骨水泥总结.docx

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骨水泥总结

骨水泥技术

任中义

骨水泥及其应用技术

骨水泥是一种用于填充骨与植入物间隙或骨腔并具有自凝特性的生物材料。

化学名称是聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylatePMMA）,也称丙烯酸骨水泥。

自从1958年Charney首次应用骨水泥固定股骨假体成功施行全髋关节置换以来，骨水泥己广泛应用于骨科临床，骨水泥固定可保证术后假体的即时稳定，在骨组织-骨水泥-假体界面上无任何微动，允许术后早期负重，疗效肯定。

第一代骨水泥技术假体松动率为29%-40%，除了假体设计方面的因素之外，主要是存在于假体和骨质两个界面之间的PMMA微粒（直径≥100um）引起的假体周围骨溶解和骨水泥界面的老化、破裂，最终导致假体的远期无菌性松动，即所谓“骨水泥病”。

采用改进后的第二代骨水泥技术假体松动率为3%（术后3年），第三代骨水泥技术假体松动率为3%（术后20年）。

非骨水泥固定或称生物固定解决了一些由骨水泥带来的问题，但术后10年的远期随访发现与骨水泥固定相似，同样存在假体周围的骨溶解和松动现象，因此认为，骨水泥身并不是人工关节置换术的薄弱环节，而使用方法不当才是真正的薄弱环节。

本文对骨水泥的发展历史、骨水泥的特点、骨水泥技术、抗生素骨水泥等与临床应用的相关问题作一复习。

PMMA于1927年由Hill和Crawfold发明，1937年在医学上首先用于口腔科。

1953年由Haboush首先用于髋关节双杯置换术，1958年经过Charnley系统的临床与实验研究被骨科医生广泛接受。

一、         组成成份

常用的五种品牌骨水泥成份比较见文末附表。

骨水泥包括两部分灭菌包装。

第一部分是PMMA颗粒粉剂（直径10－150um），含有10％不透X线的硫酸钡（BaSO4）或氧化锆（ZrO2）、1％二甲基甲苯胺（DMPT）引发剂和微量过氧化苯酰（BP）抑制剂。

第二部分是甲基丙烯酸甲酯单体的液体，含有3％DMPT和减少单体自发聚合的微量BP。

二、         理化性质

按照骨水泥单体与粉剂混合后的流动性的流动性、渗透性的高低及聚合后每一时相所占时间的不同，可将骨水泥分为高粘性和低粘性两类。

低粘度骨水泥有利于渗透到骨小梁中，更好地发挥微观绞锁作用，并且可以提供更多的工作时间。

在所有骨水泥产品中，CMW的粘度最高，以至于难以装入骨水泥枪管中，因此常用于手工填塞骨水泥的浅表部位；LVC、AKZ和Sulfix-6属于低粘度骨水泥，适合用骨水泥枪注入，其中LVC（Zimmer）的聚合物颗粒直径小，分子量低，粘度最低，保持液态时间最长；SimplexP的的粘度中等。

PalacosR分子量高，意味着含有长链结构，也属于高粘度骨水泥，混合后保持液态时间相对较短，更适合在面团前期或面团期手法使用。

PalacosR混合后5分钟的硬度是SimplexP的2倍、CMW的1/3。

其粉剂颗粒形状不规则有利于添加抗生素后药物的释放。

由于在粉剂中有聚合引发剂，液体（单体）中有激活剂，因而骨水泥聚合及固化过程中不需要加热和额外压力，属于自固化或称冷固化。

骨水泥固化影响因素，固化时间与:

品牌,气温,湿度,单体及粉未的温度,单体与粉未的比例的不同相关

聚合后的骨水泥承受压力的强度大于抗张力或剪力强度。

PALACOSR的弹性模量为2.3Gpa（湿润股骨皮质骨的拉伸弹性模量为17.6Gpa，扭转弹性模量为3.2Gpa。

股骨髓内靠近皮质处的骨小樑最坚强，因此使用骨水泥时最好距离骨皮质1mm）。

常用骨水泥的力学性能

品牌

压力（MPa）

四点弯曲（MPa）

SimplexP

100

74

ZimmerRegular

77

48

PalacosR

84

66

PalacosG

86

61

CMW

87

61

CMW3

100

65

Sulfix-6

102

66

有学者对SimplexP（SP）、Osteobond（ZO）、Regular（ZR）和PalacosR（PR）四种品牌的骨水泥性能进行了比较研究，得出结论如下：

PR有着所有标本中最好的弹性模量；除了SP在37度时，PR在所有骨水泥中及在任何温度下都有最大的抗拉强度；PR的断裂韧度在所有温度都是最高的；尽管PR是唯一一种用手搅拌的骨水泥，但它的孔隙率始终保持在较低的水平，不受温度影响，仅在37度、50度略高于SP。

