可降解純鎂椎間融合器的相關實驗研究及胸鎖關節(jié)脫位的影像和臨床研究.pdf

1、隨著社會老齡化的加快，腰椎退行性疾病逐漸成為干擾人們健康和生活質量的常見疾病。腰椎退行性疾病既是一種機體自然退變的進程，也是自身保護的一個機制，隨著病程的進展，逐漸影響腰椎周圍的鄰近結構，產生臨床癥狀。對腰椎退行性疾病的診治一直是骨科醫(yī)師研究的熱點。
　　髓核的退變被認為是腰椎退行性疾病的起始點。隨著年齡的增長，髓核的含水量和彈性降低，引起脊柱負荷重新分布，導致脊柱各個結構發(fā)生過度負載，逐漸發(fā)生退變。此外，髓核的退變引起椎間隙的變

2、窄和髓核的突出，引起神經根管和椎間孔的狹窄，從而壓迫神經根，引起腰腿疼痛等臨床表現(xiàn)。在脊柱發(fā)生退變的伊始，脊柱周圍的贅生結構可以視為機體自身調節(jié)的過程。例如：椎骨增生形成骨贅，黃韌帶的肥厚和關節(jié)突的增生，可以視為是機體為增加脊柱的穩(wěn)定性而新生的結構。任何事物均具有兩面性，當這些退變保護性結構壓迫了神經根、脊髓等結構，即可引起臨床癥狀，干擾正常的生活。因此腰椎退行性疾病的手術治療原則即為去除增生結構，恢復脊柱的正常排列，重建脊柱的穩(wěn)定性。

3、
　　后路腰椎間融合術(posterior lumbar interbody fusion，PLIF)自20世紀50年代被Cloward報道以來，一直被作為椎間融合的首選術式。其效果肯定，不存在爭議。該術式可以直接去除增生的各個結構，進行神經根的減壓，同時完成內固定，并且可以將椎間植入物最大限度地置于椎體的力學中心附近，以利融合。在去除增生的結構以后，恢復脊柱的正常序列和重建脊柱的穩(wěn)定性成為了下一步的重點內容。其中，對于椎間隙的處

4、理更是重中之重。
　　在處理終板之后，椎間植入融合材料，可以維持椎間隙的高度，提供利于融合的力學環(huán)境。理想的融合材料應具有一定的初始強度，并具有和椎體相似的彈性模量和誘導成骨的特性，不影響觀察椎間隙的成骨情況，有良好的生物相容性。自體髂骨塊可滿足上述的絕大部分要求。但是在應用過程中發(fā)現(xiàn)，應用自體髂骨塊進行椎間融合，骨塊的初始強度不足，不能早期承重，在骨重建和融合過程中，骨塊有吸收、塌陷的現(xiàn)象。關于供骨區(qū)的并發(fā)癥時有報道。金屬cag

5、e可以有效的恢復椎間隙的高度，避免供骨區(qū)的并發(fā)癥。但是由于金屬cage的彈性模量過高，存在應力遮擋、下沉、移位和影響影像學觀察等缺點。于是，接近椎體彈性模量的材料得以應用于制作椎間融合器，代表材料就是碳纖維材料和聚醚醚酮。這些材料所制作的椎間融合器，透光性好，其外形和終板近似。但是文獻報道，在其周圍有炎癥細胞出現(xiàn)。隨著工藝的發(fā)展和多學科的交叉發(fā)展，以聚乳酸為代表的可吸收性融合器應用于臨床。經隨訪發(fā)現(xiàn)，可吸收聚乳酸椎間融合器可以提供即時穩(wěn)

6、定性，在椎間融合的進程中，逐步降解吸收，能提高椎間的融合率，并發(fā)癥少，但其酸性代謝產物可以產生骨質溶解，對融合過程產生不利影響，且降解時間各家報道不一。繼續(xù)尋找和骨的彈性模量相近，并可逐漸降解吸收的材料成為解決上述問題的關鍵。
　　鎂在骨科領域的應用可以追溯到1878年。純鎂具有以下特點：1、具備和骨近似的彈性模量，可避免對終板的過度切割。2、具有骨誘導性和可降解性，可以促進椎間融合的進程。3、其代謝產物對人體無害。4、文獻報道有

