骨折，也有在包括骨折椎体共4个椎体注入PMMA（其中骨折椎体为T6、7，注入骨水泥椎体T6~9）〔25〕。近来陆续有对骨质疏松患者预防性注入骨水泥来提高椎体强度可行性的研究。Sun,K等研究发现，对高危患者注入至少椎体容积20％的骨水泥才能有效减少其骨折风险，而对中等程度危险度患者则需要注入椎体容积5％～15％的骨水泥，而这种预防性治疗和骨折后进行椎体成形术治疗的并发症发生率并无太大区别〔26〕。
25 椎体成形术后临近椎体的生物力学改变
对椎体成形术后的生物力学研究同时发现其不足之处，特别是对上下缘椎体的影响较为明显。椎体成形术的目的为最大程度上的恢复压缩椎体的刚度和抗压强度，但对椎体强度的恢复或增强，可能是临近椎体骨折的重要原因，因其可使上下缘椎体所受压力升高〔27〕。
Bertemann等对10例人体新鲜标本相邻椎体共20对，随机分成2组，一组下缘椎体注射PMMA，另一组设为对照，对上缘椎体负荷的生物力学研究显示，2组上缘椎体在低于临界负荷下与对照组无明显差别，但在临界负荷时实验组压力平均低于对照组19％，在实验组中，骨折总发生在成形椎体的上缘椎体〔28〕。临床上也有椎体成形术后上下临近椎体骨折的报道〔15、29〕。在APerezHigueras等对13例经过经皮椎体成形术的患者进行5 a长期随访观察得出临床疗效显著的同时也发现有2例发生临近椎体骨折〔11〕。对1组平均年龄74岁的椎体成形术后患者研究显示，临近椎体发生骨折概率每年递增66％。其下缘椎体有一个或多个椎体骨折时，第1 a发生骨折的危险性提高了约5倍，在椎体骨折后的1 a里发生新的骨折的概率约192%〔30〕。
如前所述，椎体骨折可能与临近椎体的强度增加有关。对L4、5椎体的研究发现椎体成形术后坚硬的骨水泥对椎体上缘的终板造成约7％的压缩，使椎间盘内压力较正常增高了19％，特别是在脊柱负荷增高时，椎间关节活动度下降11％，上缘椎体下终板内凸增加17％，这可能是导致成形术后临近椎体骨折的原因〔31〕。由于患者术后疼痛的减轻，改变了生活方式，脊柱运动量和负荷增加，也使椎体骨折的几率增加。同时与成形术后椎体临近的椎间盘内压力升高也使椎间盘突出的危险性增加。
不同材料的使用对临近椎体生物力学影响不同。一般而言，松质骨弹性模量为168 MPa，PMMA则为2 700 MPa，CPC弹性模量在180 MPa左右，CPC较PMMA在避免应力遮挡效应和载荷传递异常以及减少相邻椎体继发骨折方面有优越性。有研究显示CPC椎体成形后，相邻椎间盘应力没有明显变化，应力遮挡和异常载荷传递效应甚微，相比PMMA、CPC椎体成形术在降低相邻椎体骨折发生率方面有潜在的优势。
到目前为止，对椎体成形术后与未进行椎体成形术时对临近椎体发生骨折的危险性是否增高还未见完全随机试验的研究，然而临近椎体的骨折也许是严重骨质疏松的自然进程，特别是临近椎体有相似的机械和形态学特征。但近来相继有报道椎体成形术后临近椎体的力学性质下降，可能增加骨折的危险性。填充材料的发展可以有效增强骨折椎体的抗压能力和维持良好的形态学特征，并可能使骨折椎体的生物力学性质恢复到最佳的状态。
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