可降解純鎂椎間融合器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究及胸鎖關(guān)節(jié)脫位的影像和臨床研究.pdf

1、隨著社會(huì)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(zhì)量的常見疾病。腰椎退行性疾病既是一種機(jī)體自然退變的進(jìn)程，也是自身保護(hù)的一個(gè)機(jī)制，隨著病程的進(jìn)展，逐漸影響腰椎周圍的鄰近結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生臨床癥狀。對(duì)腰椎退行性疾病的診治一直是骨科醫(yī)師研究的熱點(diǎn)。
　　髓核的退變被認(rèn)為是腰椎退行性疾病的起始點(diǎn)。隨著年齡的增長(zhǎng)，髓核的含水量和彈性降低，引起脊柱負(fù)荷重新分布，導(dǎo)致脊柱各個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生過度負(fù)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(jīng)根管和椎間孔的狹窄，從而壓迫神經(jīng)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(jié)構(gòu)可以視為機(jī)體自身調(diào)節(jié)的過程。例如：椎骨增生形成骨贅，黃韌帶的肥厚和關(guān)節(jié)突的增生，可以視為是機(jī)體為增加脊柱的穩(wěn)定性而新生的結(jié)構(gòu)。任何事物均具有兩面性，當(dāng)這些退變保護(hù)性結(jié)構(gòu)壓迫了神經(jīng)根、脊髓等結(jié)構(gòu)，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(shù)治療原則即為去除增生結(jié)構(gòu)，恢復(fù)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(shù)(posterior lumbar interbody fusion，PLIF)自20世紀(jì)50年代被Cloward報(bào)道以來，一直被作為椎間融合的首選術(shù)式。其效果肯定，不存在爭(zhēng)議。該術(shù)式可以直接去除增生的各個(gè)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行神經(jīng)根的減壓，同時(shí)完成內(nèi)固定，并且可以將椎間植入物最大限度地置于椎體的力學(xué)中心附近，以利融合。在去除增生的結(jié)構(gòu)以后，恢復(fù)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(diǎn)內(nèi)容。其中，對(duì)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(xué)環(huán)境。理想的融合材料應(yīng)具有一定的初始強(qiáng)度，并具有和椎體相似的彈性模量和誘導(dǎo)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(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用自體髂骨塊進(jìn)行椎間融合，骨塊的初始強(qiáng)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(guān)于供骨區(qū)的并發(fā)癥時(shí)有報(bào)道。金屬cag

5、e可以有效的恢復(fù)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(yīng)力遮擋、下沉、移位和影響影像學(xué)觀察等缺點(diǎn)。于是，接近椎體彈性模量的材料得以應(yīng)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(xiàn)報(bào)道，在其周圍有炎癥細(xì)胞出現(xiàn)。隨著工藝的發(fā)展和多學(xué)科的交叉發(fā)展，以聚乳酸為代表的可吸收性融合器應(yīng)用于臨床。經(jīng)隨訪發(fā)現(xiàn)，可吸收聚乳酸椎間融合器可以提供即時(shí)穩(wěn)

6、定性，在椎間融合的進(jìn)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(chǎn)物可以產(chǎn)生骨質(zhì)溶解，對(duì)融合過程產(chǎn)生不利影響，且降解時(shí)間各家報(bào)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(guān)鍵。
　　鎂在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到1878年。純鎂具有以下特點(diǎn)：1、具備和骨近似的彈性模量，可避免對(duì)終板的過度切割。2、具有骨誘導(dǎo)性和可降解性，可以促進(jìn)椎間融合的進(jìn)程。3、其代謝產(chǎn)物對(duì)人體無害。4、文獻(xiàn)報(bào)道有

7、促進(jìn)骨生長(zhǎng)和神經(jīng)恢復(fù)的功能。但是因?yàn)殒V在體內(nèi)的降解速度過快，限制了鎂在骨科固定材料方面的應(yīng)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(guó)科學(xué)院金屬研究所和北京納通醫(yī)療集團(tuán)進(jìn)行了兩方面的研究，一是將純鎂制作為椎間融合器，將其進(jìn)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(duì)胸鎖關(guān)節(jié)為代表的微動(dòng)關(guān)節(jié)脫位進(jìn)行內(nèi)固定治療，并進(jìn)行隨訪，確定其愈合時(shí)間和內(nèi)固定的可行性研究，為鎂材料在這一方面的拓展應(yīng)用做

