聚合物颈椎融合器的研究进展0122.docx

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聚合物颈椎融合器的研究进展0122

聚合物颈椎融合器的研究进展

摘要：

聚合物融合器能有效维持颈椎的生理弧度和椎间隙的高度，提供初始的力学稳定性，促进椎体融合，并有效防止下沉的特点，在颈椎前路减压融合术中有广泛的应用。

目前常用的聚合物颈椎融合器为不可降解的聚醚醚酮类融合器。

此外，聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯酸酯以及可降解的聚乳酸类和聚氨基酸共聚物融合器也引起了广泛关注。

文章就聚合物颈椎椎间融合器的研究进展进行综述。

关键词：

聚合物融合器；脊柱融合；颈椎病；

AdvancesinresearchofPolymerCervicalInterbodyFusionCage

Abstract:

Polymercervicalfusioncagecaneffectivelymaintainthephysiologicalcervicallordosisandthediskspaceheight,provideintermediatestabilityandpromoteintervertebralfusion,andeffectivelypreventsubsidence.Non-biodegradablepolyetheretherketonecageshavebeenwidelyusedinanteriorcervicaldecompressionandinterbodyfusion.Inadditon,polymercervicalfusioncagesmadeofpolyamides,polyethylene,polyacrylates,biodegradablepolylacticacidandcopolymersofpolyaminoacidshavearousedwidespreadconcern.Thearticlecoversadvancesintheresearchofpolymercervicalinterbodyfusioncage.

Keywords:

Polymercervicalfusioncage;intervertebralfusion;cervicalspondylosis;

自20世纪50年代RobinsonRA和SmithGW等[1]人开展颈椎前路减压植骨融合术以来，颈椎的融合技术得到推广和发展。

目前，脊柱融合术现广泛用于治疗各种脊柱疾病，包括脊柱先天性畸形、退行性病变、良性和恶性肿瘤及脊柱骨折等，是脊柱外科最常用的外科技术之一。

颈椎病是脊柱外科的常见病，而前路减压融合内固定术是治疗颈椎病的经典术式。

目前较常用的颈椎间融合材料，主要有一下几种：

（1）自体三面皮质骨，如自体髂骨；

（2）异体骨，如异体腓骨；（3）异种骨，如Bauermeister和Maatz于1957年提出了牛来源的Kiel骨[2]和Surgibone骨[3]；（4）金属材料融合器，如钛合金融合器；（5）聚合物材料融合器。

自体三面皮质骨能够达到较高的植骨融合率，目前被认为是颈椎间植骨的金标准，但自体骨供区存在疼痛、血肿、局部神经损伤等并发症，并且自体移植骨量有限，不能满足较多节段的椎间融合。

另外，使用自体骨可能由于植骨块坍塌、吸收等原因导致椎间高度和颈椎生理弧度丢失，进而影响手术疗效。

使用异体骨和异种骨可以避免自体骨移植的相关并发症，但存在疾病传播和免疫排斥的风险。

金属材料颈椎间融合器主要是钛合金颈椎间融合器，其生物相容性好，固定可靠，能够获得术后即刻稳定性，较好的维持颈椎高度和生理弧度。

但金属融合器存在不可吸收，常产生金属腐蚀、应力遮挡、异物感等问题。

应力遮挡容易导致椎体松质骨发生部分吸收，引起融合器松脱和下沉；且不透X射线，不方便通过X射线观察骨融合情况[4]。

聚合物融合器采用生物相容性良好的医用高分子材料，能透X射线，可以方便的观察术后椎间融合情况，且弹性模量较金属融合器更接近人体骨质，并且能够较好的维持椎间高度和生理曲度，引起人们越来越广泛的关注。

根据聚合物材料在体内的降解性差异，聚合物融合器分为不可吸收聚合物融合器和可吸收聚合物融合器。

本文概述了聚合物颈椎融合器的发展现状。

1不可吸收聚合物颈椎间融合器

不可吸收聚合物颈椎间融合器主要包括聚醚醚酮、聚酰胺、聚乙烯和聚丙烯酸酯融合器。

1.1聚醚醚酮颈椎间融合器

聚醚醚酮（PEEK）是一种全芳香族半结晶热塑性聚合物，其大分子链上含有刚性的苯环、柔顺的醚键及羰基，结构规整，具有优良的机械性能、抗疲劳、耐化学腐蚀、耐蠕变、抗辐射、热稳定性和耐水性能。

