椎体成形术在绵羊骨质疏松脱矿化椎体模型中的初步应用研究

崔 轶，顾 琼，刘 达，雷 伟，徐永清，吴子祥（解放军昆明总医院附属骨科医院，云南昆明6500；解放军60医院，云南大理67000；解放军成都总医院骨科，四川成都6008；第四军医大学西京医院骨科，陕西西安700）

·基础与转化医学·

椎体成形术在绵羊骨质疏松脱矿化椎体模型中的初步应用研究

崔 轶1，顾 琼2，刘 达3，雷 伟4，徐永清1，吴子祥4（1解放军昆明总医院附属骨科医院，云南昆明650032；2解放军60医院，云南大理671000；3解放军成都总医院骨科，四川成都610083；4第四军医大学西京医院骨科，陕西西安710032）

目的：探讨椎体成形术在绵羊骨质疏松脱矿化椎体模型中的生物力学性能变化及可行性．方法：选取绵羊椎体标本30个，随机分为3组，其中A组为未脱钙组，空白对照组；B组为4 h脱钙后椎体成形组；C组为4 h脱钙后假手术组．B、C两组运用微量注射泵向椎体内灌注盐酸及椎体整体浸泡的脱钙方法，快速建立绵羊腰椎骨质疏松脱矿化椎体模型，10个椎体／组．通过骨密度、影像学及生物力学检测，评估椎体成形术在模型中应用的可行性及力学性能变化．结果：BMD检测提示，B、C组模型经脱钙处理后，BMD下降范围在25%～35%，两组比较，差异无统计学意义（P＞0．05）；与A组比较，差异有统计学意义（P＜0．05）．X线及CT检查提示椎体成形术在体外模型上具有可操作性，操作程序、骨水泥填充情况与体内及临床试验基本一致．力学实验提示椎体成形术可显著提高椎体的最大抗压强度，各组间比较，差异有统计学意义（P＜0．05）．结论：绵羊椎体骨质疏松脱矿化模型可以用于椎体成形术的实验研究，并为进一步研究提供理论依据．

椎体成形术；骨质疏松；椎体脱矿化模型；骨密度；生物力学

0 引言

在全球人口老年化程度日益加深的趋势下，骨质疏松症引起的脊柱疾病的发病率也越来越高．虽然抗骨质疏松的内科药物治疗已在临床得到广泛认可，但仍有一定比例的患者出现脊柱压缩骨折、脊柱滑脱等疾病，而且该比例呈不断上升的趋势［1－3］．目前外科治疗脊柱相关疾病的主要技术有椎弓根螺钉内固定技术及椎体成形术．因此，如何提高骨质疏松情况下螺钉把持力以及改进骨水泥材料的性质成为脊柱外科研究的热点之一．然而，相关的科学研究都需要很好的动物模型，最常构建的大动物模型为绵羊骨质疏松模型，虽然该模型是一种理想的、可用于相关脊柱操作的动物模型，但该模型仍存在诸多缺点［4－8］，如建模周期长、至少需要6个月饲育、模型构建不稳定、骨质疏松程度不可控，用骨质疏松动物活体模型耗时且无法及时反馈给研究者实验结果，增加了研究周期．因此，无法在短期内对生物材料及新型器械的力学性能进行评估．根据上述动物活体模型的不足，本研究提供了简单、快速制备绵羊椎体骨质疏松脱矿化模型的方法［9］，该模型已经在骨质疏松情况下如何提高椎弓根螺钉内固定及钉道强化技术方面取得了很好的结果［10－11］．但该模型在椎体成形术应用中则未见相关研究报道．本研究就椎体成形术在绵羊椎体骨质疏松脱矿化模型中进行初步应用性研究．

