恢復(fù)脊柱結(jié)締組織部分功能的手術(shù)，對于脊柱外傷或退變患者減輕疼痛和恢復(fù)功能而言，至關(guān)重要。手術(shù)輔助材料有自體或異體組織，金屬，陶瓷和高分子聚合物。高分子聚合物包括超高分子聚氨酯(UHMWPE)，聚醚醚酮(PEEK)及聚氨酯。
作為聚合物家族的聚氨酯，由于其彈性特征而被引入醫(yī)用。可通過改變單體構(gòu)成及高分子鏈不同單體而改變塊大小。下表中列出了目前脊柱手術(shù)中使用的超高分子聚氨酯，PEEK和不同聚氨酯的特性。表中可見，聚氨酯的模量反應(yīng)了與超高分子聚氨酯，PEEK相比的彈性特征，與超高分子聚氨酯在牽拉強(qiáng)度、斷裂延伸率和硬度方面類似，而與PEEK不同。
表 脊柱裝置中采用的聚合物材料典型特征比較
醫(yī)學(xué)中聚氨酯聚合物的應(yīng)用
歷史上，聚氨酯材料已用于醫(yī)學(xué)，基于其彈性可提高醫(yī)學(xué)裝置的成功或延長壽命。最早用于心血管，其壓力變化下彈性(以利泵血)，可延展和收縮而不發(fā)生疲勞失敗(如血管移植物)或可折彎而不骨折(如電極引線絕緣體)，對于長期應(yīng)用很重要。
盡管最早于1967年得以應(yīng)用，在上世紀(jì)80年代中后期，學(xué)者們逐漸意識到使用聚醚聚氨酯(PEU)可能存在之前未發(fā)現(xiàn)的失敗機(jī)制而需進(jìn)一步研究。
研究表明，由于制造和置入中聚合物中的殘余應(yīng)力，在失敗中可能發(fā)揮作用，若殘余和工作應(yīng)力可最小或消除，則PEU可持續(xù)應(yīng)用。聚酯聚氨酯亦用于醫(yī)療領(lǐng)域，體內(nèi)易于降解。至少有一篇文章提示，聚醚聚氨酯脲(PEUU)具有更好的生物穩(wěn)定性及更佳使用潛力。
另一篇探討PEUU心臟瓣膜失敗的文章，提示鈣化和磨損在失敗中起部分作用。致力于使得聚氨酯更具生物穩(wěn)定性的研究持續(xù)，聚碳酸酯聚氨酯(PCU)逐漸顯示潛力。比較同樣條件下PEU，PEUU和PCU的研究表明，在生物條件下，PCU更耐降解。
1991年，Szycher 等報(bào)道了一種新的聚氨酯(a PCU)，可消除聚合物鏈中醚酯結(jié)合，在生物環(huán)境中防止微裂紋。PEU與PCU相比，Tanzi等也發(fā)現(xiàn)PCU在體外堿性環(huán)境下更穩(wěn)定，PEU在酸性環(huán)境下更穩(wěn)定，從而認(rèn)為，PCU在醫(yī)療條件下更為穩(wěn)定。在凱斯西儲大學(xué)進(jìn)行了多年的多種技術(shù)檢測，更新了比較結(jié)果的數(shù)據(jù)。
Mathur等比較了在融合器置入系統(tǒng)中不同聚合物特性，發(fā)現(xiàn)氧化而導(dǎo)致的降解中，PEUU最多;PCU最少。Wiggins等在過氧化氫和二氯化鈷溶液中進(jìn)行了體外動(dòng)力測試，起初發(fā)現(xiàn)PEUU在高應(yīng)變率下更脆，進(jìn)一步測試表明，在類似測試條件下，PCU表現(xiàn)更好。
Christenson等繼續(xù)了該研究，發(fā)現(xiàn)了相似的體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果，PCU降解的發(fā)生由于體內(nèi)接觸到鄰近細(xì)胞，氧化降解作用為主要機(jī)制，而PCU生物穩(wěn)定性則需進(jìn)一步研究。Labow等警示PCU多聚體的硬段化學(xué)在生物環(huán)境中長期穩(wěn)定性方面發(fā)揮作用。
聚碳酸酯聚氨酯彈性體已在體外實(shí)驗(yàn)用于關(guān)節(jié)負(fù)重表面，且至少用于一種裝置。其臨床實(shí)驗(yàn)也正在開展，并有結(jié)果報(bào)道。早期臨床實(shí)驗(yàn)取出的裝置分析的結(jié)果提示，該材料作為負(fù)重面仍保持其完整性。在此裝置中比較UHMWPE和PCU顆粒物(磨損產(chǎn)物)的研究表明，對PCU的反應(yīng)較UHMWPE更小。氧化測試表明，在?射線輻射下，PCU較UHMWPE更抗氧化。