其适中的弹性模量、优良的抗疲劳特性和生物相容性使其在脊柱外科领域有了广泛应用。

目前医用聚醚醚酮主要的原料供应商是英国Victrex公司的Invibio生物材料方案部门和比利时化工巨头Solvay。

1C

1B

1A

图1聚醚醚酮类颈椎融合器1A聚醚醚酮融合器（AlphatecSpineNovelXSInterbody）1B碳纤维增强聚醚醚酮融合器（DepuyBENGAL®System）1C表面多孔钛涂层聚醚醚酮融合器（AESCULAPCeSpace™XPInterbodySystem）

当前所用聚醚醚酮颈椎融合器一般为中空矩形框架结构（图1），上下面均有尖齿，使用时内腔填充骨替代材料。

它具有以下优点：

（1）可透过X射线，方便观察植骨融合情况；

（2）材料的弹性模量介于皮质骨和松质骨之间，是目前植入物中弹性模量最接近皮质骨的材料，因此能够减少应力遮挡，减少融合器下沉的几率。

Chen等[5]将聚醚醚酮融合器和钛合金融合器分别填充自体骨用于治疗脊髓型颈椎病，术后随访86~116个月，发现钛合金融合器组椎间高度丢失更加明显，34.5%节段发生了融合器沉降，而聚醚醚酮组沉降比例仅为5.4%，发生塌陷的可能性较钛合金融合器大大降低。

Cho等[6]比较了聚醚醚酮融合器填充自体骨和自体髂骨移植颈椎融合的效果，术后6个月X射线结果表明，聚醚醚酮组生理曲度增加2.33±3.00mm，椎间孔高度增加2.54±1.40mm，椎间孔截面积增加40.36±23.53mm2，术后Prolo评分为8.50±1.49，并发症发生率为2.5%，自体髂骨组生理曲度变化为-0.84±6.69mm，椎间孔截面积增加26.68±30.40mm2，术后Prolo评分为7.17±2.13，并发症发生率为17.5%，PEEK融合器组的效果要明显好于单纯自体髂骨植骨组。

骨皮质弹性模量为17～20GPa[7]。

纯聚醚醚酮弹性模量为（3.86±0.72）GPa，弯曲强度为（156±12）MPa，经一定比例的碳纤维增强后,其弹性模量可增加至（21.1±2.3）GPa，强度为（347±21）MPa[8]。

石志才等[9]研究了碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料在骨组织内的生物相容性及在椎间融合术中的作用，他们采用犬做动物模型，在腰椎间植入盘状带孔的碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料，并与冷冻异体骨进行对比，术后12个月，实验组的融合率高于对照组，碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料小孔内有新生骨组织长入，碳微粒对骨组织无明显影响。

Chen等[10]比较了吸附自体骨髓的胶原/羟基磷灰石复合海绵填充碳纤维增强的聚醚醚酮融合器与异体骨颈椎前路融合效果，发现两组之间在融合率、曲度和椎间高度恢复方面没有显著的差异。

尽管如此，碳纤维增强的聚醚醚酮融合器仍然存在下沉的风险[11]。

由于聚醚醚酮表面能较低，聚醚醚酮和碳纤维增强聚醚醚酮表面疏水，植入到体内后难以在骨/植入物界面形成骨性连接，因此有必要对聚醚醚酮植入物进行表面改性，提高材料骨整合能力。

Devine等[12]采用真空等离子钛喷涂技术对碳纤维增强的聚醚醚酮螺钉表面处理，植入绵羊体内6个月后发现改性后的材料具有更高的骨接触面积。

Aesculap、X-spine和Integra等公司都推出了多孔钛涂层聚醚醚酮融合器。

羟基磷灰石（HA）具有良好的骨传导性。

Invibio生物材料方案部门已经推出了新一代HA增强的PEEK-OPTIMA，HA均匀分布在PEEK聚合物基体中，能够显著增强成骨能力。

相信在不久的将来，PEEK-OPTIMA/HA复合材料颈椎融合器将会走向临床。

1.2聚酰胺颈椎间融合器

聚酰胺（Polyamide，PA）是大分子主链重复单元中含有酰胺基团的聚合物的总称，是美国科学家卡罗瑟斯（Carothers）及其领导下的一个科研小组研制出来的。