1 材料和方法

1.1 材料和设备选用3．0±0．5岁新鲜绵羊腰椎30个，X线和骨密度检查均无骨质疏松、先天性畸形、骨折等病变；去除椎体周围韧带及椎间盘，分离成单个椎体．分析纯级盐酸（HCL）由中科院白银高技术产业园生产提供，微量注射泵（PERFUSOR／COMPACT，B．BRAUN，GERMAN）；自行设计的灌注固定器由山东威高骨科材料有限公司生产提供；Lunar Corp型双能X线吸收骨密度（bone mineral density，BMD）仪（Madison，WI，USA）；GE⁃宝石CT（GE，USA）；AG⁃IS型生物力学测试机（日本岛津公司生产）．

1.2 骨质疏松生物力学模型的建立将30个新鲜绵羊腰椎标本完全随机分为3组，A组（未脱钙，空白对照组），B组（椎体成形术，4 h脱钙组），C（假手术，4 h脱钙组），10个椎体／组．依据既往建立骨质疏松生物力学模型的方式（应用微量注射泵椎体内灌注和整个椎体浸泡盐酸的脱钙方法）对B、C两组进行相应处理［8］，建立BMD下降25%以上的的骨质疏松生物力学模型［8－9］．严格操作步骤，减小组间和组内误差．采用双能X线吸收骨密度仪检测A、B、C各组椎体脱钙前后BMD的变化（图1）．

图1 体外构建骨质疏松脱矿化模型装置图

1.3 椎体成形术将脱钙完成后的B组椎体固定在台钳上，椎体呈前后位放置，依据穿刺的方向与角度，通过体外测量穿刺针进针的深度，以穿刺针位于椎体后缘2～3 mm为准．然后将穿刺针沿双侧椎弓根人字脊顶点插入椎体内，X线透视明确穿刺针穿过椎弓根至椎体后缘2～3 mm即停止穿刺，取出内芯，建立工作通道（图2）．用粗细骨钻沿工作通道刺入椎体内到达距椎体前壁2～3 mm处，拔出骨钻并以导针探查椎体内情况．然后将调配好的骨水泥注射器套在工作通道上，待骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯，Polymethyl⁃methacrylate，PMMA）在粘稠的面团期时，将骨水泥注入椎体内，观察椎管内及椎体前壁是否有骨水泥渗漏．双侧各注射骨水泥0．5 mL．同样的方法对A，C组重复上述操作，但不注射骨水泥．依次对各组内椎体进行相应操作，通过X线各个方位观察所见灌注工作通道位置放置可靠，有利于骨水泥填充（图2）．

图2 椎体成形术中骨水泥灌注工作通道X线示意图

1.4 影像学检查将A、B、C各组椎体进行CT平扫及三维重建，从二维、三维观察椎体结构及骨水泥的分布情况．

1.5 垂直压缩试验A、B、C各组椎体标本做轴向压缩试验，去除所有脊柱附件，仅保留椎体，假设椎体为圆柱形，根据每个椎体的前后径，求出平均直径和体界面积．用义齿基托树脂将椎体下端8～10 mm包埋于特制的圆形金属容器内，以2 mm／min的速度进行椎体整体轴向压缩，直至椎体出现断裂，记录最大轴向压缩载荷（F）及能量吸收值，最大应力（σult）＝最大压力／体界面积（N／cm2），即椎体的最大抗压强度．

1.6 统计学处理采用SPSS16．0测定指标采用表示，组间差异采用完全随机设计的方差分析，P＜0．05表示差异具有统计学意义．

2 结果

2.1 骨密度检查脱钙前A、B、C组间椎体骨密度比较，差异无统计学意义（P＞0．05）；经盐酸脱钙处理后，B、C组椎体的骨密度分别下降约27．3%、26．7%，较A组术前下降，差异有统计学意义（P＜0．05），B、C两组间椎体骨密度比较，差异无统计学意义（P＞0．05，表1）．

