近日，苏州大学骨科研究所杨磊教授(现任职河北工业大学)团队主持的可用于椎体强化术的高强度、自固化、生物降解型磷酸钙纳米复合骨水泥的基础研究结果发表于国际脊柱外科专业领域知名期刊、北美脊柱学会(North American Spine Society)会刊The Spine Journal。论文题目为“Biomechanical evaluation of calcium phosphate-based nanocomposite versus polymethylmethacrylate cement for percutaneous kyphoplasty”
图1. CPN与PMMA骨水泥渗漏模型测试结果
骨质疏松性椎体压缩性骨折(OVCF)是老年人常见的一种骨折。OVCF发生后引起的疼痛、脊柱后凸畸形等不但会引起肺活量下降，心肺功能受限，而且下床活动受限，降低了老年患者的生活质量，致死风险显著提高。椎体强化术是治疗OVCF的经典手术治疗方法。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥是椎体成形术(vertebroplasty, VP)和椎体后凸成形术(kyphoplasty, KP)等椎体强化术中最常用的骨水泥强化剂。然而，在临床使用过程中，PMMA容易渗漏造成神经组织损伤及脏器栓塞;而固化后的PMMA与椎体组织力学性能不匹配，而且不可降解也无诱导骨长入的功能，常常导致邻近椎体骨折、水泥块松动等并发症。为了解决PMMA骨水泥在椎体强化术应用中存在的缺陷，杨磊教授团队从2013年起研发了一类新型的磷酸钙纳米复合骨水泥(CPN)，并且证实了CPN具有生物可降解，较高的力学强度以及骨诱导、骨整合等特性 (相关成果发表于J Biomed Mater Res B 2016，Int J Nanomed 2017, Int Orthop 2018，J Orthopaedic Translation 2019)。2017年，该新型椎体强化剂的研究工作获得有90年历史的国际骨与整形外科领域的权威学术组织——国际矫形与创伤外科学会(SICOT)颁发的首届基础研究奖(SICOT Research Award-Basic Science，全球遴选1人)，杨磊教授受邀在南非第38届World Orthopaedic Congress上做大会报告。
在此基础上，本次在TSJ发表的研究着重从生物力学强化效果、抗渗漏特性和材料在松质骨中的弥散等方面评估了CPN替代PMMA骨水泥的潜力。利用自行设计的尸体椎体OVCF模型，羊椎体OVCF模型和模拟骨质疏松骨的聚氨酯泡沫标准模型对比研究了CPN和PMMA骨水泥KP手术应用中的效果。结果显示在基于聚氨酯泡沫构建的渗漏模型的测试中，CPN表现出了与PMMA完全不同的渗漏形态(图1);并且与PMMA不同，CPN在KP及VP实验中表现出了明确的抗渗漏特性。虽然CPN本身的机械强度低于PMMA，但CPN显著增强了松质骨的抗压强度，且在KP强化实验中CPN的强化强度与PMMA相比没有显著性差异。在尸体椎体和羊椎体的强化实验中，CPN骨水泥在松质骨内的弥散体积要明显大于PMMA骨水泥，这表明弥散的过程中CPN嵌合进入的骨组织体积明显多于PMMA。该研究结果有望为解决目前椎体强化术中存在的问题和提升疗效提供新的途径。
图2. CPN与PMMA骨水泥弥散特性测试结果
该研究对CPN骨水泥在椎体强化术中的弥散做了系统性地评估和定量分析，用标准化的研究结果阐明CPN作为替代PMMA的椎体成形剂的潜力。研究还发现由于CPN具有与PMMA骨水泥完全不同的流体力学特征和弥散方式(图2)，导致了对骨质疏松性椎体比较满意的力学强化效果。该研究结论为改善磷酸钙基骨水泥的生物力学性能提供了新的途径。此外该研究提出的骨水泥弥散测试方法以及基于多种离体模型的骨水泥力学和渗漏测试模型可以分别对椎体强化剂的生物力学性能做出定量可靠的评估。这些研究方法和所建立的模型对OVCF的相关研究有较好的借鉴价值。苏大附一院骨科博士研究生陆奇峰为文章第一作者，杨磊教授为通讯作者。该研究项目获得了国家自然科学基金(81622032和51672184)的资助。
中文摘要
背景：聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)是经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty, PKP)治疗骨质疏松性椎体压缩骨折最常用的填充材料。然而，PMMA的临床应用存在一些不可避免的缺点。PMMA骨水泥在注射过程中容易发生渗漏，从而导致神经及脊髓损伤。此外，经PMMA强化椎体的力学强度或刚度过高，这可能导致邻近椎体骨折。我们的前期研究开发了一种新型的生物降解型磷酸钙纳米复合骨水泥(calcium phosphate-based nanocomposite，CPN)，试图避免PKP使用中PMMA骨水泥所暴露的缺点。