聚酰胺可由内酰胺开环聚合制得，也可由二元胺与二元酸缩聚等得到的。

PA俗称尼龙，是世界上出现的第一种合成纤维。

PA具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，易于加工。

通过与纳米羟基磷灰石复合可以提高聚酰胺的成骨活性。

李玉宝等[13]通过聚酰胺66与纳米羟基磷灰石复合，设计出同时具有生物活性和优良力学性能的骨修复材料，其综合力学性与人体骨皮质的力学性能相近，能够达到临床上硬组织修复的要求。

梁勇等[14]人选用聚酰胺66/纳米羟基磷灰石（PA66/n-HA）复合材料制作颈椎间融合器并在融合器中空部分填塞自体骨进行动物实验，影像学和生物力学检测结果显示PA66/n-HA复合椎间融合器达到了良好的融合效果，具有优良的生物相容性、骨传导性和生物力学特性，故可作为一种理想的椎间融合材料。

陈日高等[15]将PA66/n-HA椎间融合器填充自体骨应用于山羊颈椎前路椎间融合术中，测量椎间高度椎间角及前凸角等，结果表明椎间融合器可有效维持颈椎椎间隙高度，而且还可以促进植骨融合。

曾凡伟等[16]将PA66/n-HA融合器填充碎骨粒用于颈椎前路椎体间融合器手术中，发现所有14名患者术前症状均得到不同程度的改善，所有患者植骨融合，椎间高度及融合器的位置维持良好，无下沉、移位。

欧云生等[17]将PA66/n-HA融合器填充自体松质骨骨粒用于颈椎前路颈椎病前路减压固定融合手术中，所有52例患者术前症状均得到改善，术后3~6个月骨性融合。

颈椎生理曲度、椎间高度、颈椎稳定性均维持良好。

无融合器下沉、塌陷、移位发生,无感染、内固定物松动、脱落、断裂等并发症。

PA66/n-HA融合器取得了良好的疗效，但是仍有许多问题尚需解决，如在体内的降解率、引导成骨能力以及缺少术后长期随访资料。

1.3聚乙烯颈椎间融合器

超高分子量聚乙烯平均分子量约35万～800万，因分子量高而具有其它塑料无可比拟得优异得耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能。

由于超高分子量聚乙烯优异的生理惰性，已作为心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节等在临床医学上使用。

吴学建等[18]人用聚乙烯材料制作颈椎间融合器，该融合器呈螺纹圆柱状、内腔中空、周壁多孔。

并将该椎间融合器用于动物实验，发现该融合器具有较强的抗压能力，优于自体髂骨组，影像学检测表明术后椎间高度与自体髂骨组无显著差别，说明高分子聚乙烯材料制成的颈椎融合器具有较强的支撑力和良好的稳定性，可起到维持颈椎间高度的作用；组织学分析结果证实聚乙烯颈椎间融合器具有良好的生物相容性[19]。

1.4聚丙烯酸酯颈椎间融合器

甲基丙烯酸甲酯骨水泥作为骨填充体或者关节置换固定用粘合剂已经在骨科临床应用了近50年。

聚丙烯酸酯骨水泥力学性能可以在相当大的范围内进行调控，普通PMMA骨水泥的弹性模量为212GPa，将聚甲基丙烯酸丁酯与聚甲基丙烯酸甲酯共混制备低模量聚甲基丙烯酸甲丁酯骨水泥，其弹性模量仅0.27GPa。

Chen等[20]比较了聚甲基丙烯酸甲酯融合器和聚醚醚酮融合器的力学性能，发现聚甲基丙烯酸甲酯融合器的压缩屈服强度为7030±637N，小于聚醚醚酮融合器（8100±572N），弹性模量为（623±57MPa），大于聚醚醚酮融合器（510±42MPa）。

