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《南方医科大学》 2008年
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碳纳米管/羟基磷灰石/聚乳酸可降解椎间融合器实验研究

张海兵  
【摘要】: 研究背景 椎间融合器(cage)问世以来,脊柱融合便进入新的时代。随着研究深入,椎间融合器无论在材料组成还是形态结构均处于不断改进和完善之中。目前椎间融合器多种多样,根据椎间融合器的外形可分为:圆柱状或圆锥状椎间融合器;长方体或盒形椎间融合器;根据制作材料不同又可分为两类:不可吸收椎间融合器和可吸收椎间融合器。尽管椎间融合器式样不一,制作材料不同,但目的却一致:恢复椎间高度和脊柱的解剖序列,保持脊柱的稳定性。 早期有关椎间融合器临床疗效的报道的确令人鼓舞,但随着椎间融合器的普遍应用、长期的随访观察,与椎间融合器相关的并发症也日益增多。一部分并发症源于椎间融合器材料和设计缺陷,其中又以螺旋型金属椎间融合器的并发症最多。多项实验研究证实:金属材料高弹性模量、螺旋型设计是导致金属螺旋型椎间融合器产生并发症的主要原因:不锈钢的弹性模量为220GPa,钛合金椎间融合器的弹性模量约为110GPa,人体皮质骨的弹性模量为2.4GPa,松质骨的弹性模量仅2.1 Gpa。金属椎间融合器和椎体骨较大的弹性模量差异将产生应力遮挡,融合器中的植骨颗粒缺少应力刺激,导致成骨缓慢,甚至假关节形成。同时应力遮挡还可导致相邻椎体骨质疏松、融合器下沉,椎间高度丢失,严重者发生椎间融合器移位、脱出。金属椎间融合器另一个重要的缺点是不透X线,在照片检时融合器的显影掩盖骨痂的X线表现,导致融合“假象”;同时金属异物在CT或MRI检查中产生伪影,对骨愈合的正确评估产生干扰。 碳纤维维椎间融合器克服了金属椎间融合器上述缺点,但最近研究结果证实:椎间融合后期碳纤维cage与椎体间的摩擦碎屑可引起无菌炎症,不利于椎间融合,时间较长还可导致周围骨质疏松和融合器下沉。最近人们在碳纤维椎间融合器的基础上研制出聚醚醚酮(PEEK)椎间融合器,这种椎间融合器的弹性模量为3.57GPa,比碳纤维椎间融合器更接近人体椎骨弹性模量,大量临床观察结果证实PEEKcage不但能促进椎间融合,同时椎间融合率较较金属高,但作为一种高分子塑料,PEEK在人体内不可吸收,远期并发症也有待进一步观察。 用聚乳酸制作的可吸收椎间融合器不但克服了金属椎间融合器的缺点,又具有PEEKcage低弹性模量的优点,同时聚乳酸在人体内经1.5~2年可彻底分解吸收,不留异物。但是可吸收材料,亦有自己的不足:①力学强度欠佳,不如金属椎间融合器、PEEKcage和碳纤维cage。②聚乳酸在体内降解速度过快,在椎间融合之前其力学强度往往不能满足胸腰椎脊柱载荷要求,PDLLAcage在脊柱轴向载荷作用下发生塌陷、椎间高度丢失、脊柱不稳等现象;③组织相容性不佳,聚乳酸在体内过快降解除了导致cage力学强度降低外,乳酸的堆积还可导致无菌性炎症、溶骨反应。由于上述原因聚乳酸cage尚未推广使用。针对聚乳酸以上缺点本实验研究试图从两个方面提高可降解椎间融合器的力学强度和组织相容性:①向聚乳酸基质中加入增强剂—碳纳米管提高复合材料的初始强度:②添加缓冲剂—羟基磷灰石(HA)控制聚乳酸在体内的降解速度,一方面避免可降解椎间融合器力学强度过快衰减:另一方面弱碱性HA可中和聚乳酸的代谢产物—乳酸,改善复合材料的组织相容性,避免无菌性炎症反应和溶骨反应。 目的 1.研制以碳纳米管(CNTs)、羟基磷灰石(HA)、聚乳酸(PDLLA)为原料的椎间融合器。 2.观察CNTs/HA/PDLLA cage的生物力学特性。 3.体外观察复合材料的细胞毒性和组织相容性。 4.体内观察CNTs/HA/PDLLA cage的生物学性能。 研究方法 1.参考国内外同行业近几年的相关文献报道,设计可吸收椎间融合器的形状和大小,确定CNTs、HA、PDLLA的比例,把上述三种材料按照5:15:80质量比进行球磨混合,经注塑成型研制出CNTs/HA/PDLLA cage,测量其装载植骨量和植骨—终板接触面积,并与等体积的碳纤维cage比较。 2.按照国家ISO10993-1标准,对CNTs/HA/PDLLA的细胞毒性和组织相容性进行评估。选用小鼠L929细胞进行体外急性细胞毒性试验,分为阴性对照组,PDLLA组、CNTs/HA/PDLLA组和阳性对照组,用MTT法测量2、4、7天L929细胞OD值,计算相对增长率,并在倒置显微镜下观察细胞形态。在SD大鼠脊柱两侧种植PDLLA、和CNTs/HA/PDLLA试样,于1、4、12周取材,观察试样周围组织的炎症反应和纤维囊壁情况。 3.将10枚CNTs/HA/PDLLA cage和10枚PDLLA cage置于微机控制电子万能实验机进行压缩试验,测量两种椎间融合器最大抗压缩力,为初始强度,根据压力、两种cage横切面积和位移计算出弹性模量,与高分子PEEK cage进行比较。。将其碎片置于电子显微镜下观察显微结构。 4.