聚甲基丙烯酸甲酯不同应用形式在慢性骨髓炎治疗中的研究进展

张玉祥,杨伟铎,李文波,石杰,高秋明*

(1.中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院创伤骨科,甘肃兰州 730000;2.宁夏医科大学第一临床医学院,宁夏 银川 750004)

慢性骨髓炎是骨科最具挑战的疾病之一,由于诊断和治疗的复杂性,因此治疗较为困难。目前,慢性骨髓炎的治疗往往需要进行手术彻底清创、控制感染和全身抗生素治疗。虽然全身抗生素治疗是标准治疗策略的重要组成部分,但是受细菌生物被膜的影响,局部药物浓度渗透性和病灶区的血液供应能力较差,其治疗效果会受到一定的影响[1]。长期、大量全身应用抗生素治疗会导致严重的机体不良反应,尤其会促进细菌耐药性的增长。通过抗生素缓释载体进行局部抗生素治疗可以显著降低全身性抗生素治疗引起不良反应的风险。由可降解和不可降解材料组成的抗生素缓释载体可以在手术清创后填充死腔,不仅对全身血药浓度影响较小,还能在感染局部提供高浓度的抗生素[2-4]。目前由可降解或不可降解材料组成的抗生素缓释载体多种多样,但在临床工作中使用最广泛的依然是载抗生素聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)。PMMA包括抗生素骨水泥链珠以及骨水泥团块两种,两种治疗方法各有其优缺点,但在一定程度上均可治疗慢性骨髓炎。现临床上对应用载抗生素PMMA治疗慢性骨髓炎的研究仍在继续,本文通过大量查阅相关文献,对近年来针对慢性骨髓炎手术治疗中PMMA的理论研究及临床应用作一综述,为骨科医生应用载抗生素PMMA治疗慢性骨髓炎提供参考。

1 PMMA骨水泥的理论研究

PMMA也称为骨水泥或丙烯酸骨水泥,是一种广泛应用的局部抗生素缓释载体。20世纪60年代,John Charnley首次将PMMA运用于全髋关节置换术中,以便能更牢固的固定股骨以及髋臼部件[5]。Buchholz等[6]提出了PMMA和抗生素联合治疗的概念,旨在骨感染治疗时能达到较高的局部抗生素浓度。PMMA的优点在于：(1)全身血药浓度无明显增高,而局部抗生素浓度可显著提高;(2)使PMMA中的抗生素持续且缓慢的释放,一般可达3～42 d[7];(3)局部应用载抗生素PMMA不仅能在病灶局部维持有效的灭菌浓度,还能避免全身血药浓度较高导致的机体肝肾功能损害;(4)由于其凝固后机械强度较高,可用于骨缺损的填充,保持骨质的稳定性。

1.1 PMMA的洗脱特性及力学特性

众所周知,局部高浓度的抗生素意味着治疗慢性骨髓炎时更高的感染控制率。如果能提高局部抗生素的浓度并提供良好的骨稳定性,这会在骨感染的控制和骨愈合方面起到一定程度的改善作用。为此,在不影响骨水泥力学稳定性的前提下尽可能提高局部抗生素的浓度成为了治疗骨感染的重中之重。抗生素是从PMMA的孔隙和裂缝中被动释放出来的,在制作骨水泥链珠时,链珠的大小可以影响抗生素的释放。Shinsako等[8]研究了骨水泥链珠大小对抗生素洗脱的影响,结果表明骨水泥链珠中抗生素的释放受其表面积的影响。Atici等[9]分别制作了万古霉素骨水泥链珠及髋关节垫片,然而无论骨水泥的类型或制备方法如何,表面积较大的骨水泥链珠总是提供了比骨水泥垫片更优秀的抗生素释放率。随着骨水泥中加入抗生素的总量不断增加,虽然提供了更高浓度的抗生素,然而PMMA的稳定性也随之不断降低,失去了其在骨缺损区稳定的支撑能力。有研究表明[10-11],每40 g PMMA粉剂中加入0.5 g万古霉素时PMMA的力学性能开始降低,而万古霉素的量<2 g时无法做到有效杀灭病原菌,因此临床中每40 g PMMA粉剂中加入2～4 g万古霉素被认为可以在不影响其机械性能的情况下最大程度发挥抗菌能力。除此以外,骨水泥表面的粗糙度、孔隙度、湿润性、抗生素的种类等均会不同程度的影响抗生素的释放动力学[12-13]。