Farrokhi等[21]制备了聚甲基丙烯酸甲酯融合器，并用于狗颈椎前路减压融合术，发现聚甲基丙烯酸甲酯融合器在脊柱椎体高度保持上明显优于自体骨。

Fathie将聚甲基丙烯酸甲酯融合器用于200名病人颈椎前路减压融合，获得了比较好的效果，没有观察到神经病变、脑脊液渗漏等不良反应[22]。

聚丙烯酸酯融合器的长期效果还需要进一步观察。

2可吸收聚合物颈椎间融合器

尽管不可吸收聚合物融合器取得了良好的疗效，但仍然存在局限性。

由于其材质不能吸收，存在占位效应，对再次手术或者邻近节段手术影响较大。

此外由于在体内长期存在，是潜在的异物反应源。

近年来，利用可吸收聚合物材料制作融合器成为研究的热点，并逐渐应用于临床，取得一定的成果。

可吸收聚合物融合器采用的聚合物材料主要包括聚乳酸、聚氨基酸共聚物等。

2.1聚乳酸颈椎间融合器

聚乳酸成为目前研究最多的一类应用于椎间融合器的可吸收材料，不会造成放射线折射和遮挡，CT及MRI检查时不会产生伪影。

另外聚乳酸的可塑性较好，可以加工成各种形状，在体内水解成乳酸。

聚乳酸是白色半晶体，熔点为175-185°C，拉伸强度为40～60MPa，弹性模量为3～4GPa。

由于聚乳酸立体构象中乳酸分子的不对称性，可分为左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）和无定形消旋聚乳酸（PDLLA）。

其中左旋聚乳酸PLLA的降解速度最慢，消旋聚乳酸PDLLA降解相对较快，大约2~3年[23]。

聚乳酸降解速度与聚乳酸分子量[24]、单体异构体组成、灭菌方式[25]、移植部位[26]或局部力学负载等相关。

2C

2B

2A

图2聚乳酸类颈椎融合器2A高分子量PLLA颈椎融合器（StrykerSolisRS）2B70/30聚左旋-消旋乳酸共聚物颈椎融合器（MedtronicCornerstoneHSRHAbsorbableCage）2C多孔β-TCP填充的PLLA/TCP颈椎融合器（joimaxGmbHDuoCage）

Wang等[27]将70/30聚左旋乳酸-消旋乳酸共聚物融合器填充自体松质骨植入到20位病人30个颈椎间隙中，前路钢板固定，在平均11.6个月的随访中，影像学检测结果表明所有病人都都发生了椎体间融合，9位脊髓型颈椎病患者症状得到缓解，另外14名神经根型颈椎病患者中，9位症状消失，4位有明显改善，1位没有改善。

Kandziora等[28]比较了三面皮质髂骨和填充自体松质骨的70/30聚左旋-消旋乳酸共聚物融合器在山羊颈椎融合中的效果，手术后12周后，发现聚左旋-消旋乳酸共聚物融合器填充自体松质骨与三面皮质髂骨之间融合效果没有显著差异，但是聚左旋-消旋乳酸共聚物融合器融合区域发现Ⅰ级到Ⅲ级的异物反应。

Cahill等[29]将85/15的聚乳酸-羟基乙酸共聚物融合器填充自体骨植入到山羊颈椎，植入12周后，发现融合器结构退化，其中2个椎间隙（2/16）融合器发生移位，8个椎间隙（8/16）观察到异物肉芽肿。

将聚乳酸颈椎融合器与成骨活性因子复合植入到椎间隙可进一步提高融合效果。

Lippman等[30]比较了70/30聚乳酸/聚羟基乙酸（PLDLLA/PGA）融合器、85/15PLDLLA/PGA融合器和自体三面皮质髂骨促进山羊颈椎融合的情况，融合器内分别植入自体松质骨或重组人骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）。

术后3个月，各组间未见明显差异，术后6个月70/30PLDLLA/PGA融合器复合rhBMP-2组的融合评分优于其他各组，70/30PLDLLA/PGA融合器复合自体松质骨融合效果与三面皮质骨髂骨相当，70/30PLDLLA/PGA融合器保持原有形状，85/15PLDLLA/PGA融合器降解明显。

Lanman等[31]将负载rhBMP-2的胶原填充的Cornerstone-HSR（图2B）融合器植入到20位颈椎椎间盘退变病人中，术后3个月，影像学表明所有病人显示了骨性融合，症状有显著改善，没有观察到融合器相关的并发症。