三、         作用机理

骨水泥不是胶，没有粘合性质，与骨和假体之间无化学连接，它是填充空间并通过机械连接传递载荷的材料，现代概念认为:

良好的固定需要同时依靠微观绞锁（micro-interlock）和容积填充（bulk-filling）两种作用机制。

微观绞锁固定指骨水泥浸入松质骨内形成界面上的交织嵌顿。

有助于将骨水泥与骨表面间的剪切应力转化为压应力，使界面强度明显提高，还可避免假体在界面上的微动。

容积填充是将骨水泥完全均匀分布在假体与骨质之间，起到应力传导作用。

如果没有骨水泥，假体与骨床之间通过少数点状接触传导载荷，将造成接触部位的局部应力增高。

实现微观绞锁需要满足下面三个条件：

（1）骨表面保留缝隙（骨小梁或微孔）。

（2）低粘性骨水泥。

（3）维持加压。

骨水泥容积充填要满足下列条件:

（1）彻底清洗髓腔。

（2）减少髓腔出血。

（3）均匀、充分填充。

通常认为骨水泥的最佳厚度不少于2mm，薄于1mm或厚于3mm均可能出现断裂，尤其过薄的骨水泥层在应力下更容易断裂，美国和英国多数医生赞同这个观点。

但对于压配型假体的植入，以Postel为代表的法国学者使用薄层骨水泥技术取得了满意的疗效。

Skinner等总结比较了这两种骨水泥技术的远期临床效果，常规组92例，股骨扩髓较假体柄直径大2mm，压配组97例，股骨扩髓与假体柄直径相等，两组均为同一手术组医生施行的初次全髋置换。

10年后存活率常规组∶压配组为97.2％∶98.8％，术后5年假体垂直微动距离常规组∶压配组为1.8mm∶1.0mm（P＝0.36）,X线片显示假体周围透亮线常规组明显高于压配组（P＝0.0061），结果提示压配型假体结合正确的骨水泥使用技术，可以得到更好（至少不低于常规骨水泥技术）的远期效果。

该技术目前在法国已广为应用。

如用于填充骨缺损，骨水泥厚度不宜超过5mm，尤其适用于老年患者。

注意由于骨水泥自身机械强度的弱点（弹性模量低于骨骼，抗剪切力低于抗压力），不能用于填充大块、节段性骨缺损，特别慎用于年轻患者。

四、         使用方法及技术分代

骨水泥单体与粉剂自混合到完全固化，可分为湿砂期、粘丝期、面团期、固化期四个时相。

按照骨水泥调制及使用方法，可将骨水泥技术大致分为三代。

笫一代骨水泥技术（70年代中期以前）

l        手工搅伴骨水泥

l        保留髓腔松质骨

l        髓腔冲洗和吸引

l        髓腔内放置排气管

l        用手将面团期骨水泥填塞入髓腔内

l           用手维持假体柄中立位

l           假体柄外形（棱角尖锐）对骨水泥有切割

第二代骨水泥技术（70年代--90年代）

l 骨水泥手工搅拌后倒入骨水泥枪管内

l 去除髓腔内松质骨

l 重视股骨髓腔的冲洗、吸引和保持干燥

l 髓腔远端使用髓腔塞

l 使用骨水泥枪自髓腔深部逐步后退填充骨水泥

l 用手或早期中位器维持假体柄中立位

l 假体柄材料和外形（棱角钝圆）对骨水泥有切割

笫三代骨水泥技术（90年代以后）

l 真空或离心调配骨水泥后装入骨水泥枪管内

l 去除髓腔内松质骨

l 重视股骨髓腔的冲洗、吸引、含肾上腺素海绵填塞止血和保持干燥

l 髓腔远端使用髓腔塞

l 使用骨水泥枪自髓腔深部逐步后退填充骨水泥并维持加压

l 假体柄远端和近端特殊纹理或预涂处理，有利于应力经过骨水泥传递到骨质

调制骨水泥时产生孔隙有两种原因：

大的孔隙源于进入的空气，小孔隙是由于单体的挥发。

手工搅拌的骨水泥孔隙率可达9－27％。

不同方法制备的骨水泥、张力与疲劳寿命和孔隙率之间的相关性并不精确，但对多数品牌的骨水泥而言，孔隙率会减少骨水泥的疲劳寿命，500mmHg（73.3kPa）条件下真空搅拌可将孔隙率自7.1％降到0.1％，2500转/分离心60秒也可以减少孔隙率，加载测试离心后骨水泥标本，经过1×108循环未见异常，未离心骨水泥标本同等条件下有70％发生断裂。

