聚氨酯素材在脊柱手术中的利用：综述
摘要：脊柱包罗椎间盘、棘间韧带和纵韧带。那些构造的机械性能是弹性或粘弹性的，用于容许和掌握脊柱骨量元素的运动。利用金属或坚硬的聚合物安装来替代椎间盘和成立合成体来替代椎间盘和/或椎体，会改动脊柱的负荷传递特征和脊柱各节段的运动范畴。
跟着对聚合物在心理情况中的不变性的改进，聚氨酯在医学中的利用已经扩展。利用弹性素材来更接近被替代构造的机械特征并连结脊柱节段之间的运动的潜力似乎是有期看的。所讨论的安装的利用成果展现，弹性素材的那些利用已获得了初步胜利。
一、介绍
修复脊柱结缔组织部门功用的手术在缓解痛苦悲伤和恢复受伤或退行性背部疾病患者的功用方面发扬着重要感化。做为正在停止的手术的辅助素材包罗自体移植组织、异体移植组织、金属、陶瓷和聚合物。利用的聚合物包罗超高分子量聚乙烯（UHWPE）、聚醚醚酮（PEEK）和聚氨酯。聚氨酯做为聚合物的一个系列，已被引进医疗用处，因为它们具有弹性特征，能够通过改动单体单位的构成和聚合物链内差别单体块的大小来定造。表1列出了部门超高分子量聚乙烯、PEEK以及目前用于脊柱手术的部门聚氨酯的特征。能够看出，与超高分子量聚乙烯和PEEK比拟，聚氨酯的模量反映了弹性特征，而聚氨酯与超高分子量聚乙烯之间在拉伸强度、断裂伸长率和硬度方面有类似之处，但与PEEK差别。
表 1 脊柱器械中利用的选定聚合素材的典型特征比力
二、聚氨酯聚合物在医学上的利用
从汗青上看，聚氨酯不断被用于医疗范畴，在那些范畴中，素材家族的弹性特征有可能 进步它们所利用的医疗设备的胜利率或寿命。最早的利用是在心血管方面的利用，此中 乖巧性（用于泵送）、根据压力改变膨胀和收缩而不产生怠倦毛病的才能（如血管移植 物）或弯曲而不竭裂的才能（如电极导线的绝缘体）对持久胜利十分重要。固然那些用处早在1967年就获得了胜利，但到了20世纪80年代中后期，很明显，正在利用的聚 醚胺(PEU)可能具有以前未被重视的失效机造，需要进一步研究。一些研究表白，因为造造过程和植进过程在聚合物中引起的残存应力在毛病中发扬了必然感化，假设能够更大限度地削减或消弭利用过程中的残存应力和施加应力，PEU 可能是可继续的。聚酯氨基甲酸乙酯也已用于医疗利用，并发如今体内随便降解。聚酯氨基甲酸乙酯也已用于医疗利用，并发如今体内随便降解。至少有一篇论文认为，聚醚脲（PEUU）将具有更好的生物不变性和改进性能的潜力。另一项查询拜访PEUU心脏瓣膜失效的研究表白，钙化和由钙化引起的磨损在失效中起着必然的感化。研究陆续改进，使聚氨酯在利用前提下更具有生物不变性，聚碳酸酯聚氨酯（PCU）起头展现出前景。在不异前提下比力PEU和PEUU与PCU的研究中，发现PCU在生物前提下具有更好的抗降解才能。1991年，Szycher陈述了一种新的聚氨酯（PCU）的开发情状，它消弭了聚合物链中的醚毗连，在他的测试中发现它在生物情况中具有抗微裂性。在比力PEU和PCU时，Tanzi和同事同样发现，在碱性前提下停止体外测试时，PCU更不变，但PEU在酸性前提下更不变，结论是，总体而言，PCU在医疗利用中应该更不变。在凯斯西大学，利用各类手艺停止测试，并在数年内完美了比照测试中看到的成果。Mathur在笼式植进系统中比力了几种差别的聚合物配方，发现PEUU因氧化而表示出更高的降解，而PCU的降解水平更低。Wiggins利用过氧化氢和氯化钴溶液停止了体外动态测试，最后展现PEUU在较高的应变率下表示出更多的裂纹，进一步测试展现PCU在类似测试前提下表示得更好。Christenson和他的同事陆续那项工做，发现类似的体外测试成果，然后回到笼式植进系统，展现PCU的降解是因为表露在体内的附着细胞中而发作的，而且氧化降解似乎是形成那种情状的原因，并定见进一步研究PCU的生物不变性。最初，Labow警告说，PCU聚合物的硬段化学可能对生物情况的持久不变性有影响。
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PCU弹性体已被尝试性地利用于至少一个安装的关节轴承外表。该安装的临床试验正在停止，并有一些成果陈述。从临床试验的早期阶段收受接管的设备的阐发成果表白，该素材连结其做为支持外表的完全性。比力超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 和该设备中利用的 PCU 对颗粒素材（磨损产物）的生物反响的研究表白，PCU的反响比UHMWPE要温暖得多。氧化测试表白，PCU在伽马射线照射下也比UHMWPE更耐氧化。
