部分可吸收椎間融合器的研制及實驗研究.pdf

1、脊柱疾患在臨床很常見，多發(fā)于中老年人及某些特殊職業(yè)；腰椎以及頸椎病變居多，發(fā)病率高于胸、骶椎疾??；二者的發(fā)病率在中老年人中可占百分之八十以上，嚴重妨礙了人們正常工作并降低了生活質量。一般來說，采用各種非手術療法后仍無緩解的脊柱疾病患者有必要采取手術治療。作為一種治療脊柱疾病與創(chuàng)傷的外科手術，椎間融合術被人們應用至今有接近百年的經(jīng)驗積淀。椎間融合術因其術后良好的治療效果被看做是脊柱外科史的里程碑之一。作為手術金標準的自體髂骨移植具有較高的

2、融合率，然而，隨之而來的并發(fā)癥是一個較難避免的問題，文獻報告自體髂骨植骨融合術后并發(fā)癥發(fā)生率約為百分之二十五，而且自體髂骨常因強度較弱而塌陷，繼而出現(xiàn)椎間高度下降，導致椎管內空間變小，或降低減壓效果。雖然椎間融合器獲得了較好的效果，但長期積累隨訪的數(shù)據(jù)資料顯示，目前椎間融合器仍存在一些缺陷，無論材料上或設計上，均有較大的進一步改進空間。
　　椎間融合器按其材料是否可在體內生物降解分為可吸收型和非吸收型兩類。最先設計研制的cage材

3、料是非吸收類材料。金屬是最早被使用的非吸收型椎間融合器材料，主要為不銹鋼、鈦合金椎間融合器。然而，眾所周知，金屬類較人體骨骼強度高許多，制出的融合器剛度太大；而且金屬類材料與人體組織相容性差，另外，金屬不被X線穿透難以觀察融合情況及影響術后MRI檢查而被逐漸淘汰。其他較多的非吸收型融合器有碳纖維椎間融合器、聚醚醚酮(PEEK)及新近開發(fā)研制的納米羥基磷灰石/聚酰胺66(n-HA/PA66)融合器，彈性模量均較金屬類更接近于正常成人骨骼，

4、而成為目前手術臺上的主流融合器。大量研究證明，適宜的壓應力刺激可以促進骨折愈合，加速植骨融合。雖然PEEK等材料制作的融合器在植入早期應力遮擋效應不明顯，但后期隨著其內部植骨逐漸吸收降解，而作為非吸收型融合器，其并沒有隨內部的植骨相應的吸收下降，導致椎體植骨融合界面之間的壓應力下降，出現(xiàn)顯著的應力遮擋效應，產(chǎn)生了不利于椎間植骨融合的生物力學環(huán)境，由此而影響了融合速度及效果。
　　異體骨雖然可吸收，沒有應力遮擋效應，但由于來源有限以

5、及疾病傳播風險，另外還存在和自體植骨塊同樣的后期塌陷問題限制了其廣泛應用。當前，許多學者已開始轉向研究開發(fā)可能更適宜人體的生物可吸收型融合器。其中，研究較多的融合器材料是多聚乳酸(Polylactide acid，PLA)。理論上，采用聚乳酸制成的可吸收椎間融合器能克服可吸收類融合器因其內早期植骨降解后產(chǎn)生的應力遮擋效應。然而聚乳酸椎間融合器也存在自身的不足之處，主要包括力學強度欠佳、聚乳酸在體內的降解速度過快，因此導致在椎間融合前聚乳

6、酸類融合器的強度往往已經(jīng)不能達到胸腰椎脊柱載荷所需了。聚乳酸類融合器在脊柱軸向載荷的作用下極易發(fā)生塌陷椎間高度丟失進而出現(xiàn)脊柱不穩(wěn)等現(xiàn)象；另外其組織相容性也不太理想，降解產(chǎn)生的乳酸局部堆積可出現(xiàn)無菌性炎癥及溶骨等不良反應。因上述原因，聚乳酸類以及類似的多聚乙醇酸類可吸收椎間融合器尚未在臨床上推廣普及使用。
　　鑒于上述可吸收型及非吸收型椎間融合器存在的一些問題，我們提出了早期主動增加壓應力刺激，加速椎間與植骨的融合，后期防止椎間融

7、合器塌陷的新型設計理念。具體實施方法是組合可吸收型材料和非吸收型材料制作新型椎間融合器。新型可吸收材料采用新開發(fā)的多聚氨基酸/硫酸鈣；非吸收型材料采用臨床上已使用多年的cage材料n-HA/PA66。將兩種材料組合，以期實施上述理念，達到早期增加對椎間融合器內植骨的壓應力刺激，提高融合速度，后期仍具有足夠的強度支撐椎體的預期效果，改善融合效果的目的。
　　目的：
　　1.設計部分可吸收椎間融合器(PBIFC)，制造出實驗樣本

8、。
　　2.采用有限元模型評估部分可吸收融合器的生物力學性能，并與非吸收型椎間融合器比較。
　　3.評估部分可吸收融合器的體外生物力學性能。
　　4.在大型動物體內進行腰椎融合實驗，評估部分可吸收椎間融合器的融合效果，探討其作為椎間融合器的可行性，為臨床應用提供實驗基礎。
　　方法：
　　1.在目前國內臨床上使用多年的納米羥基磷灰石/聚酰胺66椎間融合器的基礎上，設計出部分可吸收椎間融合器，并與公司合作造出