五、         注意事项

1.骨水泥对全身的影响

二十世纪七十年代早期，全髋置换术中与骨水泥有关的并发症高达33％－100％，主要是血压降低（使用骨水泥后收缩压降低20mmHg），目前已减少到4.8％。

少见的并发症是心脏骤停。

曾认为骨水泥中的单体与心血管并发症有关，但术中实际测得血液中单体峰值远低于动物实验结果，并且有动物实验表明，静脉注射5倍常规剂量的单体未引起任何心血管并发症，100倍剂量时可导致心脏骤停。

单体进入血液循环后很快被清除，血液中峰值持续约3分钟。

股骨髓腔内注入骨水泥后可出现血压下降，而髋臼侧使用骨水泥则无明显影响，目前多认为一过性低血压或猝死与单体的关系不大，而是与脂肪、骨髓或空气造成的肺栓塞或心脏栓塞有关。

在髋人工关节手术中，经食道放置B超探头，作心脏超声波检查。

可在右心见到一些较小和较大的超声反射波，前者称为"暴风雪"现象，后者可长达5cm左右，全髋人工关节手术死亡病例的尸体解剖在肺血流中见有脂肪和骨髓成份栓子，这是由脂肪注射器注入股骨髓腔和假体柄插入骨髓腔内时，挤压骨髓，可诱发肺脂肪栓塞。

过敏可能是导致低血压的另一个原因。

有学者比较了骨水泥组和非骨水泥组插入股骨假体后，前者补体蛋白水平和活力降低，与过敏有关的C3a和C5a升高。

过敏可导致血管通透性升高，因此推断其与循环系统变化有关。

目前大量临床和动物实验表明股骨髓腔内容物微粒栓塞肺毛细血管是低血压的明显因素。

手术中髓腔内注入骨水泥的高压峰值可达575mmH。

股骨髓腔内容物微粒包括空气、脂肪和骨髓等，肺栓塞后由于栓子的机械作用和化学作用可以引起多种病理反应。

动物实验（犬）发现，假体插入3分钟内，平均血压显著下降，伴有肺血管床阻力明显升高。

假体植入5分钟后，心输出量明显降低。

通过对接受骨水泥型长柄股骨假体和全膝置换术中出现心脏骤停患者的监护，已在临床上证实也存在上述血液动力学改变。

临床上心血管系统的变化常发生在使用骨水泥30分钟之内，最常见的是一过性动脉氧分压降低，持续10分钟左右后恢复。

肺动脉分流现象（通气/灌流比例失调）高达28％，并可持续到术后48小时。

低血压较少见，约占骨水泥型全髋置换病例的5％，与高龄、既往患有心脏疾病、肺部疾病或恶性肿瘤等有关

高压脉动冲洗去除髓腔内碎屑与微粒，有利于骨水泥与松质骨的微观绞锁固定，更重要的是避免髓腔内容物引起肺栓塞后导致的循环系统紊乱，与未作高压脉动冲洗相比，脂肪微粒数量减少了1/4。

补充血容量以维持动脉氧分压。

在脊柱外科施行经皮椎体成形术中，注入骨水泥也可能导致肺栓塞及心血管并发症。

2.骨水泥对局部的影响

骨水泥聚合过程中，由于碳双键断裂并被单键取代，会产生聚合热130卡/克，20克液态单体最多克产热2600卡。

产热主要在面团期和固化期，聚合热的高低与周围组织结构、环境温度、骨水泥初始温度、体积大小、厚度等因素有关。

实验测定SimplexP骨水泥3mm和10mm厚样本的聚合热峰值分别为60℃和107℃，各种常用品牌骨水泥6mm厚的样本产热范围在66℃－82.5℃。

虽然骨水泥聚合热较高，但临床上使用的骨水泥层较薄，加之髓腔相对湿润，有实验发现骨水泥界面温度40℃－43℃，低于组织蛋白热凝固的温度（47℃－56℃），因此聚合热并非是导致假体松动的主要原因。