7、促進骨生長和神經恢復的功能。但是因為鎂在體內的降解速度過快，限制了鎂在骨科固定材料方面的應用。
　　我們從以上所述椎間融合的要求和鎂的特性考慮，聯(lián)合中國科學院金屬研究所和北京納通醫(yī)療集團進行了兩方面的研究，一是將純鎂制作為椎間融合器，將其進行鈣磷涂層，控制其降解速度，探討其在椎間融合和降解方面的行為特性。二是對胸鎖關節(jié)為代表的微動關節(jié)脫位進行內固定治療，并進行隨訪，確定其愈合時間和內固定的可行性研究，為鎂材料在這一方面的拓展應用做

8、準備工作。在研究過程中，我們從實驗動物-山羊的脊柱影像學測量入手，設計制造了適合山羊體內使用的純鎂cage。并對純鎂cage進行了鈣磷涂層。進行了純鎂cage在體外的降解特性的觀察和體外的生物力學特點的研究。經過這些研究，我們發(fā)現(xiàn)經鈣磷涂層后的純鎂cage在生物力學和降解時間等方面可以滿足椎間融合的需要。然后我們進一步經后路將純鎂cage植入了山羊的椎間，觀察涂層后的純鎂cage在體內的降解特點和椎間融合的效果。在本文中逐一進行分述。<

9、br>　　第一部分山羊腰椎影像學數(shù)據的測量和純鎂cage的設計、制造
　　目的：了解山羊腰椎各個結構的解剖參數(shù)，并進行腰椎后路椎弓根釘手術的方案，在此基礎上設計、制造純鎂cage。
　　方法：利用西門子64排螺旋CT對12只1歲齡雄性山羊(體重48-55kg，平均體重52kg)進行腰椎節(jié)段的掃描，重建。采用CT自帶測量軟件Syngosoftware version A70A分別測量椎體的高度、椎間隙高度、椎弓根的寬度、終板面

10、積等數(shù)據。根據測量數(shù)據，利用CAD軟件繪制符合山羊腰椎特點的純鎂cage制造圖。
　　結果：椎體后緣高度(VBHp)逐漸增大，到L6，VBHp可達3.32±0.14cm，L7較之縮小0.57cm。椎體前緣高度(VBHa)和椎體后緣有相似的變化趨勢，至L6最大：2.78±0.01cm。椎體后緣高于前緣。
　　終板寬度L1至L3逐漸增大至1.92±0.03cm，L4突然減小為0.99±0.02cm，然后又逐漸增加，至L7，增加到

11、2.53±0.02cm。終板上表面面積(EPAu)在L1為407.63±2.52mm2，L2較小，為364.24±2.64 mm2，L3又變大，為393.65±2.52 mm2，然后逐漸縮小，L6又復增大，至L7達最大，為464.00±3.59 mm2。終板的下表面面積(EPA1)具有相似的變化趨勢。
　　椎管寬度(SCW)逐漸增寬至L7:2.61±0.19cm。椎管深度(SCD)逐漸增大，至L7增長為：1.15±0.01cm。<

12、br>　　左側椎弓根寬度(PDWL)在L1最大，為0.70±0.03cm，逐漸增小直至L4，為0.45±0.02cm，又逐漸增大，至L6為0.62±0.02cm，L7又縮小為0.53±0.02cm。右側椎弓根寬度(PDWR)和左側有同樣的趨勢，并且和左側椎弓根寬度無統(tǒng)計學差異。椎弓根的外傾角度(PCA)在L1平均為42.00°，逐漸增大至L7，平均為57°，左右無統(tǒng)計學差異。
　　前方椎間隙高度逐漸增大，至L6-7最大，為1.37

13、±0.03cm，L7-S1縮小為1.27±0.04cm。后方椎間隙高度與此類似，但是小于前方高度。
　　結論：經過測量得到了山羊腰椎各個重要結構的解剖參數(shù)，并根據這些數(shù)據，成功設計制造了純鎂cage。并且為實施手術和選擇內固定器械提供了第一手資料。
　　第二部分純鎂cage的鈣磷涂層和體外降解特性
　　目的：對純鎂cage進行鈣磷涂層，控制其降解速度。并在模擬體液中測試其體外降解特性。
　　方法：將純鎂cage放