臨床上正在測試或應(yīng)用的包含聚氨酯的脊柱裝置
后路動(dòng)態(tài)穩(wěn)定裝置
“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”從詞語表面看，似乎暗示脊柱得以穩(wěn)定，同時(shí)該節(jié)段動(dòng)度保留。很多該類裝置采用的是彈性聚氨酯聯(lián)合金屬部件以維持整體韌度。在接下來討論的每個(gè)裝置中可見，美國批準(zhǔn)使用的裝置，僅在同節(jié)段融合時(shí)可用。而至少在美國以外，脊柱外科醫(yī)師用這些裝置提供穩(wěn)定而保持動(dòng)度，不加融合。
脊柱動(dòng)力中立系統(tǒng)
脊柱裝置動(dòng)力中立系統(tǒng)(Dynesys)包括椎弓根釘，之間以聚酯條帶連接，聚酯條帶卡于椎弓根釘頭部(圖1)。條帶在PCU管中，緊緊置于椎弓根釘頭部卡槽中，使得條帶上的張力或PCU上的壓力幫助控制脊柱允許范圍內(nèi)的活動(dòng)?；谘邪l(fā)者和早期應(yīng)用者的報(bào)道，似乎該裝置設(shè)計(jì)的意圖是用于非融合。
在美國，僅許可在融合情況下應(yīng)用Dynesys，而且當(dāng)牢固融合達(dá)到后即取出該裝置。比較Dynesys不融合與PLIF裝置的臨床試驗(yàn)，因不融合使用Dynesys未獲美國食品藥品監(jiān)督管理局許可，而終止。在發(fā)表的2篇文章中，Kurtz等總結(jié)了兩個(gè)研究組的數(shù)據(jù)，對100多個(gè)Dynesys裝置置入5年及7年后取出進(jìn)行了檢測。
他們發(fā)現(xiàn)了PCU表明變化以及表面的腐蝕，變化似乎由于水解和化學(xué)改變，裂紋延伸至表面少于100微米，有一例例外，裂紋從內(nèi)表面延伸至外表面。當(dāng)材料與骨性結(jié)構(gòu)或椎弓根頭部卡槽接觸時(shí)，腐蝕和/或變形即發(fā)生。他們報(bào)道，PCU中的化學(xué)變化似乎和長期的置入相關(guān)，感染可改變局部的生物環(huán)境。
圖1 脊柱動(dòng)態(tài)中立系統(tǒng)(Dynesys)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)
另一項(xiàng)研究對置入19個(gè)月的材料進(jìn)行檢測，PCU表面輕度化學(xué)變化，而材料內(nèi)部均未發(fā)生化學(xué)變化。對于置入更長期的裝置取出并檢驗(yàn)，可決定PCU是否能在傳到壓應(yīng)力和暴露于生物液體環(huán)境中，是否能維持完整性。用Dynesys不加融合臨床試驗(yàn)的或美國以外的脊柱外科醫(yī)師，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)達(dá)到了類似融合的穩(wěn)定性，而手術(shù)時(shí)間短，損傷更小。
對參加臨床試驗(yàn)的部分患者影像學(xué)研究，記錄穩(wěn)定獲得和動(dòng)度保持，發(fā)現(xiàn)盡管未至融合，但獲得了穩(wěn)定，但固定節(jié)段僅少量動(dòng)度存在。使用該裝置多節(jié)段穩(wěn)定，單獨(dú)使用該裝置在某些節(jié)段，其它節(jié)段聯(lián)合融合，有成功的報(bào)道。但需進(jìn)一步研究確定哪些節(jié)段需要融合，哪些節(jié)段穩(wěn)定即可，不需融合。
Transition
Transition裝置亦是帶聚酯條帶的裝置，聚酯條帶提供張力，PCU袖套提供壓應(yīng)力(圖2)。連接于椎弓根釘，僅被許可用于融合。文獻(xiàn)的搜索未見到關(guān)于此裝置臨床或取出分析結(jié)果。Paul McAfee醫(yī)生在他的個(gè)人網(wǎng)頁上發(fā)表了他的早期經(jīng)驗(yàn)，術(shù)后6月，無裝置失敗及翻修，僅1例因感染再手術(shù)。
圖2 Transition穩(wěn)定系統(tǒng)