8、準(zhǔn)備工作。在研究過程中，我們從實(shí)驗(yàn)動(dòng)物-山羊的脊柱影像學(xué)測(cè)量入手，設(shè)計(jì)制造了適合山羊體內(nèi)使用的純鎂cage。并對(duì)純鎂cage進(jìn)行了鈣磷涂層。進(jìn)行了純鎂cage在體外的降解特性的觀察和體外的生物力學(xué)特點(diǎn)的研究。經(jīng)過這些研究，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)鈣磷涂層后的純鎂cage在生物力學(xué)和降解時(shí)間等方面可以滿足椎間融合的需要。然后我們進(jìn)一步經(jīng)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(nèi)的降解特點(diǎn)和椎間融合的效果。在本文中逐一進(jìn)行分述。<

9、br>　　第一部分山羊腰椎影像學(xué)數(shù)據(jù)的測(cè)量和純鎂cage的設(shè)計(jì)、制造
　　目的：了解山羊腰椎各個(gè)結(jié)構(gòu)的解剖參數(shù)，并進(jìn)行腰椎后路椎弓根釘手術(shù)的方案，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、制造純鎂cage。
　　方法：利用西門子64排螺旋CT對(duì)12只1歲齡雄性山羊(體重48-55kg，平均體重52kg)進(jìn)行腰椎節(jié)段的掃描，重建。采用CT自帶測(cè)量軟件Syngosoftware version A70A分別測(cè)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(jù)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，利用CAD軟件繪制符合山羊腰椎特點(diǎn)的純鎂cage制造圖。
　　結(jié)果：椎體后緣高度(VBHp)逐漸增大，到L6，VBHp可達(dá)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(shì)，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(fù)增大，至L7達(dá)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(shì)。
　　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(zhǎng)為：1.15±0.01cm。<

12、br>　　左側(cè)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(cè)椎弓根寬度(PDWR)和左側(cè)有同樣的趨勢(shì)，并且和左側(cè)椎弓根寬度無統(tǒng)計(jì)學(xué)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(jì)學(xué)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(jié)論：經(jīng)過測(cè)量得到了山羊腰椎各個(gè)重要結(jié)構(gòu)的解剖參數(shù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)，成功設(shè)計(jì)制造了純鎂cage。并且為實(shí)施手術(shù)和選擇內(nèi)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(duì)純鎂cage進(jìn)行鈣磷涂層，控制其降解速度。并在模擬體液中測(cè)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(duì)涂層進(jìn)行形貌及成分的表征。在Hank’s模擬體液中研究經(jīng)過鈣磷表面處理的鎂的降解情況及表面活性。
　　結(jié)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(jié)合的很好。涂層厚度大約為23μm。
　　采用EDS對(duì)涂層成分進(jìn)行分析，結(jié)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(jìn)一步

15、說明了鎂cage表面上致密地被覆著鈣磷層。
　　未經(jīng)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(yán)重的腐蝕。而后，出現(xiàn)了pH值下降趨勢(shì)。與此相比，經(jīng)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(shì)。當(dāng)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(jīng)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(duì)鎂基體還有保護(hù)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(jié)論：通過化學(xué)沉積法可以在純鎂cage表面上成功覆蓋鈣磷涂層。經(jīng)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(duì)鎂cage仍有保護(hù)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(xué)實(shí)驗(yàn)
　　目的：評(píng)價(jià)純鎂cage結(jié)合椎弓根釘固定對(duì)所固定腰椎運(yùn)動(dòng)階段的影響。
　　方法：12具山羊的L4-L5運(yùn)動(dòng)階段，隨機(jī)分為3組，每組4個(gè)標(biāo)本。第一組為對(duì)照組，為完整正常的標(biāo)本。第二組為cage組，將標(biāo)本實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)后路加壓椎弓根釘內(nèi)