9、樣品。
　　2.選29歲健康男性自愿者進行腰椎CT掃描(重醫(yī)二院放射科)，通過工作站將掃描獲得的圖像導入計算機中，建立完整L3/L4腰椎功能節(jié)段的有限元模型，并進行驗證。在該模型基礎上，模擬經(jīng)前路植入一枚部分可吸收椎間融合器或非吸收型椎間融合器，分別建立了腰椎融合術后即刻和術后4周的模型，包括：部分可吸收椎間融合器植入即刻和納米羥基磷灰石/聚酰胺66(n-HA/PA66)椎間融合器植入即刻的模型，部分可吸收椎間融合器植入4周和n-

10、HA/PA66椎間融合器植入4周的模型。依次在L3上表面施加400N軸向壓縮模擬脊柱軸向壓縮運動；400N軸向壓縮預載荷和10Nm扭矩模擬脊柱前屈、后伸、旋轉和側屈運動，采集融合器、植骨、L4上終板的應力值及L4上終板應力分布輪廓數(shù)據(jù)。比較各椎間融合器及植骨在不同運動狀態(tài)下的應力值和L4上終板的應力分布圖。對植入兩種cage四周前后進行生物力學評估。模型的建立及運算分析采用有限元軟件ANSYS12.10。
　　3.選健康小牛的新鮮

11、L3-L4腰椎制作成單獨的腰椎功能節(jié)段，模擬前方入路行椎間融合器植入。部分前縱韌帶及纖維環(huán)被切去，鉗出髓核并盡量清理終板軟骨。打磨平部分骨性終板后分別斜向植入一枚PBIFC、一枚n-HA/PA66融合器和自體髂骨塊。通過加載扭矩模擬脊柱的各種功能運動狀態(tài)，測試各cage植入后腰椎節(jié)段的活動范圍，比較各組數(shù)據(jù)，評估PBIFC用于腰椎融合的穩(wěn)定性；然后測試PBIFC的拔出力學性能；最后測評PBIFC的抗壓性能。
　　4.16只本地雌性

12、山羊，隨機分為3組：A組，植入載滿自體髂骨的部分可吸收椎間融合器；B組，植入載滿自體髂骨的n-HA/PA66椎間融合器以及C組自體髂骨塊。在每只動物L2-L5三個椎間隙經(jīng)前路植入以上兩種椎間融合器和一枚自體髂骨塊，順序隨機，行腰椎間融合術。成功手術的實驗動物在術后即刻以及術后每月拍攝山羊腰椎側位片，觀察植骨融合情況，測量計算融合前后椎間隙高度(DSH)變化。術后24周處死動物行CT掃描，觀察植骨融合情況，進行融合度評分；隨后取術段標本切

13、片，作Masson、甲苯胺藍染色后鏡下觀察，了解植骨與椎體間融合、材料與椎體界面成骨及新骨形成情況，以及材料在體內降解情況。
　　結果：
　　1.成功設計出部分可吸收椎間融合器并制造出產(chǎn)品樣品。
　　2.建立出完整L3/L4脊柱功能節(jié)段有限元模型。各工況結果顯示，在融合器植入即刻，部分可吸收椎間融合器內植骨的應力值高于n-HA/PA66椎間融合器；部分可吸收椎間融合器自身以及L4上終板的應力值均低于n-HA/PA66椎

14、間融合器；兩組融合器在L4上終板的應力輪廓未見明顯區(qū)別。各融合器植入4周，兩組模型的應力差值較植入即刻時更大；部分可吸收椎間融合器在L4上終板的應力輪廓較n-HA/PA66椎間融合器大。
　　3.體外力學測試結果顯示，部分可吸收椎間融合器具有和n-HA/PA66椎間融合器相近的抗壓、抗扭及抗拔脫性能，結果無顯著性差異；各指標均高于作為椎間融合術金標準的自體髂骨塊，具顯著性差異。
　　4.在部分可吸收腰椎間融合器的動物體內融合

15、實驗中，術前及術后即刻三組間DSH無顯著性差異；術后4周至24周，nHA/PA66組與PBIFC組及髂骨組DSH差異顯著(P<0.05)，其中部分可吸收椎間融合器組及髂骨組的DSH降低更顯著；術后4周至16周，部分可吸收椎間融合器組同髂骨組間DSH無顯著性差異，但術后20周和24周髂骨組DSH較PBIFC組顯著降低(P<0.05)。影像學檢查，術后24周X檢查顯示部分可吸收椎間融合器組的融合度與自體髂骨相比已無顯著統(tǒng)計學差異，但較nHA

16、/PA66組融合度高。24周時，三組CT層面融合度評分，髂骨組的融合度評分高于部分可吸收椎間融合器組，但無統(tǒng)計學差異；PBIFC組的融合度評分高于nHA/PA66組，具統(tǒng)計學意義。術后24周行組織切片：PBIFC組可見作為cage蓋的多聚氨基酸/硫酸鈣材料已降解完全；在上下椎體界面的植骨區(qū)可見到較多成熟骨小梁，材料上下表面與終板骨組織已經(jīng)相互嵌合，融合器與終板界面可見大量新生骨組織及纖維骨痂形成。
　　結論：
　　1.部分可

17、吸收椎間融合器外形規(guī)格等設計符合目前主流，并將設計理念成功融入；部分可吸收融合器強度合適，空間足夠，結合緊密，適應腰椎的生理結構；各部分材料與人體骨骼彈性模量接近。
　　2.有限元結果說明：部分可吸收融合器能長時間維持其內植骨的壓應力；相應的融合器自身對終板壓應力更小。
　　3.PBIFC用于腰椎融合將具備足夠的抗壓及抗滑脫、抗扭轉力學性能。
　　4.PBIFC應用于山羊椎間融合，能夠維持腰椎間隙高度，在觀測時間內實現(xiàn)