1.2 抗生素的选择

在使用PMMA治疗慢性骨髓炎时,PMMA往往可以同时搭载一种或多种抗生素,但不是所有抗生素都可以加入PMMA中应用。在选用抗生素时,不仅要考虑所选抗生素的抗菌谱及其不良反应,还需考虑其热稳定性。一方面可以避免在PMMA凝固期间的瞬时高温导致抗生素效能下降甚至变性,另一方面则为抗生素遇热后的爆发性释放,使药物在前期大量释放,到了后期因达不到最低抑菌浓度使感染控制效果锐减,甚至使致病菌产生耐药性。目前临床中符合以上要求的抗生素主要包括氨基糖苷类抗生素以及万古霉素,这些抗生素具备广谱抗菌疗效及良好的热稳定性的同时其过敏反应的发生率也相对较低[14]。万古霉素是一种糖肽,对革兰氏阳性菌,包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有活性,并且由于革兰氏阳性菌是慢性骨髓炎最常见的致病菌,因此大多数慢性骨髓炎病例都考虑使用万古霉素治疗[15]。研究表明,氨基糖苷类抗生素如妥布霉素和庆大霉素,对需氧革兰氏阴性杆菌具有良好杀菌作用的同时,还可对革兰氏阳性菌如葡萄球菌和肠球菌表现出协同抗菌作用,因此治疗由革兰氏阳性菌引起的骨髓炎时,妥布霉素的存在可以增强万古霉素的杀菌效果,比单独使用万古霉素的治疗效果更好[16]。然而,随着载万古霉素、妥布霉素以及庆大霉素PMMA临床应用不断增多的同时,也出现了许多与之相关的不良反应报道,如听力损伤、过敏反应、急性肾损伤等[17-19]。

1.3 PMMA的替代材料

PMMA的主要缺点是不能降解,通常需要二期手术进行摘除。高分子生物材料因为其在人体内的性质和性能的退化,其降解能力一直被认为是一个不利的过程。现在从一个新的角度看待它们,将这些缺点作为优点,利用这种降解能力作为控制药物释放的途径,并能根据新组织重新长入的速度调节药物的释放速度,可以把它们的降解看作一个未开发的潜力。与PMMA相比,这种由可降解材料制备的抗生素缓释载体也得到了人们的广泛关注。因其植入后无需二次手术进行摘除,减轻了对人体的负担,并且在人体内降解的同时可以缓慢释放出被包裹的抗生素,维持局部抗生素浓度的稳定,达到持久的抑菌效果。硫酸钙骨水泥(calcium sulfate cement,CSC)作为目前临床中使用最多的可降解抗生素缓释载体,其优秀的生物相容性和体内降解能力已被广泛应用于临床工作中。与PMMA相比,硫酸钙不仅具有可降解的特性,还拥有不会因为凝固时的放热反应而爆发性释放抗生素的优点。研究表明,硫酸钙在软组织中3～6周就会逐渐溶解,在骨组织中6～12周也会完全溶解[20]。但由于硫酸钙存在降解速度快于新骨形成、抗压强度低以及骨诱导能力弱等缺点,因此临床上大多选择使用硫酸钙复合材料。Pforringer等[21]使用载妥布霉素的硫酸钙作为填充物置入兔子胫骨干骺端骨缺损处,硫酸钙同样在4周内快速降解,但在使用三棕榈酸甘油酯作为添加剂后降解速度显著减慢,在12周后通过CT扫描仍能检测到植入物的存在。Tan等[22]将一种二氧化硅介孔材料(santa barbara amorphous-15,SBA-15)与硫酸钙结合制备了CSC/SBA-15复合材料,使得该硫酸钙复合材料的抗压性能随着SBA-15的增加而增强,降解速率随着SBA-15的增加而减慢。以上结果均提示硫酸钙复合材料具有很好的临床应用前景。其他可降解材料比如磷酸钙、羟基磷灰石、胶原海绵蛋白、生物活性玻璃等新型材料,虽然具有良好的生物相容性和骨传导性,但因为强度差、脆性大、过敏反应等其他问题导致临床应用尚不完善,仍需通过实验不断进行完善。PMMA由于其价格低廉,制备操作简单,应用场景广泛,在临床工作中取得了令人满意的效果,因此仍是大部分临床医师的首要选择。

