骨水泥聚合反应热损伤研究进展_曹建飞

） 基金项目 ：深圳市科技计划项目（ ２ ０ １ ２ ０ ２ ０ １ ２ ， ； 作者单位 ： 曹建飞） ３ ０ ０ ３ ２ １ ８ ０ ３ ６ ５ ２ 合肥 ， 安徽医科大学（ 北京大学深圳医院骨关节科（ 曹建飞 、 陶可 、 张波）
以后） 技术特点为低粘度骨水泥， 骨水泥与骨交织 较充 分； 真空离心搅拌， 使骨水泥孔隙度降低， 力学强度增加， 骨水泥中混入的气泡溢出； 骨水泥枪加压注入， 使骨水泥 有较强的穿透力， 与骨质间达到微观交锁； 髓腔远端使用 髓腔栓； 假体采用中置器， 使假体柄四周骨水泥层厚度均 匀一致； 脉冲加压冲洗髓腔， 保持髓腔干燥； 假体柄预涂 骨水泥。第４代骨水泥技术于近年出现， 即在第 ３ 代骨 水泥技术基础上增加股骨柄近端和远端中置技术， 以确 保获得足够厚的规范骨水泥鞘。 不断更新的骨水 泥技 术， 使得手术操作更加安全可靠， 术后感染、 假体无菌性 ］ ４ 。 松动等并发症明显降低， 受到临床上广泛认可和接受［ ２ 骨水泥聚合放热 骨水泥粉剂与液剂混合时会发生聚合反应。 开始混 合至完全固化， 经历粥状期、 粘丝期、 面团期、 固化期。 粥 状期时粉剂与液剂混合反应呈稀粥状； 粘丝期时混合物 变稠， 牵拉能出丝； 面团期时混合物开始不粘手套， 温度 增高； 固化期时温度急剧升高， 甲基丙烯酸甲酯单体消耗 完毕。骨水泥在聚合反应过程中碳双键断裂并被单键取 ／ 。 聚合热主要发生于面团期 代， 会产生聚合热 １ ３ ０ ｃ ａ ｌ ｇ 和固化期， 其高低与周围组织结构、 环境温度及骨水泥初 始温度、 体积大小和厚度等因素相关。 实验测定显示， 厚 度为３ ｍ 和１ ０ ｍ ｍ的Ｓ ｉ ｍ ｌ ｅ ｘ Ｐ 骨水泥聚合热峰值分 ｍ ｐ ， 别为６ 和 厚度为 ０ ℃ １ ０ ７ ℃ ｍ 的常用品牌骨水泥产热 ６ ｍ 而骨组织在５ 范围为６ ６ ℃～ ８ ２ ． ５ ℃； ０ ℃时即可出现坏死， ［ ］ ５ 。 神经组织对温度更 时便可发生变性 胶原蛋白在５ ６ ℃ ［ ］ ６ 为敏感， 在４ 在用骨水泥 ３ ℃时即可出现热损伤 。 因此， 固定假体或填充骨缺损时， 不可避免地会将热量传递到 周围组织， 从而造成热损伤。 ３ 骨水泥聚合放热对周围组织的损伤 目前已有骨水泥聚合反应高温对骨、 关节软骨、 脊髓 神经、 心血管系统及皮肤等组织造成损伤的病例或研究 报道。 ． １ ３ 对骨质的热损伤 临床上对骨巨细胞瘤最常用的治疗方法为局部肿瘤 ］ ７ 报道对 １ 刮除术联合骨水泥填充骨残腔。徐明等［ ６ 例行 扩大刮除术联合骨水泥填充、 钢板内固定的邻膝关节骨巨 细胞瘤患者进行为期２年的 Ｘ 线摄片随访， 结果在平均随 访至８个月（ 时有４例出现透亮带（ 均位于骨水 ３个月） ４ １ ～
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，Ｎ 国际骨科学杂志 ２ ０ １ ３年１ １月 第３ ４卷 第６期 Ｉ ｎ ｔ Ｊ Ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｏ ｖ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ２ ５， ２ ０ １ ３，Ｖ ｏ ｌ ． ３ ４，Ｎ ｏ ． ６ ｐ
