碳納米管-羥基磷灰石-聚乳酸可降解椎間融合器實(shí)驗研究.pdf

1、研究背景： 椎間融合器(cage)問世以來，脊柱融合便進(jìn)入新的時代。隨著研究深入，椎間融合器無論在材料組成還是形態(tài)結(jié)構(gòu)均處于不斷改進(jìn)和完善之中。目前椎間融合器多種多樣，根據(jù)椎間融合器的外形可分為：圓柱狀或圓錐狀椎間融合器；長方體或盒形椎間融合器；根據(jù)制作材料不同又可分為兩類：不可吸收椎間融合器和可吸收椎間融合器。盡管椎間融合器式樣不一，制作材料不同，但目的卻一致：恢復(fù)椎間高度和脊柱的解剖序列，保持脊柱的穩(wěn)定性。 早期有關(guān)

2、椎間融合器臨床療效的報道的確令人鼓舞，但隨著椎間融合器的普遍應(yīng)用、長期的隨訪觀察，與椎間融合器相關(guān)的并發(fā)癥也日益增多。一部分并發(fā)癥源于椎間融合器材料和設(shè)計缺陷，其中又以螺旋型金屬椎間融合器的并發(fā)癥最多。多項實(shí)驗研究證實(shí)：金屬材料高彈性模量、螺旋型設(shè)計是導(dǎo)致金屬螺旋型椎間融合器產(chǎn)生并發(fā)癥的主要原因：不銹鋼的彈性模量為220GPa，鈦合金椎間融合器的彈性模量約為110GPa，人體皮質(zhì)骨的彈性模量為2.4GPa，松質(zhì)骨的彈性模量僅2.1Gpa

3、。金屬椎間融合器和椎體骨較大的彈性模量差異將產(chǎn)生應(yīng)力遮擋，融合器中的植骨顆粒缺少應(yīng)力刺激，導(dǎo)致成骨緩慢，甚至假關(guān)節(jié)形成。同時應(yīng)力遮擋還可導(dǎo)致相鄰椎體骨質(zhì)疏松、融合器下沉，椎間高度丟失，嚴(yán)重者發(fā)生椎間融合器移位、脫出。金屬椎間融合器另一個重要的缺點(diǎn)是不透X線，在照片檢時融合器的顯影掩蓋骨痂的X線表現(xiàn)，導(dǎo)致融合“假象”；同時金屬異物在CT或MRI檢查中產(chǎn)生偽影，對骨愈合的正確評估產(chǎn)生干擾。 碳纖維維椎間融合器克服了金屬椎間融合器上述

4、缺點(diǎn)，但最近研究結(jié)果證實(shí)：椎間融合后期碳纖維cage與椎體間的摩擦碎屑可引起無菌炎癥，不利于椎間融合，時間較長還可導(dǎo)致周圍骨質(zhì)疏松和融合器下沉。最近人們在碳纖維椎間融合器的基礎(chǔ)上研制出聚醚醚酮(PEEK)椎間融合器，這種椎間融合器的彈性模量為3.57GPa，比碳纖維椎間融合器更接近人體椎骨彈性模量，大量臨床觀察結(jié)果證實(shí)PEEKcage不但能促進(jìn)椎間融合，同時椎間融合率較較金屬高，但作為一種高分子塑料，PEEK在人體內(nèi)不可吸收，遠(yuǎn)期并發(fā)癥

5、也有待進(jìn)一步觀察。 用聚乳酸制作的可吸收椎間融合器不但克服了金屬椎間融合器的缺點(diǎn)，又具有PEEKcage低彈性模量的優(yōu)點(diǎn)，同時聚乳酸在人體內(nèi)經(jīng)1.5～2年可徹底分解吸收，不留異物。但是可吸收材料，亦有自己的不足： ①力學(xué)強(qiáng)度欠佳，不如金屬椎間融合器、PEEKcage和碳纖維cage。 ②聚乳酸在體內(nèi)降解速度過快，在椎間融合之前其力學(xué)強(qiáng)度往往不能滿足胸腰椎脊柱載荷要求，PDLLAcage在脊柱軸向載荷作用下發(fā)生塌陷

6、、椎間高度丟失、脊柱不穩(wěn)等現(xiàn)象； ③組織相容性不佳，聚乳酸在體內(nèi)過快降解除了導(dǎo)致cage力學(xué)強(qiáng)度降低外，乳酸的堆積還可導(dǎo)致無菌性炎癥、溶骨反應(yīng)。由于上述原因聚乳酸cage尚未推廣使用。針對聚乳酸以上缺點(diǎn)本實(shí)驗研究試圖從兩個方面提高可降解椎間融合器的力學(xué)強(qiáng)度和組織相容性： ①向聚乳酸基質(zhì)中加入增強(qiáng)劑-碳納米管提高復(fù)合材料的初始強(qiáng)度； ②添加緩沖劑-羥基磷灰石(HA)控制聚乳酸在體內(nèi)的降解速度，一方面避免可降解椎間融