2 PMMA骨水泥的临床应用

2.1 PMMA链珠

目前,在治疗慢性骨髓炎时,将载抗生素PMMA制作成链珠状来临时填充清创造成的骨缺损的历史已超过20年。与传统的单纯全身应用抗生素治疗相比,应用载抗生素PMMA链珠时不仅显著提升了病灶局部的抗生素浓度,而且使全身血药浓度维持在一个较低的水平,提高了感染控制率的同时降低了肝、肾毒性等副作用。应用载抗生素PMMA链珠填塞局部感染性骨缺损不仅能填充死腔,并有效保证病灶周围长时间保持高浓度抗生素环境,还能通过PMMA自身的力学特性保证骨质的相对完整性和稳定性,从而提高感染的控制效率。周武等[23]通过对50例慢性骨髓炎患者进行Ⅰ期清创联合抗生素骨水泥链珠填塞治疗,结果显示在术后1周就能明显降低患者C反应蛋白(C-reactive protein,CRP)及红细胞沉降率(erythrocyte sedimentation rate,ESR)水平,达到快速且高效控制感染的作用。在感染复发和后期随访中,陈校明等[24]对17例慢性骨髓炎患者进行Ⅰ期病灶清创联合抗生素骨水泥填塞旷置术,随后进行为期至少1年的术后随访,未见复发病例,所有感染都得到了有效控制。以上临床研究均能体现彻底清创结合抗生素骨水泥链珠对慢性骨髓炎的疗效,且不难看出彻底清创对治疗效果的积极推动作用。

通过多年临床实践,谢肇[25]总结了彻底清创的技术要点：(1)无血操作是彻底清创的基础,在术中应尽可能使用止血带、电凝、局部压迫等方法控制出血;(2)切除病灶周围坏死软组织并扩大切除正常软组织至少2mm,直至有新鲜血液流出,随后继续切除感染骨组织直至出现点状出血;(3)切除感染组织后使用大量生理盐水和双氧水反复冲洗病灶区域,可极大减少病灶区的细菌负荷。彻底清创要求清除所有感染组织,但是这种侵入性切除会在骨和软组织中留下明显的死腔,死腔的存在为残留的细菌生长繁殖提供了良好的条件,同时较大的死腔也对骨与关节的稳定造成了影响。填充死腔的目的是使用活的血管化组织代替死骨和软组织,因此临床医生常常使用抗生素骨水泥对死腔进行填塞,并在后期二次手术时取出骨水泥后进行松质骨或血管化植骨[26]。然而,若抗生素骨水泥链珠在死腔内持续释放抗生素4～6周后复查髓腔内仍存在感染灶时,则需要继续清创和填塞骨水泥控制感染,待炎症标志物恢复正常后患者才能接受二期手术,包括取出骨水泥、钢板内固定以及松质骨植骨等操作。

目前,采用彻底清创联合抗生素骨水泥链珠填塞的手术方法成功解决了控制骨感染及骨缺损修复两大临床难题,已成为了一种慢性骨髓炎的成熟治疗手段。

2.2 PMMA团块

载抗生素骨水泥团块是治疗慢性骨髓炎的主要方法之一,其特点是使用整体骨水泥(骨水泥块)来填塞骨缺损,而不是用抗生素骨水泥链珠。1986年Masquelet发现在一期置入PMMA后可在PMMA表面形成一种纤维性并呈血管化生长的膜性结构,称之为诱导膜。同时这种膜性结构可以分泌血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)-2等因子[27-30]促进血管生成及诱导成骨。然而,至少需要4周才能形成功能成熟的诱导膜[31]。

Masquelet技术是分两阶段进行治疗的重建手术。第一阶段为彻底的骨和软组织清创,然后将PMMA团块填入缺损部位,并通过外固定来稳定肢体。由于周围异物型炎症反应,骨水泥团块诱导表面血管化假膜的形成,即诱导膜。第二阶段通常在第一阶段4～6周后进行,包括切开诱导膜取出骨水泥团块,并在诱导膜内放置骨移植物诱导成骨。Masquelet技术的早期研究表明,它是治疗继发于骨感染、骨肿瘤切除以及创伤导致的长骨缺损的有效方法。Walker等[26]通过对9例上肢长骨感染性骨缺损患者使用Masquelet技术治疗后发现所有患者均在术后6～12个月实现了骨愈合。田浩然等[32]对23例糖尿病足患者应用Masquelet技术治疗后,其创面愈合率达到95.6%,平均创面愈合时间为(26.5±4.3)d,与传统的清创治疗方法相比较,显著缩短了创面愈合时间。纪振钢等[33]对41位创伤性长骨骨感染患者应用Masquelet技术进行治疗,其中37例获得Ⅰ期骨性愈合,愈合率达到90%,平均愈合时间9个月。以上结果表明应用骨水泥团块时即使在感染性骨不连导致的四肢长骨节段性骨缺损也能得到可靠的重建。