， 泥四周， 该透亮带在以后随访 分布均匀并伴有硬化边缘） 中均未见进展； 发现透亮带宽度与骨水泥体积大小有关， 认 ［］ 为透亮带的出现与骨水泥热灼伤相关。 ａ ｎ ｓ ｓ ｅ ｎ 等 ８ 研究 Ｊ 发现， 髋关节置换术时股骨干内涂灌骨水泥部位骨折与骨 坏死有关， 推断骨坏死可能源于骨水泥聚合反应热损伤， 认 为产热多少与所使用的骨水泥厚度及种类有关； 厚层骨水 泥模型研究显示有明显的骨质坏死， 薄层骨水泥模型研究 显示骨质坏死不明显， 提示较厚骨水泥涂层易引起明显的 ［］ 骨质热损伤。Ｆ ｕ ｋ ｕ ｓ ｈ ｉ ｍ ａ等 ９ 采用数字模拟分析软件对全 膝关节置换术中骨水泥－骨界面温度传导进行分析， 结果测 的 厚 得初始温度为 ３ 骨水泥层内最高温度为 ２ ℃ ３ ｍ ｍ 骨－骨水泥界面最高温度为５ 并观察到骨－骨水泥 ５ ℃， ６ ℃， ６ 。 的骨坏死 界面有厚度约２ ｍ ｍ ． ２ ３ 对关节软骨的热损伤 骨骼常见囊肿或肿瘤好发于关节附近， 手术治疗多 为刮除术联合骨水泥填充骨残腔。 填充骨残腔时骨水泥 聚合产热对周围骨质造成损伤的同时 ， 常引起关节软骨 ［ ］ １ ０ 热损伤。 Ｗ ｅ ｉ ｌ ｉ ｎ等 报道研究硫酸钙和骨水泥填充兔双 侧胫骨软骨下骨缺损模型后关节软骨形态变化 ， 术后 １ ２ 周取材并经大体观察、 组织学检查和电镜观察显示， 硫酸 钙组呈现正常透明软骨外观， 骨水泥组软骨有明显退行 性改变； 认为用骨水泥填充软骨下骨缺损可能诱导软骨 变性并加速退行性改变， 其原因可能与骨水泥聚合反应 ［ ］ １ 报道对骨水泥填充骨肿瘤 所致热损伤相关。Ｒ ａ ｄ ｅ ｖ等 １ 切除后骨腔产生的潜在热损伤进行有限元分析 ， 结果显 示骨水泥对关节软骨的潜在热损伤与骨水泥和关节软骨 之间的软骨下骨厚度相关， 软骨下骨厚度 ≥ ｍ 时发生 ２ ｍ 时则可能引发不同 关节软骨热损伤可能性较小， ｍ ２ ｍ ＜ 程度的关节软骨热损伤。 ． ３ ３ 对神经的热损伤 椎体成形术中骨水泥聚合产热， 可造成椎体感觉神 ［ ］ ２ 研究发现， 经末梢损伤。Ｌ 椎体成形术中骨水泥渗 ａ ｉ等 １ 且 漏进入椎管时后方皮质区测得的最高温度可达 ５ ９ ℃， ， 保持４ 有可能造成椎管内神经热损 ５ ℃以上超过 ５ ｉ ｎ ｍ 伤。由于髋关节邻近走行神经较多， 如坐骨神经、 股神经 和闭孔神经等， 髋关节手术中骨水泥应用引起的聚合产 热有可能损伤到这些神经， 造成患肢感觉或功能障碍。 ［ ］ １ ３ 报道 等 例肾癌转移致左髋臼病变的 ｉ ｄ ａ ｌ ｏ ９ 岁男 Ｈ １ ６ ｇ 性患者接受射频消融和骨水泥成形术后出现臀部至左脚 的严重性放射痛伴手足无力和步态困难 ， 经止痛等保守 治疗无明显好转后行手术治疗， 术中发现坐骨神经被小 块骨水泥挤压并有灼伤表现， 去除水泥块后患者活动及 感觉功能逐渐恢复。 ． ４ ３ 对皮肤的热损伤 骨水泥可因直接接触或间接热力传导导致局部或邻 ［ ］ ４ 报道１例 ６ 近皮肤烫伤。Ｂ ｕ ｒ ｓ ｔ ｏ ｎ等 １ ３ 岁女性患者因右 髋骨关节炎行右髋关节置换术， 术中废弃的骨水泥不慎 触碰到患者右侧小腿及腘窝处皮肤， 直到手术结束时才 发现， 术后患者诉触碰骨水泥处皮肤剧烈疼痛， 查体发现