14、置在四水硝酸鈣和磷酸二氫鈉鈣磷沉積液中，于70℃水浴中沉積12h。采用掃描電鏡對涂層進行形貌及成分的表征。在Hank’s模擬體液中研究經過鈣磷表面處理的鎂的降解情況及表面活性。
　　結果：掃描電鏡圖片顯示：鎂cage上致密地覆蓋著一層多邊形顆粒狀鈣磷晶體，涂層平整規(guī)則，和鎂基體結合的很好。涂層厚度大約為23μm。
　　采用EDS對涂層成分進行分析，結果顯示涂層主要元素是Ca，P和O等元素組成。能譜上并無鎂元素峰值出現(xiàn)，進一步

15、說明了鎂cage表面上致密地被覆著鈣磷層。
　　未經鈣磷涂層的純鎂材料浸提液的pH值在第一天很快上升至11.3，說明鎂基體受到嚴重的腐蝕。而后，出現(xiàn)了pH值下降趨勢。與此相比，經過鈣磷涂層處理的純鎂cage在浸泡第一天，pH只上升到7.8，隨后，pH值以緩慢的速度增加。浸泡到第10天pH值出現(xiàn)下降的趨勢。當浸泡到20天，較浸泡純鎂的浸泡液Ph值10.18相比，該溶液的pH值依舊保持在9.0以下。經過鈣磷表面處理純鎂在Hank’s浸

16、泡110天后，純鎂cage表面仍有致密的鈣磷晶體覆蓋著，表明涂層在110天后還沒完全降解掉，對鎂基體還有保護作用。
　　浸泡后涂層EDS能譜分析顯示，涂層的主要元素還是O，Ca和P。Ca/P原子比由浸泡前的1:1升高到1.7，接近羥基磷灰石Ca/P原子1:5。表明在Hank’s溶液中浸泡110天后，涂層表面可能有羥基磷灰石HA生成。
　　結論：通過化學沉積法可以在純鎂cage表面上成功覆蓋鈣磷涂層。經過鈣磷涂層處理的純鎂ca

17、ge具有良好的抗腐蝕性能，在Hank’s浸泡110天后，涂層尚未完全降解掉，對鎂cage仍有保護作用。涂層表面可能有HA生成，具有一定的生物活性。
　　第三部分純鎂椎間融合器的體外生物力學實驗
　　目的：評價純鎂cage結合椎弓根釘固定對所固定腰椎運動階段的影響。
　　方法：12具山羊的L4-L5運動階段，隨機分為3組，每組4個標本。第一組為對照組，為完整正常的標本。第二組為cage組，將標本實施標準后路加壓椎弓根釘內

18、固定，并在椎間應用純鎂cage。第三組為自體髂骨組，處理同第二組，椎間應用自體髂骨快。用夾具依次將其固定于CSS-44020生物力學試驗機上，將應變片粘貼于上下位椎體的16個位點，加載至500N。應用WS3811型數(shù)字式應變儀依次測量正常組標本、cage組標本和自體髂骨組標本的各點應變值。
　　結果：正常組：應力集中于椎體前方，前方各點位移增加明顯。在三組中位移最大。cage組：各點位移軸向位移均勻增加，增加的位移最小自體髂骨組：

19、各點位移均勻增加，增加位移較cage組大。在側屈方向上：正常組最大，cage組最小，自體髂骨組居中。在屈曲和伸展方向上，cage組發(fā)生的位移低于正常髂骨組，但是沒有統(tǒng)計學差異。但這兩組都明顯低于正常椎體組的位移。
　　結論：山羊腰椎椎體標本垂直負荷集中在椎體的前柱。新型鎂金屬椎間融合器組腰椎椎體標本前方及后方的位點應變均小于正常椎體組和自體髂骨植骨組。此外，新型鎂金屬椎間融合器組椎體標本在同樣的載荷作用下脊柱位移小于正常椎體組和自