NFix II/NFlex/NGarde
NFix II/NFlex/Ngarde裝置由鈦合金中央棒，PCU袖套及椎弓根螺釘組成，可實(shí)現(xiàn)脊柱單節(jié)段或多節(jié)段固定。裝置一端為連接一枚椎弓根螺釘?shù)膶?shí)心棒，另一端逐漸變細(xì)，外層為鈦合金袖套，中間夾層為彈性PCU，從而使得活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生壓力，固定脊柱節(jié)段的同時(shí)又不完全限制動(dòng)度。
盡管不明確市場上是否還在用，但明確的是美國僅用于融合，并要求在標(biāo)簽上注明，不融合應(yīng)用的安全性未知。五家醫(yī)院使用該裝置，用于單獨(dú)非融合固定或融合節(jié)段鄰近使用，回顧性報(bào)告表明，在減輕疼痛和改善功能上有效。據(jù)報(bào)道，在美國以外，該裝置用于非融合有歐洲認(rèn)證標(biāo)志，而在美國，安全性未知。
Total Posterior Spine
Total Posterior Spine裝置(圖3)屬于脊柱后路裝置，連接于椎弓根螺釘，限制相鄰節(jié)段屈曲/后伸，軸向旋轉(zhuǎn)和側(cè)方彎曲，以在非融合情況下恢復(fù)腰椎穩(wěn)定性。該裝置由鈦和PCU構(gòu)成，內(nèi)有PCU涂層的金屬阻隔心以控制活動(dòng)，外部有聚氨酯膜包裹。
該裝置實(shí)驗(yàn)室和早期臨床研究結(jié)果已發(fā)表，表明可在尸體和患者中控制動(dòng)度，臨床癥狀得以改善。目前應(yīng)用該裝置的國家有澳大利亞，德國，以色列，土耳其和英國。在美國正處于臨床試驗(yàn)階段。
圖3 Total Posterior Spine系統(tǒng)
PDS系統(tǒng)
PDS系統(tǒng)(前稱為PercuDyn系統(tǒng))(圖4)與上述的系統(tǒng)發(fā)揮作用的方式不同。包括鈦?zhàn)倒葆敽蚉CU穩(wěn)定器(墊片)，置于受累椎間盤近端關(guān)節(jié)突之下，與尾端椎體螺釘相連。墊片阻止關(guān)節(jié)突后伸，從而提供該節(jié)段部分穩(wěn)定。
體外于脊柱模擬器上的磨損研究表明，經(jīng)過超過1000萬次的循環(huán)，PCU成分磨損很輕，顆粒物直徑主要為1-10微米。盡管該文章的題目表明成分的周期性重稱重，但因測試配置，不可能稱重。
質(zhì)量損失通過測量顆粒物的質(zhì)量并修正為恢復(fù)率，基于已知血清中顆粒物濃度。比較三種后路穩(wěn)定系統(tǒng)(X-Stop，IsoBar和PDS)的實(shí)驗(yàn)室研究表明，每種裝置限制活動(dòng)方式不同，PDS裝置限制過伸最有效。另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室研究亦表明，該裝置可有效限制脊柱運(yùn)動(dòng)及對椎間盤壓迫實(shí)現(xiàn)減壓。
2009年開始對該裝置的一項(xiàng)臨床試驗(yàn)，研究了聯(lián)合融合使用該裝置，該研究最終終止，未搜索到該臨床試驗(yàn)的文章發(fā)表。另一項(xiàng)三個(gè)病人的臨床結(jié)果表明，該裝置具有的微創(chuàng)性及提供的穩(wěn)定性，使之成為脊柱外科的實(shí)用工具。2009年脊柱成形協(xié)會會議上未發(fā)表的報(bào)道，40例使用PDS裝置的患者，臨床療效改善明顯。
圖4 PDS系統(tǒng)
椎間盤置換裝置
Bryan
頸椎Bryan人工椎間盤由鈦、鈦合金及兩種不同的聚氨酯構(gòu)成(圖5)，2009年允許在美國銷售。該人工椎間盤中央負(fù)重核心為PCU，與鈦合金終板構(gòu)成關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)表面包裹聚氨酯鞘，置入時(shí)注入無菌鹽水。許可文件中注明PCU為Bionate-S，聚氨酯鞘為Biospan-S，與聚合物提供者的數(shù)據(jù)表不完全匹配，或可反映出數(shù)據(jù)表中提到的SME或SAME末端或表面修正技術(shù)。
