复合bBMP的纤维蛋白胶对去势绵羊体内椎弓根螺钉固定的强化作用

                                                     作者：万世勇，雷伟，吴子祥，付索超，李波

【关键词】  ,骨形态发生蛋白质类；,纤维蛋白组织粘着剂；,骨质疏松；,椎弓根螺钉；,强化；,生物力学

　　Augmentation of pedicle screw stability using fibrin sealant as a carrier compounded with bBMP in osteoporotic sheep vertebrae: in vivo biomechanical study

　　【Abstract】 AIM: To evaluate the biomechanical efficacy of fibrin sealant （FS） as a carrier compounded with bBMP in augmentation of pedicle screw fixation in osteoporotic sheep vertebrae. METHODS: Thirtysix lateral lumbar vertebras （L2L6） from 4 female sheep with ovariectomyinduced osteoporosis were employed in this experiment. They were randomly divided into 3 groups: FS /bBMP augmented group, the screw track were filled with FS/bBMP; calcium phosphate cement （CPC） augmented group, the screw track were filled with CPC; and control group without augmentation. Meanwhile, the screws were implanted in each group consisting of 12 lateral lumbar vertebras. After three months breeding, all the sheep were sacrificed. Axial pullingout test and periodical bending resistance test were performed on each group. RESULTS: Compared with the control group ［(524.65±118.35) N］, the maximal axial pullingout strengths of FS/bBMP augmented group［ (909.98±155.65)  N］ and of CPC augmented group ［(994.20±122.78) N］ were significantly increased (P<0.05), while no statistical significance (P>0.05) was found between the FS/bBMP augmented group and CPC augmented group. In the periodical bending resistance test within 800 cycles, the maximal offsets of FS/bBMP augmented group ［(1.478±0.466) mm］ and of CPC augmented group ［(1.274±0.393) mm］ were smaller as compared with the control group ［(1.978±0.531) mm］ (P<0.05), but there was no significant difference (P＞0.05) between the FS /bBMP augmented group and CPC augmented group. CONCLUSION: Augmentation with fibrin sealant as a carrier compounded with bBMP can significantly strengthen the pedicle screw fixation in osteoporotic sheep vertebrae.

　　【Keywords】 bone morphogenetic proteins; fibrin tissue adhesive; osteoporosis; pedicle screw; augmentation; biomechanics

　　【摘要】 目的: 探讨复合牛骨形态发生蛋白（bBMP）的纤维蛋白胶（FS）强化去势绵羊椎弓根螺钉固定作用的生物力学效果. 方法: 选取4只去势绵羊腰椎2～6双侧共36个椎弓根随机分为3组：FS/bBMP组，磷酸钙骨水泥（CPC）组，空白对照组，每组12个椎弓根. FS/bBMP组钉道内注入复合bBMP的FS，CPC组注入CPC，空白对照组钉道内不作任何处理. 拧入螺钉饲养3 mo后取材. 在材料试验机上进行轴向拔出试验和周期抗屈试验. 结果: FS/bBMP组的最大拔出力为（909.98±155.65）N，CPC组为(994.20±122.78) N，两组差异无统计学意义(P＞0.05). 两组均明显高于空白对照组的(524.65±118.35) N，差异具有统计学意义(P＜0.05). 周期抗屈试验800个周期内，FS/bBMP组螺钉位移为(1.478±0.466) mm，CPC组为(1.274±0.393) mm ，空白对照组为(1.978±0.531) mm，其中FS/bBMP组与CPC组两组差异无统计学意义(P＞0.05)，两组均小于空白对照组，差异有统计学意义(P<0.05). 结论: 在骨质疏松椎体内植入椎弓根螺钉时，添加复合bBMP的FS可显著提高螺钉稳定性.

　　【关键词】 骨形态发生蛋白质类；纤维蛋白组织粘着剂；骨质疏松；椎弓根螺钉；强化；生物力学

　　0　引言

　　椎弓根螺钉内固定是目前临床上常用的后路脊柱内固定方法, 由于其对脊柱的前、中、后三柱具有坚强的固定作用, 固定效果令人满意. 但对于骨质疏松症患者，由于椎体骨密度降低，骨小梁变薄，钉骨界面连接不牢固，常面临着螺钉松动的风险. 雷伟等［1］的研究表明，以纤维蛋白胶（fibrin sealant, FS）为载体复合牛骨形态发生蛋白（bovine bone morphogenetic protein, bBMP）的注射型骨修复材料，具有强大的骨诱导能力，明显增加注射部位诱导成骨的量. 本研究采用在骨质疏松绵羊腰椎椎弓根螺钉钉道内注射复合bBMP的FS，进行轴向拔出试验和周期抗屈试验，旨在了解复合bBMP的FS局部诱导成骨后对椎弓根螺钉的强化效应.

