PCL-TCP頸椎椎間融合器設(shè)計(jì)制備及動(dòng)物體內(nèi)研究.pdf

1、研究背景：
　　脊椎融合術(shù)是一種常見手術(shù),用來治療因退行性改變、外傷等原因引起的脊椎不穩(wěn)、滑脫,通過使局部上、下節(jié)段形成骨性融合來重建脊椎力學(xué)穩(wěn)定性。僅美國(guó),每年就有超過20萬例患者行脊椎融合手術(shù)。早期多采用自體髂骨進(jìn)行脊椎融合,但因易于出現(xiàn)移植物骨折、供區(qū)并發(fā)癥及骨量有限,逐步開始研究人工椎間融合器。
　　而Bagby and Kuslich椎間融合器(BAK cage)的出現(xiàn),將脊椎融合由單一的自體骨階段帶入了融合器時(shí)代

2、。此后,研究人員不斷探尋更好的融合器設(shè)計(jì)以及性能更優(yōu)良的材料,出現(xiàn)了圓柱網(wǎng)狀、螺旋形以及盒形的椎間融合器。根據(jù)融合器的材料屬性可分為兩類:金屬椎間融合器和非金屬椎間融合器。金屬椎間融合器又以鈦合金椎間融合器為代表。非金屬椎間融合器又分為可降解椎間融合器和不可降解椎間融合器。融合器的作用,主要是為了撐開椎間隙并維持其高度,修復(fù)脊柱的生理曲度,重建并維持脊柱的穩(wěn)定性,直至局部實(shí)現(xiàn)骨性融合。早期椎間融合器的使用確實(shí)取得了良好的臨床療效,減少了

3、單純使用自體骨引起的一系列并發(fā)癥的發(fā)生率。但隨著椎間融合器在臨床的廣泛應(yīng)用,研究人員在對(duì)其長(zhǎng)期的隨訪觀察過程中逐漸發(fā)現(xiàn)了一些與椎間融合器的使用相關(guān)的并發(fā)癥。這些并發(fā)癥一部分是因?yàn)樽甸g融合器在設(shè)計(jì)方面存在缺陷引起的,以螺旋型的金屬椎間融合器最為典型。另一部分是因?yàn)樽甸g融合器材料本身的問題引起的,這在金屬、非金屬融合器中均有存在。金屬材料彈性模量過高,不銹鋼的彈性模量高達(dá)220GPa,而鈦合金的彈性模量也為110GPa左右,均遠(yuǎn)高于人椎體的

4、彈性模量3.8-11GPa(10-57倍)。金屬融合器的彈性模量過高會(huì)造成應(yīng)力遮蔽效應(yīng),使得融合器內(nèi)部的新生骨缺少相應(yīng)的應(yīng)力刺激,導(dǎo)致成骨緩慢,甚至骨吸收。同時(shí)過高的彈性模量還會(huì)導(dǎo)致相鄰椎體的骨質(zhì)疏松,容易發(fā)生融合器下沉,最終導(dǎo)致椎間隙高度丟失。其次,金屬椎間融合器不具備X線通透性,在術(shù)后對(duì)融合效果進(jìn)行X線評(píng)估時(shí)會(huì)出現(xiàn)融合“假象”,而且CT檢查中產(chǎn)生偽影干擾,不易準(zhǔn)確評(píng)判融合器內(nèi)部骨長(zhǎng)入情況。
　　與金屬融合器相比,碳纖維椎間融合

5、器應(yīng)力遮蔽作用小,但其在體內(nèi)易產(chǎn)生碎屑,因而引起無菌炎癥。聚醚醚酮(PEEK)椎間融合器雖然具有與皮質(zhì)骨接近的彈性模量3.57GPa,但它無生物活性且不可降解,不易和骨質(zhì)形成緊密結(jié)合,是否會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)期并發(fā)癥,還有待進(jìn)一步觀察。聚乳酸可吸收椎間融合器的力學(xué)強(qiáng)度欠佳,不如PEEK融合器,而且在體內(nèi)降解速度過快,不足以維持到椎體實(shí)現(xiàn)骨性融合,因此易發(fā)生塌陷、椎間高度丟失、脊柱不穩(wěn)等現(xiàn)象。再者,聚乳酸材料在體內(nèi)降解時(shí)易出現(xiàn)局部乳酸堆積,高濃度的乳

6、酸可引起無菌性炎癥以及骨質(zhì)溶解。
　　綜上所述,現(xiàn)有材料存在種種缺陷,探索新的融合器材料顯得十分必要和緊迫。最近新研制的PCL-TCP材料已經(jīng)在細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)及小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中被驗(yàn)證具有良好的生物相融合性,以及與松質(zhì)骨接近的抗壓強(qiáng)度6.38MPa。該材料使用熔融沉積成形(fused deposition modeling,FDM)技術(shù)制備而成,具有0/60/120°的三維蜂巢式結(jié)構(gòu),孔隙率為75％,易于骨長(zhǎng)入。因此PCL-TCP材料具有