圖5 Bryan頸椎人工椎間盤
除了許可文件中的前期臨床研究外，源于同一主要研究者的三篇模擬測試，記錄了經(jīng)1000萬到4000萬次循環(huán)測試，磨損量的數(shù)值。PCU核心材料高度的喪失，首先歸因于蠕變，每百萬個(gè)循環(huán)產(chǎn)生1.2mg的質(zhì)量喪失。另外，將人工椎間盤置入山羊后，隨訪12月，對周圍組織內(nèi)的顆粒物進(jìn)行研究以評估磨損。
術(shù)后半年，3只山羊中，1只山羊人工椎間盤周圍組織中檢測到雙折射顆粒，術(shù)后1年，2只山羊檢測到。術(shù)后3月時(shí)，未發(fā)現(xiàn)顆粒，任何時(shí)間點(diǎn)均未見炎癥反應(yīng)。
模擬測試裝置與人臨床應(yīng)用后取出的裝置進(jìn)行了對比，研究者發(fā)現(xiàn)，4-16月發(fā)現(xiàn)磨損，患者樣本量小，與模擬測試的磨損相比，磨損很小。但在獲得進(jìn)一步數(shù)據(jù)前，還是應(yīng)該引起注意。作者提出刺激器100萬次循環(huán)，或相當(dāng)于臨床使用1年多。
臨床應(yīng)用中，關(guān)于該裝置并發(fā)癥的報(bào)道很少。有篇文獻(xiàn)綜述報(bào)道了人工椎間盤置入后，異位骨化和關(guān)節(jié)活動(dòng)喪失，并引用了異位骨化的可能原因和危險(xiǎn)因素。但對于脊柱外科醫(yī)生而言，并不意味著聚醚聚氨酯和鈦合金為病因。
另一項(xiàng)術(shù)后8年的文獻(xiàn)綜述，發(fā)現(xiàn)異位骨化發(fā)生率為48%，較其它頸椎人工椎間盤發(fā)生率低，且不包含聚醚聚氨酯。2012年，在一個(gè)置入該裝置8年后，假體疲勞骨折的病例，該裝置前方有一軟組織包塊，切除后該個(gè)案報(bào)道中未作進(jìn)一步描述。
頸腰椎人工椎間盤M6
人工椎間盤M6亦由鈦合金終板和PCU芯組成。芯周圍為聚氨酯纖維，外裹彈性鞘，其構(gòu)成成分未界定，可能是聚氨酯。具有頸椎人工椎間盤M6-C和腰椎人工椎間盤M6-L兩種，均未在美國獲準(zhǔn)使用。在美國開展的M6-C的臨床試驗(yàn)已取消，未招募到患者。在世界很多國家該裝置有銷售。文獻(xiàn)檢索未找到任何關(guān)于該裝置的臨床結(jié)果或并發(fā)癥報(bào)道。
其它人工椎間盤
一篇發(fā)表的文章報(bào)道了腰椎人工椎間盤，其鈦合金終板間PCU為專利配方，亦配備了帶力學(xué)傳導(dǎo)器的自充電電子數(shù)組，可提供給醫(yī)生遙測負(fù)荷數(shù)據(jù)。發(fā)表的應(yīng)用僅限于狒狒。據(jù)報(bào)道，其PCU較其它醫(yī)用商業(yè)PCU聚合物在體外更耐水解。
美國LP-ESP裝置，在鈦合金終板間為聚碳酸酯緩沖，芯為硅酸膠。具有7年臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生，發(fā)表了關(guān)于此裝置120例患者的力學(xué)測試和臨床結(jié)果的前瞻性研究報(bào)道，隨訪36月，未發(fā)現(xiàn)PCU的生物降解，Oswestry殘障指數(shù)明顯改善。該文作者未報(bào)道裝置取出情況。
Freedom腰椎人工椎間盤(圖6)，鈦合金終板與骨接觸面具有鈦珠涂層，終板間為具有專利的PCU芯。已獲得歐盟認(rèn)證商標(biāo)，在英國和德國正進(jìn)行市場后期臨床研究，在美國正進(jìn)行臨床試驗(yàn)。該裝置疲勞和磨損測試結(jié)果表明，2400N載荷，5000萬次循環(huán)仍完好，6000N載荷下1000萬次循環(huán)亦未破損。