尽管左旋聚乳酸具有良好的组织相性和一定的初始强度，但其材料本身属性所致的风险仍然不可忽视，比如pH值降低、存在产生无菌性炎症反应和局部骨吸收的危险等。

研究结果证实左旋聚乳酸作为骨折和椎间融合器内置物材料力学强度还有待增强，特别是植入体内后，由于材料的降解可能使椎体间稳定性下降，影响骨性融合[32]。

通过与羟基磷灰石或磷酸三钙的复合，有助于提高聚乳酸材料的机械强度，中和酸性降解产物，延缓材料早期降解，提高材料的骨结合能力和生物相容性。

胡孔和等[33]制备了PLLA/HA复合螺柱状颈椎间融合器，螺距1.5mm，螺纹深0.7mm，中部有横贯隧道，底部有孔穴与之相同，顶部封闭。

他们将该种融合器植入人体颈椎标本后，利用脊柱三维运动试验机检测融合器的生物力学性能。

结果表明，PLLA/HA复合螺柱状颈椎间融合器具有优良的力学强度，及类似于人体骨骼的弹性模量，该融合器能够重建颈椎的稳定性，较自体髂骨移植稳定。

Debusscher等[34]在20例颈椎病患者治疗中使用了27个由40%PLLA和60%β-磷酸三钙（β-TCP）融合器，融合器中间填充多孔β-TCP，在自体髂骨的骨髓中浸泡1min后置入椎间隙，并采用颈椎前路锁定钢板增强，随访18~42个月，平均27个月，除1例有吸烟史的双节段患者未融合外，CT检查示融合率为96.0%（19/20）。

根据VAS疼痛评估，颈痛减轻了55%，上肢疼痛减轻了83%。

未发生融合器移位、骨溶解、囊肿形成等并发症。

Brenke等[35]进一步研究了填充多孔β-TCP的40%PLLA和60%β-磷酸三钙（β-TCP）融合器（图2C）作为自稳型颈椎融合器的可能，发现4位病人（4/33）发生融合器移位，表明该融合器不能作为自稳型颈椎融合器使用，需要内固定。

2.2聚氨基酸共聚物颈椎间融合器

多元氨基酸共聚物（multi-（aminoacid）copolymer，MAACP）是最近新发明的可降解的医用高分子材料，该材料由6-氨基己酸和天然氨基酸甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸和苯丙氨酸等组成[36]。

其中6-氨基己酸分子具有较强的刚性和极性，构成高分子骨架，可赋予多元氨基酸共聚物良好的力学性能，而其它天然氨基酸则可调节共聚物的降解性能以及生物活性。

体外降解实验研究表明该共聚物在模拟体液中浸泡12周后，材料质量损失达到18.6%，而其压缩强度仅损失17.6%，降解产物对浸泡液pH值无显著影响；初步体内植入实验表明材料具有良好的生物相容性[37]。

多元氨基酸共聚物/磷酸钙复合材料具有优良的生物活性、生物降解性及强度,降解后不会形成低pH值环境[38]。

严永刚等[39]采用原位聚合法制备新型二元氨基酸共聚物/生物活性羟基磷灰石（PAA/HA）复合材料,当HA含量为30%（质量分数）时，复合材料的抗压强度和抗弯强度分别为141.02MPa和86.32MPa，力学性能与人体皮质骨相匹配。

周春光等[40]将多元氨基酸共聚物/磷酸钙（MAACP/TCP）复合材料椎间融合器置入山羊C3,4椎间隙中,并与钛合金融合器、三面皮质骼骨进行对照。

通过对前屈、后伸、侧屈和旋转的生物力学测定来计算各组活动范围及相对刚度。

在与钛合金组、骼骨组比较后,他们认为MAACP/TCP融合器可为山羊颈椎椎间融合提供足够的初始力学稳定性[41]。

可吸收材料在脊柱外科的应用尚处于初级阶段，尽管已表现出令人瞩目的临床效果和应用前景。

以前的研究也证明它克服了传统融合方式带来的众多缺陷，但作为一种新兴的技术尚需逐步发展完善。

3总结与展望

目前，通过大量的基础研究和临床应用，聚合物融合器已经有了相当大的进步，但现存的聚合物材料均不能很好的满足医疗的要求。

因此，具有良好的组织相容性和成骨活性、可降解的、弹性模量适中的聚合物材料的开发仍然是未来主要的发展方向。

另外，通过将现有不同种类聚合物材料复合或者聚合物与可降解陶瓷、金属材料复合，不断优化材料的结构和组成设计，使颈椎间融合器在重建并维持颈椎间高度和生理曲度的过程中，融合器材料降解并为新生骨替代。

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