表1 脱钙前后A、B、C各组椎体的BMD

表1 脱钙前后A、B、C各组椎体的BMD

aP＜0．05 vs A组脱钙前骨密度．

2.2 影像学检查A组椎体为正常骨质组，冠状面及三维重建可见椎体骨质密度均匀，骨皮质完整光滑．C组椎体经脱钙处理后，椎体骨小梁稀疏、骨皮质变薄，三维重建椎体表面欠光滑，椎体表面及横突骨质丢失较多，以横突为著．B组椎体中央可见显影的骨水泥，骨水泥相对均匀的分布于椎体内，椎体边缘皮质骨变薄，椎体表面及横突部分骨质丢失（图3）．

图3 A、B、C各组椎体CT冠状面及三维重建图

2.3 垂直压缩试验经椎体成形术处理后B组椎体的最大轴向抗压强度及能量吸收值较假手术组C组显著提高，平均提高约2倍，差异有统计学意义（P＜0．05）．B组的最大轴向抗压强度及能量吸收值低于A组，差异有统计学意义（P＜0．05），部分数值已接近正常椎体的强度．

表2 各处理组的最大轴向抗压强度和能量吸收值

表2 各处理组的最大轴向抗压强度和能量吸收值

aP＜0．05 vs A组；cP＜0．05 vs B组．

3 讨论

骨质疏松症是人类自然进化过程中必然发生的疾病之一，而且随着全球人口老年化日益加重，骨质疏松引发的脊柱疾病也呈日益增多趋势［1－3，12］．在骨质疏松的情况下，由于骨质的丢失，椎体BMD下降，骨小梁数量减少、变薄、间距增大，椎体内骨小梁会出现骨小梁断裂，即微骨折，进一步出现椎体楔形变，当在椎体受到较大的轴向压应力时，则出现脊柱压缩骨折．目前针对脊柱压缩骨折的外科微创治疗，最常选用的方法为椎体成形术及椎体球囊扩张成形术［13］，其中最经典的术式为椎体成形术［13－14］．然后，针对上述术式的研究，除了工具的改进以外，还有包括骨水泥材料强度及其分布的研究［15－17］，目前最常使用的骨水泥为PMMA．因此，针对脊柱压缩骨折治疗的大量基础研究均需要在骨质疏松动物模型上进行，其中以生物力学测试作为实验检测金标准，因此必须选择合适的动物来建立骨质疏松性生物力学模型．

目前骨质疏松动物模型研究已经很成熟，大量研究证实绵羊骨质疏松动物模型可用于脊柱内固定、骨填充材料、成骨材料及药物方面的基础研究．但是其依然存在建模周期长（至少需要6～9个月）、BMD下降程度不可控等诸多缺点［4－8］，不利于短期内反馈研究结果，延长了研究周期，尤其是对于需要进行力学测试的研究．因此，构建一种快速的、骨质疏松程度可控的体外模型很有必要，体外模型可为在活体模型上的研究提供参考依据，并缩短相关研究周期，及时为动物活体实验提供力学参数及理论基础．