磨損測試至3000萬次循環(huán)，每1百萬循環(huán)產(chǎn)生1.7mg的質(zhì)量喪失，類似于其它椎間盤假體的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果。該文章也報(bào)道了歐洲的前50個(gè)患者隨訪2年的結(jié)果，90%的患者較術(shù)前改善，未見假體失敗。另一個(gè)頸椎裝置Freedom頸椎人工椎間盤(圖7)，也獲得了歐盟認(rèn)證商標(biāo)，正在德國和瑞士進(jìn)行臨床試驗(yàn)。
圖6 Freedom腰椎人工椎間盤
圖7 Freedom頸椎人工椎間盤
也有螺旋髓核置換裝置，稱作“Newcleus”，由PCU制成，以直持取器置入椎間盤，置入后可彈回螺旋形，亦可實(shí)現(xiàn)置入時(shí)切割成合適長度。除了最初2002的報(bào)道外，能獲取的信息很少。僅置換椎間盤髓核而保留剩余結(jié)構(gòu)的可能性，如果軟骨終板和纖維環(huán)完好有功能，對于脊柱外科醫(yī)生而言，很有吸引力。因?yàn)檫@樣相對保守的療法，如果以后需手術(shù)，保留了更多的手術(shù)選擇機(jī)會。
椎體置換
對某些病例，如惡性病變，椎體骨折或塌陷，手術(shù)醫(yī)師可能希望以可負(fù)荷的人工材料置換椎體，以在愈合時(shí)更好的維持椎體高度。為此目的設(shè)計(jì)的裝置多為鈦或鈦合金或PEEK。約16年前，德國公司提出了新的構(gòu)成材料：聚氨酯復(fù)合鈣硅磷酸鹽陶瓷填充物。
第一份報(bào)道表明，在原位，6月時(shí)界面抗剪強(qiáng)度低，但隨著時(shí)間推移，與骨界面增大，抗剪強(qiáng)度明顯增高。將該材料以碳纖維加強(qiáng)的PEEK附件系統(tǒng)復(fù)合后測試，于固定節(jié)段可實(shí)現(xiàn)固定和控制活動(dòng)增強(qiáng)，但取決于固定骨的質(zhì)量。該文章還報(bào)道當(dāng)時(shí)已將該裝置用于7例患者。
該研究中5名患者的結(jié)果在后續(xù)報(bào)道中進(jìn)行了詳細(xì)描述。該研究中所有患者均為脊柱惡性病變，進(jìn)行了切除，并以人工復(fù)合椎體系統(tǒng)進(jìn)行重建。隨訪時(shí)間5個(gè)月到39個(gè)月，其中3例患者死于原發(fā)病，1例死于其它原因，1例29個(gè)月時(shí)仍存活。
對尸檢時(shí)取出的一個(gè)假體進(jìn)行組織學(xué)分析未見炎性跡象，可見骨吸收的少許跡象，盡管影像資料提示骨連接，與早期文章結(jié)果相反。由于臨床樣本量小，作者建議對該假體系統(tǒng)加以改進(jìn)并進(jìn)一步研究。在后續(xù)文獻(xiàn)中未見更多的研究報(bào)道。
結(jié)論
手術(shù)中使用彈性聚合物修復(fù)本為彈性性質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)或恢復(fù)組織功能，很有吸引力。經(jīng)驗(yàn)表明，改變活體內(nèi)機(jī)械表現(xiàn)可導(dǎo)致鄰近結(jié)構(gòu)的重建或負(fù)荷傳遞。隨著聚合物的化學(xué)特性的完善和設(shè)計(jì)，聚氨酯的生物穩(wěn)定性和力學(xué)表現(xiàn)也得以改善。脊柱椎間盤發(fā)揮其功能，基于椎間盤本身含有膠原和液體而具有的彈性。
本文之前談到的獲得臨床應(yīng)用的不同裝置的報(bào)道，取得了成功。盡管取出裝置有磨損或降解的報(bào)道，聚氨酯材料總體力學(xué)和生物特性表明，至今為止，聚氨酯長期穩(wěn)定性沒問題。采用聚氨酯保留脊柱動(dòng)度和脊柱固定節(jié)段的穩(wěn)定性方面的完善，已獲得法規(guī)許可和臨床應(yīng)用，但仍需大量研究，設(shè)計(jì)和測試，以達(dá)到設(shè)計(jì)這些裝置的目的。
在某些情況，長期應(yīng)用生物穩(wěn)定性仍是個(gè)問題，存在磨損和疲勞。盡管迄今為止的報(bào)道令人鼓舞，長期隨訪及患者體內(nèi)取出裝置的分析，將提供數(shù)據(jù)以預(yù)測這些革新的結(jié)果。持續(xù)臨床應(yīng)用可給相關(guān)工業(yè)提供改善脊柱功能的新挑戰(zhàn)和機(jī)會。