　　1　材料和方法

　　1.1材料

　　3岁雌性绵羊4只，均为生育、哺乳期后绵羊，由第四军医大学实验动物中心提供. FS为广州倍秀生物技术有限公司产品；bBMP由西京全军骨科研究所综合骨库提供，FS/bBMP最终聚合的材料中bBMP的浓度为20 mg／mL. 磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement, CPC）上海瑞邦生物材料有限公司产品，商品名“瑞邦骨泰”；椎弓根螺钉医用不锈钢材质，全长40 mm，螺纹部分长20 mm，螺轴长10 mm，螺纹外径为3.5 mm，螺距为2.0 mm，螺纹深度为0.5 mm；后钉段长10 mm，设计成标准的公制M4螺纹与轴向拔出杆的内螺纹匹配，螺钉及配套工具自行设计由山东威高骨科公司加工；双能X线吸收骨密度仪，由西京医院全军骨科研究所提供；MTS858生物材料试验机，西安大学材料与力学国家重点实验室提供.

　　1.2方法

　　1.2.1实验标本的制备

　　绵羊采用卵巢切除的方法进行去势处理. 术后低钙饲养1 a后，再次测定其腰椎骨密度，所有绵羊腰椎骨质密度下降＞1.5倍标准差，确定骨质疏松动物模型成功建立. 将骨密度接近的4只绵羊每只选取腰椎2～6双侧共36个椎弓根随机分为：FS/bBMP组，CPC组和空白对照组3个组，每组12个椎弓根. 速眠新0.1 mL/kg，麻醉后将绵羊侧卧于手术台上，取腰部正中切口，切开棘上韧带，剥离两侧的骶棘肌，显露椎板、横突. 采用人字嵴顶点法［2］与棘突约成40度角方向钻孔，深度为20 mm，用探针探查钉道是否准确无误，位置不佳的由腰2椎体替换. FS/bBMP组钉道内注入复合bBMP的FS 0.3 mL（图1A），CPC组注入CPC 0.3 mL，空白对照组钉道内不作处置. 拧入螺钉（图1B）. 依次缝合切口. 术前晚、术中和术后给予头孢唑啉钠1.0 g肌注，2 次／d，共3 d. 术后无不良反应. 绵羊饲养3 mo后处死，取出椎体剔除软组织，成为单个椎体. 每组6个椎弓根螺钉用于轴向拔出试验，其余6个椎弓根螺钉用于周期抗屈试验.

　　1.2.2轴向拔出试验

　　根据重力学的原理，设计了加盖式轴向拔出试验测试平台，将操作平台底部，通过中央持柄固定于试验机底端，轴向拔出杆与椎弓根螺钉尾部拧合固定后，由盖的中央孔穿出. 拧紧操作平台的盖，拔出时由盖施加垂直阻力. 将轴向拔出杆固定试验机的上端（图2）. 以5 mm／min的加载速率行拔出试验，出现螺钉拔出破坏后停止(螺钉的轴向拔出力达到高峰后开始出现明显的下降). 试验机的载荷信号由机数据采集系统自动记录，并记录最大轴向拔出力.

　　1.2.3周期抗屈试验

　　根据圆形的直径相交过圆心的原理，制作了顶压式周期抗屈试验测试平台. 将单个椎体用骨水泥固定在操作平台上，使椎弓根螺钉与平台水平面平行，并通过平台轴心. 通过平台底部持柄固定于试验机底端，将顶压头固定试验机上端. 保证顶压头将负荷垂直于螺钉纵轴施加在螺钉尾部（图3）. 基础预负荷10 N. 负荷先从10 N增至25 N，再减至10 N，反复100次. 而后，最大负荷依次递增25 N，每次递增后重复100次. 调整负荷最大至200 N，共8个负荷段，合计800个周期的递增负荷. 试验机内位移传感器记录螺钉垂直方向的位移，若在最大负荷200 N，负荷周期800次以前出现螺钉松动位移≥2.0 mm者，则记录该周期的最大负荷.

　　统计学处理：采用SPSS 11.0统计软件进行统计分析. 数据采用levene法进行方差齐性检验后，根据结果，最大轴向拔出力，采用完全随机设计的单因素的方差分析，其中两两比较用SNKq检验. 周期抗屈试验中螺钉垂直方向的位移，采用KruskalWallis H检验，其中两两比较用Nemenyi法检验. 计量资料以x±s表示，P<0.05为差异有统计学意义.

