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至盘点聚氨酯材料在脊柱非融合稳定手术中应用

2021年10月10日

盘点聚氨酯材料在脊柱非融合稳定手术中应用

恢复脊柱结缔组织部份功能的手术,对脊柱外伤或退变患者减轻疼痛和恢复功能而言,相当重要。手术辅助材料有自体或异体组织,金属,陶瓷和高份子聚合物。高份子聚合物包括超高份子聚氨酯(UHMWPE),聚醚醚酮(PEEK)及聚氨酯。

作为聚合物家族的聚氨酯,由于其弹性特点而被引入医用。可通过改变单体构成及高份子链不同单体而改变块大小。下表中列出了目前脊柱手术中使用的超高份子聚氨酯,PEEK和不同聚氨酯的特性。表中可见,聚氨酯的模量反应了与超高份子聚氨酯,PEEK相比的弹性特点,与超高份子聚氨酯在牵拉强度、断裂延伸率和硬度方面类似,而与PEEK不同。

表 脊柱装置中采取的聚合物材料典型特点比较

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医学中聚氨酯聚合物的利用

历史上,聚氨酯材料已用于医学,基于其弹性可提高医学装置的成功或延长寿命。最早用于血汗管,其压力变化下弹性(以利泵血),可延展和收缩而不产生疲劳失败(如血管移植物)或可折弯而不骨折(如电极引线绝缘体),对长时间利用很重要。

虽然最早于1967年得以利用,在上世纪80年代中后期,学者们逐步意想到使用聚醚聚氨酯(PEU)可能存在之前未发现的失败机制而需进1步研究。

研究表明,由于制造和置入中聚合物中的残余应力,在失败中可能发挥作用,若残余和工作应力可最小或消除,则PEU可延续利用。聚酯聚氨酯亦用于医疗领域,体内易于降解。最少有1篇文章提示,聚醚聚氨酯脲(PEUU)具有更好的生物稳定性及更佳使用潜力。

另外一篇探讨PEUU心脏瓣膜失败的文章,提示钙化和磨损在失败中起部份作用。致力于使得聚氨酯更具生物稳定性的研究延续,聚碳酸酯聚氨酯(PCU)逐步显示潜力。比较一样条件下PEU,PEUU和PCU的研究表明,在生物条件下,PCU更耐降解。

1991年,Szycher 等报导了1种新的聚氨酯(a PCU),可消除聚合物链中醚酯结合,在生物环境中避免微裂纹。PEU与PCU相比,Tanzi等也发现PCU在体外碱性环境下更稳定,PEU在酸性环境下更稳定,从而认为,PCU在医疗条件下更加稳定。在凯斯西储大学进行了多年的多种技术检测,更新了比较结果的数据。

Mathur等比较了在融会器置入系统中不同聚合物特性,发现氧化而致使的降解中,PEUU最多;PCU最少。Wiggins等在过氧化氢和2氯化钴溶液中进行了体外动力测试,起初发现PEUU在高应变率下更脆,进1步测试表明,在类似测试条件下,PCU表现更好。

Christenson等继续了该研究,发现了类似的体外实验结果,PCU降解的产生由于体内接触到邻近细胞,氧化降解作用为主要机制,而PCU生物稳定性则需进1步研究。Labow等警示PCU多聚体的硬段化学在生物环境中长时间稳定性方面发挥作用。

聚碳酸酯聚氨酯弹性体已在体外实验用于关节负重表面,且最少用于1种装置。其临床实验也正在展开,并有结果报导。初期临床实验取出的装置分析的结果提示,该材料作为负重面仍保持其完全性。在此装置中比较UHMWPE和PCU颗粒物(磨损产物)的研究表明,对PCU的反应较UHMWPE更小。氧化测试表明,在 射线辐射下,PCU较UHMWPE更抗氧化。

临床上正在测试或利用的包括聚氨酯的脊柱装置

后路动态稳定装置

“动态稳定”从词语表面看,仿佛暗示脊柱得以稳定,同时该节段动度保存。很多该类装置采取的是弹性聚氨酯联合金属部件以保持整体韧度。在接下来讨论的每一个装置中可见,美国批准使用的装置,仅在同节段融会时可用。而最少在美国之外,脊柱外科医师用这些装置提供稳定而保持动度,不加融会。