骨质疏松性生物力学模型已有相关研究［18－20］，首先由张智海等［18］于2003年研究报道，通过向绵羊椎体体外注射EDTA及HCL，同时辅助椎体前壁浸泡在液体中的方法，可在5 d内初步建立骨质疏松椎体压缩骨折模型．但该建模方法很多操作步骤都需要人工操作，同时忽略了盐酸等脱钙液会挥发的特点，因而存在较大实验误差．2008年张智海等［19］采用上述相同方法对三联椎体进行脱钙，构建骨质疏松脱矿化力学模型．虽然他对该方法进行了一些改进，但仍存在许多人为操作步骤，存在较大的实验误差．Akbay等［20］首次提出利用微量注射泵可精确、定时、定量灌注的特点，通过微量注射泵向椎体内灌注盐酸脱钙液．可快速建立小牛椎体骨质疏松脱矿化模型．但该模型依然存在缺点：椎体上的灌注固定器设计不合理，缺乏椎弓根及椎体内同时脱钙的过程，脱钙液经椎弓根后再缓慢流入椎体内，最终出现椎弓根脱钙，这与生理状态下的骨质疏松钙质流失过程不符．同时该模型忽略了盐酸等脱钙液会挥发的特点，整个装置完全开放并暴露在空气中．因此，针对上述不足本研究做了一系列改进［9］：①自行设计一款灌注固定器，通过灌注固定器上的侧孔及中空管道灌注脱钙液，使得椎弓根及椎体内同步脱钙；②同时密封装置，将整个脱钙反应过程与外界空气隔绝，尽可能减少盐酸挥发，减小实验误差．③整个操作过程在安装好之后，除了更换脱钙液需要手工操作以外，其余操作完全依靠注射泵等脱钙装置进行，可将系统误差降到最低．同时通过大量的研究检测证实，该建模方法可以快速建立不同BMD下降程度的骨质疏松脱矿力学模型，经过2、4、6 h的脱钙处理，可建立BMD分别下降10%～25%，25%～35%，＞35%的椎体标本［10］．将骨量丢失百分率诊断法作为人骨质疏松的诊断标准［21－22］，经过体外脱钙建模的方法，可分别建立骨量减少、骨质疏松及严重骨质疏松的椎体标本．同时通过影像学分析，通过不同脱钙时间的处理，椎体、椎弓根的松质骨及皮质骨均出现骨质疏松样变化［10］：骨小梁变薄、骨小梁间隙扩大及骨小梁数量减少、椎弓根钉道皮质骨变薄．力学测试也证实随着BMD的下降，该椎体脱矿化模型轴向拔出力及垂直抗压强度均出现进行性下降，这与动物活体模型及临床研究结果一致［6，9，23］．

该模型主要用于骨质疏松情况下脊柱生物力学测试，包括轴向拔出力实验及垂直压缩实验，用于检测脊柱内固定器械的改进、钉道强化技术以及生物材料的力学性能．该模型用于评价两种钉道强化技术提高骨质疏松情况下椎弓根螺钉固定强度．研究［11］发现椎弓根钉道整体强化及局部强化技术均能显著提高骨质疏松情况下椎弓根螺钉的固定强度；在注射相同剂量骨水泥情况下，钉道整体强化技术较局部强化技术更能提高螺钉的固定强度．同时钉道局部强化技术既能保持“骨⁃螺钉”和“骨⁃骨水泥⁃螺钉”共存界面，避免螺钉被骨水泥严密包裹，又可以通过提高注射剂量使得钉道局部强化技术达到与整体强化技术相近的强化效果．这为进一步动物体内研究提供了相关理论依据，并在体内骨质疏松模型上得到证实［23］．说明该骨质疏松脱矿化椎体模型可用于脊柱内固定器械及钉道强化技术的研究，但在该脱矿化椎体模型上进行椎体成形术则无相关实验研究．

本研究通过椎体成形术在骨质疏松脱矿化椎体模型中的初步应用，其操作步骤与临床手术过程基本一致，由于是标本模型，因而不需要进行多次X线透视，只需要术前通过测量穿刺深度及角度，然后在操作过程目测是否存在椎管内及椎体前方骨水泥渗漏，完成整个操作后再进行影像学明确骨水泥位置．本研究PMMA注射剂量的确定是依据钉道强化技术在骨质疏松脱矿化模型中的应用结果而决定的［11］．由于本研究主要是探讨椎体成形术在骨质疏松脱矿化模型中的应用情况，因而所选择的注射剂量并非最大剂量．术中B组出现1例椎管前壁渗漏，未见椎管内渗漏，这可能与样本量偏小以及注射剂量并非最大剂量有关．通过影像学证实了不同实验组的骨质情况以及骨水泥在椎体的位置，同时通过生物力学试验验证了椎体成形术可以显著提高骨质疏松脱矿化椎体的抗压强度．经椎体成形术处理后B组椎体的最大轴向抗压强度及能量吸收值较假手术组C组显著提高，平均提高约2倍，且有统计学意义，说明本实验的绵羊椎体脱矿化模型可以用于椎体成形术的应用研究，具有很好的可行性．