　　2　结果

　　2.1最大轴向拔出力

　　结果显示， 轴向最大拔出力FS/bBMP组为（909.98±155.65） N， CPC组为（994.20±122.78） N， 两者差异无统计学意义(P＞0.05). 两组均明显高于空白对照组的（524.65±118.35）N，差异具有统计学意义(P＜0.05). 与空白对照组相比，最大轴向拔出力分别提高了73.41%和89.50%. 表明复合bBMP的FS可增加椎弓根螺钉的轴向拔出力，强化效果接近CPC（表1）.表1轴向拔出试验结果(略)

　　2.2周期抗屈位移空白

　　对照组中有83.3％(5/6)的螺钉在最大负荷200 N前就开始松动位移≥ 2.0 mm， 而FS/bBMP组为33.3％（2/6）；CPC组为16.7％（1/6）. 800个周期内，螺钉的位移FS/bBMP组为(1.478±0.466) mm，CPC组为(1.274±0.393) mm，空白对照组为(1.978±0.531) mm，三组之间的差异有统计学意义(P＜0.05). 其中FS/bBMP组与CPC组两者差异无统计学意义(P＞0.05)，两组均小于空白对照组，差异有统计学意义(P＜0.05). 表明复合BMP的FS和CPC均可减少椎弓根螺钉的松动位移，减少螺钉的松动率（表2）.表2周期抗屈试验结果(略)

　　3　讨论

　　提高骨质疏松症患者钉骨界面的稳定性，是减少椎弓根螺钉松动的决定因素. 在强化螺钉的研究方面，除改进螺钉设计外，目前的研究证实［3］，聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate, PMMA）能显著增加椎弓根螺钉的拔出强度和抗屈强度. Leung等［4］的研究表明，在骨质疏松山羊体内应用CPC强化螺钉的拔出力比空白对照组增加了54.7％. Milcan等［5］应用PMMA的衍生物丁基2氰丙烯酸酯强化小牛腰椎，通过轴向拔出试验，表明目前该物质的强化作用接近PMMA. 应用这些物质，虽可提高螺钉的稳定性，但由于PMMA等存在热损伤效应、毒副作用、取出困难、取出时破坏椎弓根， CPC在体内吸收非常困难等诸多缺点，临床上很少应用或仅有少量用于松动后的二次翻修手术. 本实验采用可降解的生物活性物质强化钉道，完全避免了上述缺点.

　　骨质疏松是骨吸收大于骨形成的结果［6］. 其中成骨细胞和破骨细胞的相互耦联及各种生物因子对成骨细胞和破骨细胞的刺激及抑制作用对骨质疏松的形成和，起着重要的作用. bBMP是一种含有BMP2，BMP3，BMP4，BMP5，BMP6，BMP7以及TGF1，TGF2，TGF3，FGF1的成骨性细胞因子复合物. 研究表明，BMPs同时具有膜内成骨和软骨成骨的双重成骨特性，而且它们之间具有网状协同作用［7］. Han等［8］将rhBMP4与FS复合后，对大鼠颅骨缺损进行修复，结果发现复合rhBMP4的FS组的新成骨量、修复后的骨密度明显大于单一成份组. 雷伟等［1-2］的研究也认为FS为载体复合BMP的骨修复材料，不仅性质稳定，而且具有高效的骨诱导和骨修复能力.
　　
　　本实验应用复合bBMP的FS强化后，结果表明螺钉的稳定性明显提高. 其机制可能是因为：复合bBMP的FS刺激了未分化的间充质细胞增殖，促进毛细血管增生和长入，从而为bBMP的诱导活动提供了丰富的靶细胞环境和理想的微环境. 同时，FS天然的网状微观结构有助于bBMP的附着及与靶细胞的接触，其特有的粘着力有利于bBMP的缓慢释放. 因此随着FS的降解，在螺钉的周围形成了一个bBMP浓度梯度，增加了bBMP与靶细胞作用的时间，使其骨诱导活性得以最大限度地发挥. 新生的编织骨经改建，螺钉周围的新骨逐渐趋于成熟. 拔出力与局部骨密度之间存在着明显的正相关关系［9-10］. FS/bBMP组拔出力提高了73.41%，反映了钉骨界面坚固性的提高. 本实验表明复合bBMP的FS促进了成骨，提高了注射部位的局部的骨密度，强化了螺钉周围的钉骨界面.
　　
　　虽然骨螺钉界面的组织学变化及局部的成骨后骨密度变化等情况，还需要进一步研究探明. 但本研究表明，采用复合BMP的FS强化椎弓根螺钉，有希望成为预防骨质疏松患者术后椎弓根螺钉松动的一种安全有效的方法.

　　【】

　　［1］雷伟，崔赓，胡蕴玉，等.以纤维蛋白胶为载体的注射型骨修复材料对兔桡骨骨缺损修复的实验研究［J］.骨与关节损伤杂志，2004，19（11）：752-755.

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　　［6］Srivastava AK, Bhattacharyya S, Castillo G, et al. Development and application of a serum Ctelopeptide and osteocalcin assay to measure bone turnover in an ovariectomized rat model ［J］. Calcif Tissue Int, 2000，66(6):435-442.

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