脊柱动力中立系统

脊柱装置动力中立系统(Dynesys)包括椎弓根钉,之间以聚酯条带连接,聚酯条带卡于椎弓根钉头部(图1)。条带在PCU管中,牢牢置于椎弓根钉头部卡槽中,使得条带上的张力或PCU上的压力帮助控制脊柱允许范围内的活动。基于研发者和初期利用者的报导,仿佛该装置设计的意图是用于非融会。

在美国,仅许可在融会情况下利用Dynesys,而且当牢固融会到达后即取出该装置。比较Dynesys不融会与PLIF装置的临床实验,因不融会使用Dynesys未获美国食品药品监督管理局许可,而终止。在发表的2篇文章中,Kurtz等总结了两个研究组的数据,对100多个Dynesys装置置入5年及7年后取出进行了检测。

他们发现了PCU表明变化和表面的腐蚀,变化仿佛由于水解和化学改变,裂纹延伸至表面少于100微米,有1例例外,裂纹从内表面延伸至外表面。当材料与骨性结构或椎弓根头部卡槽接触时,腐蚀和/或变形即产生。他们报导,PCU中的化学变化仿佛和长时间的置入相干,感染可改变局部的生物环境。

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图1 脊柱动态中立系统(Dynesys)动态稳定系统

另外一项研究对置入19个月的材料进行检测,PCU表面轻度化学变化,而材料内部均未产生化学变化。对置入更长时间的装置取出并检验,可决定PCU是不是能在传到压应力和暴露于生物液体环境中,是不是能保持完全性。用Dynesys不加融会临床实验的或美国之外的脊柱外科医师,发现该技术到达了类似融会的稳定性,而手术时间短,损伤更小。

对参加临床实验的部份患者影象学研究,记录稳定取得和动度保持,发现虽然未至融会,但取得了稳定,但固定节段仅少许动度存在。使用该装置多节段稳定,单独使用该装置在某些节段,其它节段联合融会,有成功的报导。但需进1步研究肯定哪些节段需要融会,哪些节段稳定便可,不需融会。

Transition

Transition装置亦是带聚酯条带的装置,聚酯条带提供张力,PCU袖套提供压应力(图2)。连接于椎弓根钉,仅被许可用于融会。文献的搜索未见到关于此装置临床或取出分析结果。Paul McAfee医生在他的为此个人网页上发表了他的初期经验,术后6月,无装置失败及翻修,仅1例因感染再手术。

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图2 Transition稳定系统

NFix II/NFlex/NGarde

NFix II/NFlex/Ngarde装置由钛合金中央棒,PCU袖套及椎弓根螺钉组成,可实现脊柱单节段或多节段固定。装置1端为连接1枚椎弓根螺钉的实心棒,另外一端逐步变细,外层为钛合金袖套,中间夹层为弹性PCU,从而使得活动时产生压力,固定脊柱节段的同时又不完全限制动度。

虽然不明确市场上是不是还在用,但明确的是美国仅用于融会,并要求在标签上注明,不融会利用的安全性未知。5家医院使用该装置,用于单独非融会固定或融会节段邻近使用,回顾性报告表明,在减轻疼痛和改良功能上有效。据报导,在美国之外,该装置用于非融会有欧洲认证标志,而在美国,安全性未知。

Total Posterior Spine

Total Posterior Spine装置(图3)属于脊柱后路装置,连接于椎弓根螺钉,限制相邻节段屈曲/后伸,轴向旋转和侧方曲折,以在非融会情况下恢复腰椎稳定性。该装置由钛和PCU构成,内有PCU涂层的金属阻隔心以控制活动,外部有聚氨酯膜包裹。

该装置实验室和初期临床研究结果已发表,表明可在尸体和患者中控制动度,临床症状得以改良。目前利用该装置的国家有澳大利亚,德国,以色列,土耳其和英国。在美国正处于临床实验阶段。