当髋臼有裂隙时，骨水泥可以穿过髋臼壁进入盆腔，骨水泥聚合反应释放热可能影响临近的血管和导致血栓形成。

安装假体后，未清除过剩的骨水泥，硬化后的骨水泥边角可以侵蚀紧邻的、搏动的动脉管壁发生假性动脉瘤和血栓形成。

六、             新型骨水泥

   重复施加载荷时，骨水泥在脆性和抗张力方面较为薄弱。

为提高骨水泥强度，可添加纤维材料以增加内部链接，可共选择的材料有碳纤维、玻璃纤维、聚乙烯、钛等。

因为添加的材料易于聚集，影响骨水泥进入骨质间隙的流动性，从而改变了骨水泥的处理方式和特性，上述添加材料的骨水泥未能得到广泛应用。

目前还没有添加纤维改进材料特性的商业骨水泥。

骨粒骨水泥：

骨水泥中加入150--300um的骨粒，骨粒可以相互接触，骨水泥--骨界面强度在5个月达到3倍，疲劳强度达到10倍。

陶瓷骨水泥：

聚合热大大降低，费用升高。

抗生素骨水泥：

Buchholz首先在PalacosR中加入庆大霉素，利用局部高浓度抗生素治疗关节感染和预防初次人工关节置换感染。

抗生素释放量与抗生素种类、表面积、骨水泥成份、使用方法等有关。

最大释放量在第一个24小时内，此后逐渐降低，持续数周。

动物实验发现，术后3天在临近假体的血清中含有治疗剂量的庆大霉素，而全身分布剂量最低。

苯唑青霉素骨水泥的杀菌水平在伤口周围持续14天，在临近骨质中持续20天。

在PalacosR中加入庆大霉素或其他抗生素的释放能力明显高于Simplex或CMW，这是因为PalacosR中的聚合物颗粒具有类似漏斗的作用，允许抗生素更好的释放出来，而其他骨水泥在孔隙结构上有所不同。

因此PalacosR骨水泥常作为抗生素载体用于预防或治疗感染。

有学者使用琼脂扩散法对抗真菌药物骨水泥做了研究，通过检测氟康唑、两性霉素和5－氟胞嘧啶添加到骨水泥后生物活性，发现：

前二者能够保持活性而5－氟胞嘧啶无活性；可通过增加药物浓度提高活性；PalacosR骨水泥的药物释放能力高于SimplexP。

欧洲使用添加0.5g庆大霉素的PalacosR或添加红霉素和多粘菌素的SimplexP已有数十年历史。

美国FDA未批准商业化的抗生素骨水泥，所以很多医生在手术中自行配制抗生素骨水泥，这时需要注意：

每40克包装的骨水泥加入0.5－2克抗生素粉剂，不会损害骨水泥的静止张力和压力强度，但可降低抗疲劳强度10－15%，因此不主张常规加入抗生素。

加入大剂量抗生素（5－10克）制成骨水泥串珠或垫片后，骨水泥强度明显下降。

水溶液抗生素可抑制PMMA的早期聚合作用而降低强度。

骨水泥聚合时产热，因此只有热稳定型（耐受50℃－60℃）的粉剂抗生素如庆大霉素、妥布霉素、万古霉素、红霉素、头孢菌素和多粘菌素可以应用。

使用PalacosR骨水泥中需注意的问题

1.    准备一个无菌、平坦的工作台。

2.    由巡台护士打开锡箔包装袋，内含两袋粉剂，仍由巡台护士打开粉剂的外层聚已烯包装袋，台上人员将无菌的粉剂包取出。

3.    单体应先置于冰箱中预冷，以降低黏度。

4.    单体不宜过早打开，以防挥发。

5.    搅拌用的器皿、搅拌棍、手套应洁净、干燥。

6.    先倒水剂后倒粉剂，搅拌45秒后即可到入枪头中。

7.    手工搅拌即可，不需真空、离心搅拌。

8.    8如有必要而病人经济条件差，可按40g骨水泥：

0.5-1g粉剂抗生素的比例制作抗生素骨水泥。

（包括庆大、妥布、西力欣粉剂）。

9.    搅拌骨水泥前必须征求手术医生同意，开始搅拌时记时。

10. 固定过程中每隔1分钟报时一次，并感觉剩余骨水泥热度、硬度的变化。

骨水泥固化通常需要8—9分钟。

在骨水泥植入时及以后过程中应仔细观察血压、脉搏、呼吸的变化，生命体征的任何变化都应及时发现并迅速纠正。

体内的骨水泥经过几年后会变成淡棕色，不易与骨质区别。

PalocosR加入了叶绿素（Chorophyll）,有利于返修时彻底清除骨水泥。

小结

采用骨水泥还是非骨水泥方式固定假体取决于患者个体情况及医生的习惯。

骨水泥有其自身优势，尤其适用于高龄及明显骨质疏松的患者。

2000年瑞典共有11，000初次THR，其中93％使用骨水泥固定。

1979－2000年，在全部骨水泥固定的初次和返修手术例数中，返修病例占7.4％；1992－2000年，在全部非骨水泥固定的初次和返修手术例数中，返修病例占27.3％（与患者年龄较小有关），这解释了瑞典骨科医生不愿意使用非骨水泥固定的原因。

65岁以上患者，无论采用那种固定方式，返修率只有6.4％。

过去3年里，由于对现代生物固定理解的深入，非骨水泥固定及杂交固定方式的文献报道也在逐渐增加。

临床上许多医生非常重视手术技术，而对于骨水泥的应用技术未给予足够的关注。

如文中所述，不同的骨水泥具有各自的特性，只有掌握骨水泥的特点并正确应用，才能避免骨水泥强度下降，从而充分发挥骨水泥固定技术的优势，降低术后远期假体松动和翻修的几率。

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