选用8具新鲜小牛脊柱标本(L3、4),测量在正常状态的三维运动范围,摘除L3、4髓核,测量失稳状态下的运动范围,然后依次把自体髂骨块、碳纤维cage和CNT s/HA/PLLA cage植入L3、4椎间隙,依次测量上述各组三维运动范围、以及自体髂骨块,碳纤维cage和CNT s/HA/PDLLA cage的最大拔出力。 5.选用18只山羊,随机分成Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组,摘除山羊L3-4的髓核,分别植入自体髂骨、PDLLA cage CNTs/HA/PDLLA cage于手术即刻、术后4周、术后12周、术后24周照片,测量椎间高度,比较各组椎间高度变化情况;观察各组椎间融合情况。 结果 1.CNTS/HA/PDLLA cage的植骨容量为1.3cm~3,与终板的接触面积为1.18cm~2,而等体积的碳纤维cage植骨容量为1.2cm~3,与终板的接触面积为1.09cm~2。 2.CNTs/HA/PDLLA组细胞RGR均大于90%,细胞毒性Ⅰ级,种植实验1周,CNTs/HA/PDLLA、PDLLA周围均可见中性粒细胞,炎症反应Ⅳ级,未形成完整囊壁。4周,炎症反应Ⅰ级,囊壁反应Ⅳ级,12周,炎症反应、囊壁反应均Ⅰ级。 3.CNTs/HA/PDLLA cage初始最大抗压缩力为7.453±0.555KN,弹性模量为3.470±0.341GPa;PDLLA cage初始最大抗压缩力为6.004±0.368KN,弹性模量为3.24±0.286 GPa,两者初始最大抗压缩力比较差异显著(P<0.001);弹性模量比较差异不显著(P>0.05),说明CNTs/HA/PDLLA cage的最大初始抗压缩力较PDLLA cage明显提高,碳纳米管、羟基磷灰石对复合材料的弹性模量影响不大。CNTs/HA/PDLLA cage与PEEK cage比较:后者最大抗压缩力为8.359KN;弹性模量为3.570GPa,前者最大抗压缩力较后者小,但能满足胸腰椎生物力学要求(青壮年胸腰椎极限载荷为7KN,屈服载荷为3.5 KN),CNTs/HA/PDLLAcage弹性模量较PEEK cage小。 4.CNTs/HA/PDLLA cage和碳纤维cage植入失稳脊柱后,在前屈、后伸、左、右侧屈、左、右轴向旋转六个方向的运动范围较正常组减小,两组比较,差异显著(P<0.001);与碳纤维cage组比较,差异不显著(P>0.05),说明CNTs/HA/PDLLA cage植入失稳脊柱组后能恢复脊柱的即刻稳定性,其功效与碳纤维cage相当。髂骨块、CNTs/HA/PDLLA cage、和碳纤维cage最大拔出力分别为152.750±22.253KN、295.575±30.125KN、304.038±32.244KN,碳纤维cage最大拔力与CNTs/HA/PDLLA cage比较,差异不显著(P>0.05),CNTs/HA/PDLLA cage最大拔出力与髂骨块的最大拔出力大比较,差异显著(P<0.05),说明CNTs/HA/PDLLA cage植入椎间隙后比自体髂骨块稳定,与碳纤维cage一样不容易移位、脱出。 5.CNTs/HA/PDLLA cage、PDLLA cage和自体髂骨植入山羊椎间隙后三组椎间隙高度有不同程度丢失,丢失最多的为自体髂骨组,4、12、24周椎间高度丢失分别为-0.878±0.393 mm,-0.483±0.232 mm,-0.067±0.058 mm;其次为PDLLAcage组4、12、24周椎间高度丢失分别为-0.556±0.296 mm,-0.817±0.471 mm,-0.074±0.030 mm,PDLLA cage组椎间高度丢失主要集中在8-12周。CNTs/HA/PDLLA cage组椎间高度丢失最少,4、12、24周椎间高度丢失分别为:-0.441±0.233mm,-0.285±0.151 mm,-0.078±0.067mm。CNTs/HA/PDLLA cage组与PDLLA cage组比较,差异显著(P<0.05),说明CNTs/HA/PDLLA cage组植入动物体内后能更有效地防止椎间隙高度丢失、保持脊柱稳定、促进骨融合。 结论 1.在相同体积的情况下CNTs/HA/PDLLA cage能提供更大的植骨空间和植骨面积。 2.CNTs/HA/PDLLA cage具有良好的组织相容性,细胞毒性Ⅰ级,符合国家内植物标准。 3.CNTs/HA/PDLLA cage初始力学强度较PDLLA cage明显提高,能满足脊柱生物力学要求,碳纳米管增强作用显著。 4.CNTs/HA/PDLLA cage植入失稳的脊柱节段后能恢复脊柱的立刻稳定性,在椎间隙中不容易产生移位。 5.动物实验说明CNTs/HA/PDLLA cage在体内具有良好的力学强度,能有效地防止椎间隙高度丢失,并加速椎间融合,提高融合率。
【学位授予单位】:南方医科大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:R687.3

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