虽然本研究的结果只能代表椎体成形术即刻的力学性能结果，对体内长期存留后的力学性能无法评估，但该结果可以为进一步体内实验提供参考依据．同时椎体成形术通常用于椎体压缩骨折的患者，而该研究虽然建立起了骨质疏松脱矿化椎体模型，但并不是骨质疏松引起的椎体压缩骨折．因此，需要进一步构建骨质疏松脱矿化椎体压缩骨折以及多节段椎体模型，并在椎体压缩骨折模型基础上进行脊柱内固定及椎体成形等研究，这也是未来研究的方向．

尽管建立的椎体模型不能完全等同于生理状态下的骨质疏松，且接近骨软化状态，但是该方法可快速、有效、可控地建立近似于骨质疏松状态下的生物力学测试模型，可为在骨质疏松动物活体模型下的生物力学研究提供参考依据．通过本课题的研究，可以认为绵羊椎体骨质疏松脱矿化模型不仅可以用于脊柱内固定技术的研究，也可以用于椎体成形术的实验研究，并为进一步的研究提供理论依据．

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Preliminary application of vertebroplasty in the demineralized osteoporotic vertebra model of sheep in vitro

CUI Yi1，GU Qiong2，LIU Da3，LEI Wei4，XU Yong⁃Qing1，WU Zi⁃Xiang4

1Kun Ming General Hospital of PLA，Kunming 650032，China；
2No．60 Hospital of PLA，Dali 671000，China；3Cheng Du Gen⁃eral Hospital of PLA，Chengdu 610083，China；4Xijing Hospital of the Forth Military Medicine University，Xi'an 710032，China

AIM：To investigate the biomechanical properties and feasibility of vertebroplasty in the demineralized osteoporotic vertebra model of sheep in vitro．METHODS：A total of 30 sheep vetebra model were randomly divided into three groups：group A，undecalcified，blank control group；group B，vertebroplasted group after 4 hours'decalcification；group C，sham operation group after 4 hours'decalcification．Group B and C were treated with the demineralizing method of vertebral perfusion with hydro⁃chloric acid with micro syringe pump and soaking of vertebra in order to quickly establish demineralized osteoporotic vertebra model of sheep，with 10 vertebrae in each group．The feasibility and the mechanical properties of vertebroplasty were evaluated by bone mineral density，radiographs and biomechanical tests．RESULTS：BMD test showed that BMD was decreased in 25%～35%of group B and C after decalcification．There was no statistically significant difference between group B and group C（P＞0．05），while there were statistically significant differences among group A，B and C（P＜0．05）．X⁃ray and CT tests showed that vertebroplasty was feasible in vitro model，which remained in line with in vivo and clinical test in procedure and bone cement filling．The biomechan⁃ical test suggested that vertebroplasty could significantly improve the maximum compressive strength of the vertebrae of group B，and there was statistically significant difference among the three groups（P＜0．05）．CONCLUSION：The demineralized vertebra model of sheep in vitro can be used in the research of vertebro⁃plasty，which can provide some theoretical basis in the further study．

vertebroplasty；osteoporosis；demineralized vertebra model in vitro；bone mineral density；biomechanics

R332

A

2095⁃6894（2017）03⁃33⁃05

2017－01－07；接受日期：2017－01－23

军队医学科技青年培育项目（15QNP031）

崔 轶．博士，主治医师．研究方向：脊柱外科．E⁃mail：cuiyi1103＠sina．com顾 琼．主管护师．研究方向：骨质疏松预防与治疗．E⁃mail：2190765548＠qq．com

吴子祥．博士，副主任医师．研究方向：脊柱外科．E⁃mail：wuzixiang＠fmmu．edu．cn