7、合器力學(xué)強(qiáng)度過快衰減；另一方面弱堿性HA可中和聚乳酸的代謝產(chǎn)物-乳酸，改善復(fù)合材料的組織相容性，避免無菌性炎癥反應(yīng)和溶骨反應(yīng)。 目的： 1.研制以碳納米管(CNTs)、羥基磷灰石(HA)、聚乳酸(PDLLA)為原料的椎間融合器。 2.觀察CNTs/HA/PDLLAcage的生物力學(xué)特性。 3.體外觀察復(fù)合材料的細(xì)胞毒性和組織相容性。 4.體內(nèi)觀察CNTs/HA/PDLLAcage的生物學(xué)性能。

8、 研究方法： 1.參考國內(nèi)外同行業(yè)近幾年的相關(guān)文獻(xiàn)報道，設(shè)計可吸收椎間融合器的形狀和大小，確定CNTs、HA、PDLLA的比例，把上述三種材料按照5:15:80質(zhì)量比進(jìn)行球磨混合，經(jīng)注塑成型研制出CNTs/HA/PDLLAcage，測量其裝載植骨量和植骨-終板接觸面積，并與等體積的碳纖維cage比較。 2.按照國家IS010993-1標(biāo)準(zhǔn)，對CNTs/HA/PDLLA的細(xì)胞毒性和組織相容性進(jìn)行評估。選用小鼠L929細(xì)

9、胞進(jìn)行體外急性細(xì)胞毒性試驗，分為陰性對照組，PDLLA組、CNTS/HA/PDLLA組和陽性對照組，用MTT法測量2、4、7天L929細(xì)胞OD值，計算相對增長率，并在倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞形態(tài)。在SD大鼠脊柱兩側(cè)種植PDLLA、和CNTs/HA/PDLLA試樣，于1、4、12周取材，觀察試樣周圍組織的炎癥反應(yīng)和纖維囊壁情況。 3.將10枚CNTs/HA/PDLLAcage和10枚PDLLAcage置于微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗機(jī)進(jìn)行壓縮

10、試驗，測量兩種椎間融合器最大抗壓縮力，為初始強(qiáng)度，根據(jù)壓力、兩種cage橫切面積和位移計算出彈性模量，與高分子PEEKcage進(jìn)行比較。將其碎片置于電子顯微鏡下觀察顯微結(jié)構(gòu)。 4.選用8具新鮮小牛脊柱標(biāo)本(L3、4)，測量在正常狀態(tài)的三維運(yùn)動范圍，摘除L3、4髓核，測量失穩(wěn)狀態(tài)下的運(yùn)動范圍， 5.選用18只山羊，隨機(jī)分成Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅲ組，摘除山羊L3-4的髓核， 結(jié)果： 1.CNTS/HA/PDLLAca

11、ge的植骨容量為1.3cm3，與終板的接觸面積為1.18cm2，而等體積的碳纖維cage植骨容量為1.2cm3，與終板的接觸面積為1.09cm2。 2.CNTs/HA/PDLLA組細(xì)胞RGR均大于90％，細(xì)胞毒性I級，種植實(shí)驗1周，CNTs/HA/PDLLA、PDLLA周圍均可見中性粒細(xì)胞，炎癥反應(yīng)IV級，未形成完整囊壁。4周，炎癥反應(yīng)I級，囊壁反應(yīng)IV級，12周，炎癥反應(yīng)、囊壁反應(yīng)均I級。 3.CNTs/HA/PDLL

12、Acage初始最大抗壓縮力為7.453±0.555KN，彈性模量為3.470±0.341GPa；PDLLAcage初始最大抗壓縮力為6.004±0.368KN，彈性模量為3.24±0.286GPa，兩者初始最大抗壓縮力比較差異顯著(P<0.001)； 4.CNTs/HA/PDLLAcage和碳纖維cage植入失穩(wěn)脊柱后，在前屈、后伸、左、右側(cè)屈、左、右軸向旋轉(zhuǎn)六個方向的運(yùn)動范圍較正常組減小，兩組比較，差異顯著(P<0.001)；

13、與碳纖維cage組比較，差異不顯著(P>0.05)， 5.CNTs/HA/PDLLAcage、PDLLAcage和自體髂骨植入山羊椎間隙后三組椎間隙高度有不同程度丟失，丟失最多的為自體髂骨組， 結(jié)論： 1.在相同體積的情況下CNTs/HA/PDLLAcage能提供更大的植骨空間和植骨面積。 2.CNTs/HA/PDLLAcage具有良好的組織相容性，細(xì)胞毒性I級，符合國家內(nèi)植物標(biāo)準(zhǔn)。 3.CNTs