有２个深层２ 并证实为聚合反应中 ｍ× ３ ｃ ｍ 皮肤缺损， ｃ ［ ］ ５ 的骨水泥直接触碰皮肤造成的局部烫伤。Ａ ｒ ｕ ｍ ｉ ｌ ｌ ｉ等 １ 报道１例３ 后侧入 １岁左胫骨近端骨巨细胞瘤男性患者 ， 路广泛刮除术联合骨水泥填充骨残腔， 术后 １ 天发现胫 ， 大小的水疱 骨粗隆前下方有一 ５ ｍ× ３ ｃ ｍ ｃ ４ 周后发展 根据患处皮肤变化并参照文 成 ｍ× ４ ｃ ｍ 大小的焦痂； ６ ｃ 献报道的骨水泥烫伤皮肤表现， 推断该皮肤水疱系骨水 泥聚合产热经胫骨传导导致的间接烫伤。 ． ５ ３ 对心血管系统的热损伤 骨水泥单体聚合反应可形成局部瞬间高温， 刺激机体 产生炎症反应， 释放大量炎性介质如前列腺素、 缓激肽等。 炎性介质可使毛细血管床扩大、 外周血管扩张、 回心血量减 ］ １ ６ 。 少， 以致产生外周血压下降等一系列血流动力学改变［ 此外， 骨水泥聚合反应的瞬间高温还可导致骨髓腔内残余 血液、 脂肪及气体受热膨胀， 引起髓腔内压力升高， 促使骨 水泥、 脂肪滴、 空气及碎骨屑等进入血循环， 导致肺栓塞发 ］ １ ７ 。 生， 严重时可导致心律失常， 甚至心跳骤停［ ３ ． ６ 对其他组织的热损伤 全髋关节置换术中一旦髋臼有裂隙， 骨水泥被挤压 穿过髋臼壁进入盆腔， 即可能造成盆腔内脏器热损伤。 ［ ］ １ ８ ａ ｔ ｅ ｒ ｓ等 报道１例６ ７ 岁老年男性在双侧全髋关节置 Ｗ 换术后１ 静脉肾盂 ２年出现左腰部疼痛并伴有镜下血尿， 造影显示左侧输尿管下段近骨水泥型假体处有一约 ２ ｍ ｃ 长的不完全狭窄， 腹部和骨盆 Ｃ Ｔ 检查显示该狭窄与骨水 泥之间的脂肪密度增高且不连续； 认为该输尿管狭窄系 手术时骨水泥挤压进入骨盆引起热损伤所致。 骨水泥泄 ］ １ ５ 。 漏进入盆腔还可造成膀胱热损伤， 导致膀胱功能障碍［ 骨水泥热损伤预防措施 ４ 针对骨水泥聚合反应性高温对周围组织造成明显热 损伤， 导致局部炎症、 组织坏死等一系列并发症， 许多研 究报道通过改变骨水泥自身特性， 改良骨水泥相关技术 ［ ］ ９ 在总 的方法有效预防或减轻骨水泥热损伤。Ｋ ａ ｒ ｒ ｈ ｏ ｌ ｍ１ 结前人经验的基础上提出以下预防措施： ① 术中减少骨 ； 、 水泥用量； 采用金属假体 预冷假体 骨水 泥 或 骨； ② ③ ④添加重金属或熔化结晶单体增加骨水泥热容量； ⑤减 、 慢骨水泥聚合反应速率； 增加粉液比 添加含水凝胶或 ⑥ ［］ 全 粒状聚合物降低单体比例。Ｆ ｕ ｋ ｕ ｓ ｈ ｉ ｍ ａ等 ９ 研究发现， 厚骨水泥层可引起 厚骨坏 膝关节置换术中３ ｍ ｍ ｍ ２ ｍ 死， 而减小骨水泥层厚度， 降低骨表面初始温度后可分别 观测到最高温度降低， 骨坏死面积相对减少， 骨 水泥层 因此， 减 ｍ或骨表面初始温度＜ ８ ℃时未见骨坏死； １ ｍ ２ ＜ 小骨水泥层厚度及降低骨表面初始温度， 可减轻骨水泥 ［ ］ ０ 研究发现， 聚合热损伤。Ｇ 骨水泥型髋关节置换 ｉ ｌ ｌ等 ２ 术中在股骨小转子处置放吸入套管、 彻底脉冲灌洗、 早期 关节复位 等， 可显著降低股骨表面温度（ 由６ ８ ℃降至 ［ ］ １ ） ， 。 研 等 从而减少热损伤所致骨坏死可能 ６ ℃ ｒ ｏ ｒ ａ ２ ３ Ａ 究测定骨水泥中加入添加剂后的聚合温度， 发现骨水泥 ） 可降低峰值温度 中添加正十二碳硫醇 （ ＤＭ ℃～ ６ ℃， Ｄ ４ 同时添加 Ｚ ５沸石和 Ｄ Ｓ Ｍ ＤＭ 可明显降低骨水泥最大聚 －
，Ｎ 国际骨科学杂志 ２ ０ １ ３年１ １月 第３ ４卷 第６期 Ｉ ｎ ｔ Ｊ Ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｏ ｖ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ２ ５， ２ ０ １ ３，Ｖ ｏ ｌ ． ３ ４，Ｎ ｏ ． ６ ｐ
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骨水泥聚合反应热损伤研究进展