目的：通过与PMMA骨水泥相比较，评价CPN骨水泥在PKP应用中渗漏特性、生物力学性能和在松质骨中的弥散特性。
研究设计：采用尸体椎体骨折模型、绵羊椎体骨折模型和聚氨酯刚性泡沫标准模型对CPN和PMMA水泥的分散性、抗渗漏性能和增强效果进行生物力学评价和比较研究。
方法：使用乙二胺四乙酸二钠(EDTA-Na2)溶液对羊椎体进行体外脱钙，制备模拟骨质疏松性椎体模型。通过开发自主知识产权的骨折制作工具来压缩椎体，获得体外骨质疏松性椎体压缩性骨折模型。比较CPN和PMMA骨水泥在模拟椎体强化术中骨水泥的渗漏情况，同时建立基于聚氨酯泡沫(SawbonesR#1522-507)的骨水泥渗漏模型，对CPN和PMMA骨水泥的渗漏性能进行比较。对骨水泥强化的松质骨和聚氨酯泡沫标准模型(SawbonesR#1522-23)进行标准力学压缩测试，比较CPN和PMMA骨水泥的力学强化效果。利用CT三维重建计算CPN和PMMA骨水泥在PKP和PVP强化尸体椎体中的弥散体积和弥散率。对于KP强化后的羊椎体则利用Micro-CT分别从水平面、冠状面和矢状面来计算和比较骨水泥截面面积与注射体积之比，从而评价CPN和PMMA的弥散能力。同时通过观察CPN和PMMA在聚氨酯泡沫模型(SawbonesR#1522-507)中弥散的CT图像，评估和比较两种骨水泥的弥散特性。
结果：在PKP强化过程中，CPN和PMMA骨水泥均能恢复增强后的椎体高度，并且强化后椎体高度无明显差异。在使用PMMA进行PKP强化的尸体椎体中，有75%发生了椎体后壁渗漏，而经CPN强化的尸体椎体未出现椎体后壁渗漏。PMMA增强的所有椎体均出现前壁渗漏，而CPN增强的椎体仅占75%。此外，无论是在相同的注射速度下还是在相同的注射力下，CPN和PMMA在渗漏模型测试中表现出完全不同的渗漏模式，表明CPN具有抗渗漏特性。在尸体椎体PKP强化实验中，CPN骨水泥的强化强度为1668±816 N，而PMMA骨水泥的强化强度为2212±813 N，二者之间没有显著性差异(P=0.459)。在羊椎体KP强化实验中CPN骨水泥的强化强度(1108±284 N)和PMMA骨水泥的强化强度(1393±433 N)之间同样没有显著差异(P=0.057)。 CPN在松质骨中的弥散体积和弥散率要显著高于PMMA(P<0.05)，表明CPN具有更好的弥散能力。在聚氨酯泡沫模型中，CPN表现出了与PMMA完全不同的弥散模式，而且PMMA弥散形成的团块的表面积为1037±72 mm2，明显低于混合液固比在0.4～1.0之间的CPN骨水泥(P<0.05)。
结论：与PMMA相比，CPN在PKP应用中表现出良好的抗渗漏性能，这可能与其高粘度和粘塑性特征有关。在尸体椎体、脱钙羊椎体和基于聚氨酯泡沫标准模型的测试中，CPN都表现出了与PMMA骨水泥相当的强化强度。CPN骨水泥有着完全不同于PMMA的弥散模式，这使得在椎体强化的过程中CPN骨水泥更容易弥散到松质骨内并对骨组织形成包裹，从而在水泥与松质骨之间形成嵌合结构，提升了CPN的力学强化效果。
临床意义：生物可降解CPN是PMMA水泥的一种潜在替代品，它可以减少椎体强化术中骨水泥的渗漏，避免因PMMA水泥强度过高和不可降解而引起术后并发症。
关键词：骨质疏松, 椎体压缩性骨折，椎体后凸成形术，磷酸钙骨水泥，骨水泥渗漏，聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥.
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团队简介
杨磊教授团队主要从事生物材料的力学和仿生学研究以及医疗器械转化医学研究与开发。主要的研究方向之一是为骨质疏松性椎体的手术固定和强化开发新型的可降解、可注射型材料。近年来主持国家自然科学基金优青、面上项目，中组部青年人才项目以及省部级以上课题等10余项。近三年来在Nature Biomedical Engineering、Materials Today、Advanced Science、Advanced Functional Materials、ACS Nano等材料与工程学期刊和The Spine Journal、Journal of Orthopaedic Translation、International Orthopaedics、Current Osteoporosis Reports等骨外科学期刊发表文章30余篇，申请中国发明专利10余项(授权6项)、美国发明专利2项(授权1项)。
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