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图3 Total Posterior Spine系统

PDS系统

PDS系统(前称为PercuDyn系统)(图4)与上述的系统发挥作用的方式不同。包括钛椎弓根螺钉和PCU稳定器(垫片),置于受累椎间盘近端关节突之下,与尾端椎体螺钉相连。垫片禁止关节突后伸,从而提供该节段部份稳定。

体外于脊柱摹拟器上的磨损研究表明,经过超过1000万次的循环,PCU成份磨损很轻,颗粒物直径主要为1⑴0微米。虽然该文章的题目表明成份的周期性重称重,但因测试配置,不可能称重。

质量损失通过丈量颗粒物的质量并修正为恢复率,基于已知血清中颗粒物浓度。比较3种后路稳定系统(X-Stop,IsoBar和PDS)的实验室研究表明,每种装置限制活动方式不同,PDS装置限制过伸最有效。另外一项实验室研究亦表明,该装置可有效限制脊柱运动及对椎间盘压迫实现减压。

2009年开始对该装置的1项临床实验,研究了联合融会使用该装置,该研究终究终止,未搜索到该临床实验的文章发表。另外一项3个病人的临床结果表明,该装置具有的微创性及提供的稳定性,使之成为脊柱外科的实用工具。2009年脊柱成形协会会议上未发表的报导,40例使用PDS装置的患者,临床疗效改良明显。

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图4 PDS系统

椎间盘置换装置

Bryan

颈椎Bryan人工椎间盘由钛、钛合金及两种不同的聚氨酯构成(图5),2009年允许在美国销售。该人工椎间盘中央负重核心为PCU,与钛合金终板构成关节。关节表面包裹聚氨酯鞘,置入时注入无菌盐水。许可文件中注明PCU为Bionate-S,聚氨酯鞘为Biospan-S,与聚合物提供者的数据表不完全匹配,或可反应出数据表中提到的SME或SAME末端或表面修正技术。

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图5 Bryan颈椎人工椎间盘

除许可文件中的前期临床研究外,源于同1主要研究者的3篇摹拟测试,记录了经1000万到4000万次循环测试,磨损量的数值。PCU核心材料高度的丧失,首先归因于蠕变,每百万个循环产生1.2mg的质量丧失。另外,将人工椎间盘置入山羊后,随访12月,对周围组织内的颗粒物进行研究以评估磨损。

术后半年,3只山羊中,1只山羊人工椎间盘周围组织中检测到双折射颗粒,术后1年,2只山羊检测到。术后3月时,未发现颗粒,任什么时候间点均未见炎症反应。

摹拟测试装置与人临床利用后取出的装置进行了对照,研究者发现,4⑴6月发现磨损,患者样本量小,与摹拟测试的磨损相比,磨损很小。但在取得进1步数据前,还是应当引发注意。作者提出刺激器100万次循环,或相当于临床使用1年多。

临床利用中,关于该装置并发症的报导很少。有篇文献综述报导了人工椎间盘置入后,异位骨化和关节活动丧失,并援用了异位骨化的可能缘由和危险因素。但对脊柱外科医生而言,其实不意味着聚醚聚氨酯和钛合金为病因。

另外一项术后8年的文献综述,发现异位骨化产生率为48%,较其它颈椎人工椎间盘产生率低,且不包括聚醚聚氨酯。2012年,在1个置入该装置8年后,假体疲劳骨折的病例,该装置前方有1软组织包块,切除后该个案报导中未作进1步描写。

颈腰椎人工椎间盘M6

人工椎间盘M6亦由钛合金终板和PCU芯组成。芯周围为聚氨酯纤维,外裹弹性鞘,其构成成份未界定,多是聚氨酯。具有颈椎人工椎间盘M6-C和腰椎人工椎间盘M6-L两种,均未在美国获准使用。在美国展开的M6-C的临床实验已取消,未招募到患者。在世界很多国家该装置有销售。文献检索未找到任何关于该装置的临床结果或并发症报导。

其它人工椎间盘

1篇发表的文章报导了腰椎人工椎间盘,其钛合金终板间PCU为专利配方,亦配备了带力学传导器的自充电电子数组,可提供给医生遥测负荷数据。发表的利用仅限于狒狒。据报导,其PCU较其它医用商业PCU聚合物在体外更耐水解。