7、作為椎間融合材料的潛質(zhì)。本研究利用PCL-TCP材料制成底面半徑5mm,高5mm的圓柱體椎間融合器。同時(shí)采用多孔Ti6Al4V椎間融合器作為對(duì)照,以評(píng)估其在羊頸椎模型中的融合效能。
　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>　　設(shè)計(jì)制備圓柱體PCL-TCP可吸收羊頸椎椎間融合器,利用羊頸椎融合模型評(píng)價(jià)單純使用PCL-TCP融合器的融合效能,并與臨床常用的Ti6Al4V融合器復(fù)合自體髂骨進(jìn)行對(duì)比,觀測(cè)兩者在骨整合能力方面的差異,以及是否能有效重建羊頸椎

8、融合節(jié)段的力學(xué)穩(wěn)定性。
　　實(shí)驗(yàn)方法：
　　綜合分析目前融合器設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)來確定融合器外形。分析羊頸椎結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),選取與人類頸椎解剖及力學(xué)性能較接近的節(jié)段,行椎間盤切除術(shù)。實(shí)驗(yàn)選取18只雌性成年小尾寒羊。組1:僅使用PCL-TCP融合器進(jìn)行融合;組2:使用Ti6Al4V融合器復(fù)合自體髂骨進(jìn)行融合。隨機(jī)在頸2/頸3椎體間隙(C2/C3)和頸3/頸4椎體間隙(C3/C4)植入PCL-TCP可吸收融合器或Ti6Al4V融合器來進(jìn)行

9、頸椎融合。在術(shù)后6、9、12月時(shí)處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物并取材,對(duì)標(biāo)本進(jìn)行X線、Micro-CT及組織學(xué)檢測(cè),并對(duì)6月和12月的標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)檢測(cè)。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
　　實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)未見融合器移位、斷裂及明顯感染。PCL-TCP融合器與Ti6Al4V融合器均可對(duì)頸椎節(jié)段實(shí)施有效融合。Ti6Al4V融合器因有自體骨輔助,其出現(xiàn)骨性連接的時(shí)間早于PCL-TCP融合器(6 month vs9 month)。雖然生物力學(xué)測(cè)試顯示在6月時(shí)Ti6A

10、l4V融合器組較PCL-TCP融合器組先實(shí)現(xiàn)了初步的力學(xué)穩(wěn)定性改善,但12十個(gè)月時(shí),兩組均實(shí)現(xiàn)了骨性融合,此時(shí)在生物力學(xué)方面二者不存在顯著性差異(ROM and stiffness tests,p>0.05)。術(shù)后12月,PCL-TCP組的骨/孔隙比例(bone/interspace ratio,B/I)為88.10±3.63%,是 Ti6Al4V組的2.6倍(33.74±2.78%)(p<0.05),證明PCL-TCP融合器的孔隙中骨

11、體積分?jǐn)?shù)更高,也暗示Ti6Al4V融合器可能由于其彈性模量高而對(duì)其內(nèi)部的孔隙產(chǎn)生了應(yīng)力遮蔽效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致了其內(nèi)部孔隙中骨體積分?jǐn)?shù)較小;同時(shí) PCL-TCP融合器組的骨材料結(jié)合面長(zhǎng)度/材料周長(zhǎng)(Bone and cage contact surface versus cage perimeter ratio,CS/PC)為79.31±3.15%,是Ti6Al4V融合器組(58.44±2.43%)的1.35倍(p<0.05),證明PCL-T

12、CP椎間融合器可以與骨組織形成良好的緊密接觸,具有優(yōu)越的骨整合效果。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
　　一、可吸收PCL-TCP羊頸椎椎間融合器可達(dá)到與Ti6Al4V椎間融合器復(fù)合自體骨相似的融合效果,融合后兩者在生物力學(xué)方面無顯著性差異;
　　二、與Ti6Al4V椎間融合器相比,可降解PCL-TCP椎間融合器彈性模量低,應(yīng)力遮蔽作用小,融合器內(nèi)部的骨體積分?jǐn)?shù)、骨/孔隙比更高;
　　三、可降解PCL-TCP椎間融合器具有良好的

13、生物相容性,可與骨質(zhì)形成緊密結(jié)合,其骨材料結(jié)合面長(zhǎng)度/材料周長(zhǎng)的比值遠(yuǎn)大于 Ti6Al4V椎間融合器,使得 PCL-TCP椎間融合器更不易發(fā)生移位、轉(zhuǎn)動(dòng)或下沉,具有優(yōu)異的骨整合效果;
　　四、可降解PCL-TCP椎間融合器生物相容性好,無明顯毒副作用,能有效維持椎間隙的高度,直至實(shí)現(xiàn)骨性融合,有望成為理想的融合器材料。
　　五、在 Ti6Al4V融合器中,自體骨可以有效促進(jìn)植骨區(qū)域早期骨性融合,但是對(duì)早期孔隙中的骨長(zhǎng)入無明顯