20、體骼骨植骨組，其生物力學穩(wěn)定性良好。可以提供有效的椎間支持作用。
　　第四部分純鎂cage山羊椎間融合、降解實驗
　　目的：了解純鎂椎間融合器在山羊椎間的降解情況和成骨情況。
　　方法：選用12只1歲齡雄性山羊，體重48-55kg，平均體重52 kg。將12只山羊隨機分為2組，每組6只。第一組為純鎂融合器組：將山羊麻醉后，對L4-L5節(jié)段實施后路減壓融合椎弓根內固定術。椎間融合材料采用涂層后的純鎂cage。第二組為自體

21、髂骨組：術式同第一組，椎間融合材料使用自體髂骨塊。分別于術后即刻、1周、2周、4周、8周、12周麻醉后進行CT掃描，觀察降解及成骨情況。抽血監(jiān)測血鎂的情況。于術后3個月將動物處死，取下L4-L5節(jié)段，應用micro-CT掃描成像，了解植入物的降解和融合情況，并取6個正常相應節(jié)段椎體進行對照。取心、肝、腎，和相應節(jié)段的脊髓進行切片，行光鏡鏡檢，明確各組織是否存在病理變化。
　　結果：在各個時相，純鎂cage組山羊和自體髂骨組山羊的血

22、鎂水平無明顯差異。采用CT進行影像學觀察，內固定物無松動及移位。純鎂椎間融合周圍無明顯產氣現(xiàn)象，隨時間增加，純鎂融合器的亮度降低，表明涂層在逐漸降解。在4周時，兩組所植椎間材料周圍開始成骨。Micro-CT所示：所固定椎體節(jié)段均有骨質疏松表現(xiàn)。兩組椎間均有骨小梁通過，純鎂cage組新生骨小梁數(shù)目較少，但是成熟骨小梁較多，骨小梁粗壯。經3個月體內試驗，僅初步完成了涂層的降解。Cage組的山羊心肝腎切片與自體髂骨組經光鏡觀察對照，無明顯病理

23、改變。心肝腎和相應節(jié)段脊髓的光鏡觀察，未發(fā)現(xiàn)病理改變。
　　結論：經鈣磷涂層的純鎂椎間融合器降解緩慢，可以誘導成骨，提供有效的椎間支撐，具有良好的生物相容性。
　　第五部分胸鎖關節(jié)脫位的影像學和臨床研究
　　目的：測量胸鎖關節(jié)影像解剖學數(shù)據，制造新型接骨板，治療胸鎖關節(jié)脫位。
　　方法：對50名健康志愿者的胸鎖關節(jié)進行CT掃描成像，將其納入本研究。胸鎖關節(jié)解剖異?；蛘呔植坑袚p傷的患者排除本研究。掃描范圍自鎖骨上緣

24、至胸骨角，在矢狀面、冠狀面和橫斷面重建CT圖像。在冠狀面上測量胸骨頭在下外側至上內側方向的直徑(DOSH)、鎖骨切跡的長度、鎖骨切跡和胸骨夾角。在矢狀面上測量胸骨柄和軀干之間的夾角。在橫斷面測量下述指標：(1)鎖骨切跡、胸骨柄和胸骨頭的前后直徑；(2)胸鎖關節(jié)的寬度；(3)雙側鎖骨之間的距離；(4)胸腔內胸骨柄及其下軟組織的最小距離。根據上述測量數(shù)據設計新型接骨板治療胸鎖關節(jié)脫位或半脫位。
　　結果：在水平斷面，鎖骨近端較胸骨柄高

25、。在軸位圖像上，胸骨頭前后徑較胸骨柄長，胸骨柄的中部較邊緣部分薄。左側胸鎖關節(jié)的間距是0.84±0.24cm，右側為0.88±0.23cm。經過胸腔內胸骨后的結構中，左側雙邊無名靜脈距離胸骨柄最近，此靜脈距離胸骨前皮質的距離平均為2.38±0.61厘米。根據測量的結果，設計了新型的鋼板，此鋼板能夠解剖復位脫位的胸鎖關節(jié)并安全置入螺釘。
　　結論：通過在CT圖像上測量胸鎖關節(jié)的正常參數(shù)，能夠便于胸鎖關節(jié)脫位和半脫位的治療。新型的鋼板