美国LP-ESP装置,在钛合金终板间为聚碳酸酯缓冲,芯为硅酸胶。具只有重新更换传感器有7年临床经验的医生,发表了提高生产率的新材料的需求也在不断增大关于此装置120例患者的力学测试和临床结果的前瞻性研究报导,随访36月,未发现PCU的生物降解,Oswestry残障指数明显改良。该文作者未报导装置取出情况。

Freedom腰椎人工椎间盘(图6),钛合金终板与骨接触面具有钛珠涂层,终板间为具有专利的PCU芯。已取得欧盟认证商标,在英国和德国正进行市场后期临床研究,在美国正进行临床实验。该装置疲劳和磨损测试结果表明,2400N载荷,5000万次循环仍完好,6000N载荷下1000万次循环亦未破损。

磨损测试至3000万次循环,每1百万循环产生1.7mg的质量丧失,类似于其它椎间盘假体的实验室测试结果。该文章也报导了欧洲的前50个患者随访2年的结果,90%的患者较术前改良,未见假体失败。另外一个颈椎装置Freedom颈椎人工椎间盘(图7),也取得了欧盟认证商标,正在德国和瑞士进行临床实验。

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图6 Freedom腰椎人工椎间盘

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图7 Freedom颈椎人工椎间盘

也有螺旋髓核置换装置,称作“Newcleus”,由PCU制成,以直持取器置入椎间盘,置入后可弹回螺旋形,亦可实现置入时切割成适合长度。除最初2002的报导外,能获得的信息很少。仅置换椎间盘髓核而保存剩余结构的可能性,如果软骨终板和纤维环完好有功能,对脊柱外科医生而言,很有吸引力。由于这样相对守旧的疗法,如果以后需手术,保存了更多的手术选择机会。

椎体置换

对某些病例,如恶性病变,椎体骨折或塌陷,手术医师可能希望以可负荷的人工材料置换椎体,以在愈合时更好的保持椎体高度。为此目的设计的装置多为钛或钛合金或PEEK。约16年前,德国公司提出了新的构成材料:聚氨酯复合钙硅磷酸盐陶瓷填充物。

第1份报导表明,在原位,6月时界面抗剪强度低,但随着时间推移,与骨界面增大,抗剪强度明显增高。将该材料以碳纤维加强的PEEK附件系统复合后测试,于固定节段可实现固定和控制活动增强,但取决于固定骨的质量。该文章还报导当时已将该装置用于7例患者。

该研究中5名患者的结果在后续报导中进行了详细描写。该研究中所有患者均为脊柱恶性病变,进行了切除,并以人工复合椎体系统进行重建。随访时间5个月到39个月,其中3例患者死于原病发,1例死于其它缘由,1例29个月时仍存活。

对尸检时取出的1个假体进行组织学分析未见炎性迹象,可见骨吸收的少量迹象,虽然影象资料提示骨连接,与初期文章结果相反。由于临床样本量小,作者建议对该假体系统加以改进并进1步研究。在后续文献中未见更多的研究报导。

结论

手术中使用弹性聚合物修复本为弹性性质的组织结构或恢复组织功能,很有吸引力。经验表明,改变活体内机械表现可致使邻近结构的重建或负荷传递。随着聚合物的化学特性的完善和设计,聚氨酯的生物稳定性和力学表现也得以改良。脊柱椎间盘发挥其功能,基于椎间盘本身含有胶原和液体而具有的弹性。

本文之前谈到的取得临床利用的不同装置的报导,获得了成功。虽然取出装置有磨损或降解的报导,聚氨酯材料整体力学和生物特性表明,至今为止,聚氨酯长时间稳定性没问题。采取聚氨酯保存脊柱动度和脊柱固定节段的稳定性方面的完善,已取得法规许可和临床利用,但仍需大量研究,设计和测试,以到达设计这些装置的目的。

在某些情况,长时间利用生物稳定性还是个问题,存在磨损和疲劳。虽然迄今为止的报导使人鼓舞,长时间随访及患者体内取出装置的分析,将提供数据以预测这些革新的结果。延续临床利用可给相干工业提供改良脊柱功能的新挑战和机会。