曹建飞 陶可 张波
摘要 填充骨与植入物间隙或骨腔并具有自凝特性的骨水泥 生物 材料 常 用于 关节 置 换 术中 假 体 粘 接固定、 椎体压缩骨折术中压缩椎体填充、 骨肿瘤刮除 术 后 骨 残腔 填 补 等。骨 水泥 在 固 化 过程 中 会 发 生 聚合反应并释放出大量热， 不可避免地将热量传递到周围组织而造成热损伤。该文就骨水泥聚合Байду номын сангаас应热
损伤研究进展作一综述。 关键词 骨水泥； 聚合反应； 热损伤； 预防 ： ／ ７ ０ Ｄ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３ Ｏ Ｉ ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ０ ８ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ６ ． ０ ９ － ｊ
凭借自 ０ 世纪 ５ ０ 年代应用于骨科以来， 骨水泥自 ２ 身特性与优势， 在临床治疗中占有重要地位。 骨水泥常 用于人工关节置换时假体粘接固定、 椎体压缩骨折术中 对压缩椎体的填充、 骨肿瘤刮除术后骨残腔填补及作为 ］ １ 。 然而， 骨水泥在使用过程中 某些药物的控释载体等［ 会发生聚合反应并释出大量热， 可能对周围组织造成损 伤， 从而引起一系列并发症， 如术中一过性低血压、 休克， 甚至心搏骤停， 术后局部感染、 患处感觉或功能障碍、 无 菌性骨溶解及假体早期松动， 影响手术成功率及远期疗 ］ ２ 。因此， 如何预防或减轻骨水泥聚合放热对周围组 效［ 织的损伤， 逐渐受到骨科临床研究的重视。 １ 骨水泥应用技术发展 ， 又 骨水泥化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯 （ ＭＭＡ） Ｐ 称丙烯酸骨水泥。Ｈ ｉ ｌ ｌ和 Ｃ ｒ ａ ｗ ｆ ｏ ｌ ｄ于 １ ９ ２ ７ 年构建骨水 于 年首次将骨水泥应用于髋关节双杯 泥， ａ ｂ ｏ ｕ ｓ ｈ １ ９ ５ ３ Ｈ 置换术， ｈ ａ ｒ ｎ ｌ ｅ ９ ５ ８ 年报道进行系统的临床与实验 Ｃ ｙ于 １ 研究， 其成果逐渐被骨科医生所接受并广泛应用于临床 。 骨水泥应用可保证术后假体即时稳定， 在骨－骨水泥－假体 界面上 无 任 何 微 动， 允 许 术 后 早 期 负 重， 疗效受到肯 ［ ］ ３ 包括 Ｐ 直 定 。骨水泥商品灭菌包装， ＭＭＡ 颗粒粉剂 （ ） ， 径１ ０ ５ ０μ ｍ 含１ ０ ％ 不透 Ｘ 线的硫酸钡或氧化锆、 ～１ 及 ％二甲基甲苯胺引发剂和微量过氧化苯甲酰抑制剂 ， １ （ 甲基丙烯酸甲酯单体液体 含３ ％二甲基甲苯胺和微量过 。 氧化苯甲酰） 骨水泥广泛应用于临床已有 ６ 其应用技术 ０ 年历史， 也在不断更新。 第 １ 代骨水泥 （ 技 ０ 世纪 ７ ０ 年代以前 ） ２ ， ； 术特点为非低粘度骨水泥 骨水泥与骨相嵌不充分 以手 搅拌骨水泥； 指压法填充髓腔， 注入压力不够； 不做髓腔 冲洗， 血液、 碎屑易混入骨水泥， 充填不均匀， 厚薄不一， 部分区域出现骨水泥中断， 骨与假体之间无骨水泥充填； 股骨柄假体内侧缘有锐角， 可切割骨水泥。 第 ２ 代骨水 ） ； 年代 泥（ 技术特点为低粘度骨水泥 以手搅拌骨 ０ ９ ０ ７ ～ 水泥； 骨水泥枪加压注入； 髓腔远端使用髓腔栓； 股骨柄 假体内缘呈圆形， 不切割骨水泥。第３代骨水泥（ ０ 年代 ９