与骨水泥链珠相比,骨水泥团块对死腔的填充更令人满意。因此常常在PMMA尚未凝固时填入骨缺损区,利用PMMA此时柔软易塑形的特点可以基本做到完全填充死腔,在起到稳定支撑作用的同时避免了因死腔填充不全导致感染反复出现的可能。由于PMMA在凝固时瞬时温度较高,填塞的骨水泥团块会对周围组织造成热损伤,导致骨水泥周围的骨坏死,并刺激机体的炎症反应,释放出大量的炎症介质,因此在骨水泥释热过程中往往需要用冰盐水冲洗,避免局部组织坏死。针对这一问题,Xia等[34]学者采用乳液聚合法制备出一种名为石蜡/聚相变微胶囊的材料,将其按一定比例加入PMMA中可有效降低PMMA在凝固时产生的瞬时高温,有助于缓解PMMA在固化过程中因瞬时高温产生的不利影响。将骨水泥团块提前在体外制备好,待冷却后填入骨缺损区也能避免骨水泥凝固时造成的热损伤。殷渠东等[35]将骨水泥团块在体外制作成一种空心多块的结构,这种结构有很多优点：不仅取出容易,在取出时还不易损伤诱导膜和周围新生骨组织;因其在体外制作冷却后植入体内,避免了骨水泥凝固时的高温导致周围组织的热坏死;再者是空心多块结构,PMMA的表面积较大,抗生素释放率高,还可以配合髓腔置管灌洗引流,进一步提升感染控制效果。

抗生素骨水泥团块治疗慢性骨髓炎骨缺损的优点是其生成的诱导膜具有良好的成骨活性。诱导膜作为一种优秀的自体纤维膜材料,在骨缺损修复过程中承担着重要作用,不仅可以充当防止周围软组织侵入缺损区的屏障,还对于移植骨具备更好的成骨效应[36-37]。诱导膜的形成是一个复杂的过程,其成骨活性及组织学特性往往受到多种因素的影响,如骨水泥填充物的类型和形状、抗生素的种类及诱导膜形成的时间等,具有难控性,最后造成诱导膜的厚度不同、膜内组织成分差异较大等问题。为了提高诱导膜的质量,加速骨缺损的愈合,各国学者做出了不同尝试。有学者[38]分析了载不同抗生素PMMA临时填充大鼠股骨缺损中形成诱导膜的组织学特性,结果显示庆大霉素治疗组的诱导膜厚度从第2周至第6周显著增加了221 μm,庆大霉素+克林霉素治疗组诱导膜厚度相比单纯庆大霉素组有所减少,弹性纤维分数有所增加。Yun-Fei等[39]研究了硫酸钙对诱导膜组织学特性的影响,结果表明在诱导膜的新生血管活性以及成骨活性方面,PMMA组在6周以后明显低于硫酸钙组。同时,以PMMA作为骨缺损填塞物时,其不同的形状也会对诱导膜的功能造成一定的差异。有研究[40]强调了使用骨水泥团块代替骨水泥链珠的重要性,与骨水泥团块相比,骨水泥链珠不能形成能完整覆盖骨缺损区的诱导膜或仅能形成薄厚不一的诱导膜,这对于减少骨吸收、促进成骨的效率会产生一定影响。

应用骨水泥团块治疗慢性骨髓炎具有操作简便、愈合率高等优点,适用于各种类型、各部位骨缺损,尤其是感染性骨缺损,其优势在于：(1)既能完全填充死腔,又能维持骨缺损区的稳定性;(2)局部高水平的抗生素浓度能有效控制骨感染。然而其缺陷也同样存在：(1)骨水泥团块的核心在于诱导膜,因此二次手术中往往需要小心保护诱导膜的完整性;(2)骨水泥块表面积较小,其抗生素释放率明显低于骨水泥链珠;(3)抗生素骨水泥团块整体填塞虽然完美填充了死腔,但其作为一个较大的整体与周围骨组织紧密连接,只能使用咬骨钳或骨刀等暴力方法将骨水泥块变小后才能取出,这种操作很容易损伤诱导膜,从而影响骨修复效果。

3 小 结

近年来,随着对抗生素缓释载体及慢性骨髓炎研究的不断加深,应用载抗生素PMMA治疗慢性骨髓炎的方式越来越广泛,通过骨水泥链珠以及骨水泥团块治疗慢性骨髓炎的技术也越来越成熟。针对慢性骨髓炎治疗的金标准依旧是彻底清创、控制骨感染以及骨重建。然而从骨水泥抗生素释放率高低的角度看,骨水泥链珠可以在局部释放更高浓度的抗生素来控制感染。从消除死腔的角度看,骨水泥团块不仅能做到最大程度上消除死腔,避免残存的积液导致浮游细菌生长繁殖,从而引起感染的复发,还能在骨缺损区形成能完整覆盖的诱导膜并提供稳定支撑的能力。虽然两者均在一定程度上对慢性骨髓炎的治疗做出了贡献,但是哪种方法的治疗效果更好,目前仍缺少两者间直接对比的基础研究加以验证。随着骨组织工程技术的进一步发展,未来一定会出现更多更适合的材料和技术,为骨感染的治疗提供新的思路和方向。