18、固定，并在椎間應(yīng)用純鎂cage。第三組為自體髂骨組，處理同第二組，椎間應(yīng)用自體髂骨快。用夾具依次將其固定于CSS-44020生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，將應(yīng)變片粘貼于上下位椎體的16個(gè)位點(diǎn)，加載至500N。應(yīng)用WS3811型數(shù)字式應(yīng)變儀依次測(cè)量正常組標(biāo)本、cage組標(biāo)本和自體髂骨組標(biāo)本的各點(diǎn)應(yīng)變值。
　　結(jié)果：正常組：應(yīng)力集中于椎體前方，前方各點(diǎn)位移增加明顯。在三組中位移最大。cage組：各點(diǎn)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(diǎn)位移均勻增加，增加位移較cage組大。在側(cè)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(jì)學(xué)差異。但這兩組都明顯低于正常椎體組的位移。
　　結(jié)論：山羊腰椎椎體標(biāo)本垂直負(fù)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(biāo)本前方及后方的位點(diǎn)應(yīng)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(biāo)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(xué)穩(wěn)定性良好?？梢蕴峁┯行У淖甸g支持作用。
　　第四部分純鎂cage山羊椎間融合、降解實(shí)驗(yàn)
　　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(jī)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(duì)L4-L5節(jié)段實(shí)施后路減壓融合椎弓根內(nèi)固定術(shù)。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(shù)式同第一組，椎間融合材料使用自體髂骨塊。分別于術(shù)后即刻、1周、2周、4周、8周、12周麻醉后進(jìn)行CT掃描，觀察降解及成骨情況。抽血監(jiān)測(cè)血鎂的情況。于術(shù)后3個(gè)月將動(dòng)物處死，取下L4-L5節(jié)段，應(yīng)用micro-CT掃描成像，了解植入物的降解和融合情況，并取6個(gè)正常相應(yīng)節(jié)段椎體進(jìn)行對(duì)照。取心、肝、腎，和相應(yīng)節(jié)段的脊髓進(jìn)行切片，行光鏡鏡檢，明確各組織是否存在病理變化。
　　結(jié)果：在各個(gè)時(shí)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(jìn)行影像學(xué)觀察，內(nèi)固定物無松動(dòng)及移位。純鎂椎間融合周圍無明顯產(chǎn)氣現(xiàn)象，隨時(shí)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(shí)，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(zhì)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(jīng)3個(gè)月體內(nèi)試驗(yàn)，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(jīng)光鏡觀察對(duì)照，無明顯病理

23、改變。心肝腎和相應(yīng)節(jié)段脊髓的光鏡觀察，未發(fā)現(xiàn)病理改變。
　　結(jié)論：經(jīng)鈣磷涂層的純鎂椎間融合器降解緩慢，可以誘導(dǎo)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(guān)節(jié)脫位的影像學(xué)和臨床研究
　　目的：測(cè)量胸鎖關(guān)節(jié)影像解剖學(xué)數(shù)據(jù)，制造新型接骨板，治療胸鎖關(guān)節(jié)脫位。
　　方法：對(duì)50名健康志愿者的胸鎖關(guān)節(jié)進(jìn)行CT掃描成像，將其納入本研究。胸鎖關(guān)節(jié)解剖異常或者局部有損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(cè)量胸骨頭在下外側(cè)至上內(nèi)側(cè)方向的直徑(DOSH)、鎖骨切跡的長(zhǎng)度、鎖骨切跡和胸骨夾角。在矢狀面上測(cè)量胸骨柄和軀干之間的夾角。在橫斷面測(cè)量下述指標(biāo)：(1)鎖骨切跡、胸骨柄和胸骨頭的前后直徑；(2)胸鎖關(guān)節(jié)的寬度；(3)雙側(cè)鎖骨之間的距離；(4)胸腔內(nèi)胸骨柄及其下軟組織的最小距離。根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)新型接骨板治療胸鎖關(guān)節(jié)脫位或半脫位。
　　結(jié)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(zhǎng)，胸骨柄的中部較邊緣部分薄。左側(cè)胸鎖關(guān)節(jié)的間距是0.84±0.24cm，右側(cè)為0.88±0.23cm。經(jīng)過胸腔內(nèi)胸骨后的結(jié)構(gòu)中，左側(cè)雙邊無名靜脈距離胸骨柄最近，此靜脈距離胸骨前皮質(zhì)的距離平均為2.38±0.61厘米。根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，設(shè)計(jì)了新型的鋼板，此鋼板能夠解剖復(fù)位脫位的胸鎖關(guān)節(jié)并安全置入螺釘。
　　結(jié)論：通過在CT圖像上測(cè)量胸鎖關(guān)節(jié)的正常參數(shù)，能夠便于胸鎖關(guān)節(jié)脫位和半脫位的治療。新型的鋼板