三、正在临床测试或利用的含有聚氨酯的脊柱安装
3.1后部动态不变安装
动态不变 "那一名称似乎意味着脊柱被不变的同时，节段的运动被保留下来。许多那类安装利用弹性聚氨酯与金属部件连系，以搀扶帮助连结整个构造的乖巧性。在接下来对个别安装的讨论中能够看到，那些在美国被批准的安装只被指定用于统一程度的合成，虽然外科医生正在利用它们，至少在美国以外的处所，在供给不变的同时保留了运动，而没有合成。
01.Dynesys
该安装（脊柱动态中和系统）（Zimmer Spine, Minneapolis,MN）由椎弓根螺钉构成，椎弓根螺钉通过夹在椎弓根螺钉头部的聚酯绳毗连（图 1）。绳索包罗在 PCU 管内，紧贴在螺钉头夹之间，如许，绳索的张力或PCU的压力有助于掌握脊柱的可容许运动范畴。根据开发人员和早期用户的出书物，其企图似乎是该设备旨在在不合成的情状下利用。在美国，Dynesys 仅被批准用于合成，而且只要在实现安稳合成后才气移除该安装。停止了临床试验，以比力Dynesys无合成与后腰椎间合成安装，但Dynesys无合成利用的上市前批准申请（PMA）未获FDA批准 ，因而临床试验完毕。在两篇颁发的文章中，Kurtz 和他的同事总结了两组研究人员供给的数据，那些研究人员总共查抄了 100 多个植进时间长达五年的收受接管 Dynesys 设备，以及在他们本身的尝试室停止的长达七年的安装取出的研究。在那两篇论文中，他们都陈述说看到了 PCU 外表改变和垫片外表磨损的证据。那些改变似乎可能是水解和化学改变，裂痕延伸到外表不到100微米，但有一个案例看到裂痕从间隔件的内外表延伸到外外表。磨损和/或变形似乎发作在垫片与骨量构造或椎弓根螺钉头上的夹子接触的处所。他们陈述说，PCU中呈现的化学改变似乎与植进时间较长和存在传染有关，那将改动部分生物情况。另一项已颁发的研究评估了植进19个月后取回的安装，成果展现PCU外表有略微的化学改变，但没有证据展现任何深度的素材降解招致的化学改变。对植进时间较长的取回安装停止进一步评估，能够确定PCU在陆续承担压缩负荷和表露在生物液体中时，能否能在安装的预期利用寿命内连结其完全性。做为临床试验的一部门或在美国以外的处所，在非合成利用中利用Dynesys的外科医生发现，该手艺实现了与合成类似的不变性，并且手术过程更短，创伤更小。对临床试验中的一部门患者停止了影像学研究，以笔录所到达的不变水平和保留的运动量，结论是虽然没有合成，但在器械段发作了不变，但容许有少量运动。据报导，在某些层面零丁利用该安装并在其他层面与合成连系利用的多层面不变获得了胜利的成果，但得出的结论是需要更多的开展来确定哪些层面需要合成，哪些能够在没有合成的情状下不变。
图 1 - Dynesys® 动态不变安装
02.Transition
Transition 安装（Globus Medical, Audubon, PA）也是一种带有聚酯线的安装，它处于张力 形态，四周是PCU套筒，在压缩形态下承载负荷（图2）。它与椎弓根螺钉相连，只被 批准用于合成。文献检索没有发现那种安装设想的任何公开的临床成果或检索分 析。Paul McAfee博士在他的网页上颁发了一份早期体味陈述，他在陈述中说，6个月后，没有呈现设备毛病，没有修改，只要一次因传染而从头手术。
图 2 - TRANSITION®不变系统
03.NFix II/NFlex/NGarde
该安装（Synthes GMBH, Oberdorf, Switzerland）包罗钛合金中心杆、PCU 套筒和椎弓根螺钉，可实现脊柱节段的单层或多层不变。该安装的一端是一根实心杆，用于毗连椎弓根螺钉，另一端的曲径逐步变细，并在较小的内杆上拆有一个钛合金外衣管，它夹在两个弹性套管之间，如许套筒就会跟着运动而产生压缩负荷，在不完全限造运动的情状下不变脊柱节段。固然不清晰它能否仍在市场上销售，但它在美国被批准只用于合成，批准时要求在标签上说明不合成利用的平安性。一项对该安装在五家病院的利用成果的回忆性评估展现，该安装做为零丁的非合成不变安装或与操纵刚性固定设置装备摆设的合成节段相邻的非合成不变安装在削减痛苦悲伤和改进功用方面是有效的。据报导，该安装在美国以外的非合成利用方面有CE标记，目前在美国没有销售。
04.TOPS
TOPS（Total Posterior Spine）（图 3）安装由 Impliant公司开发，目前由以色列的 Premia Spine, Ltd. 消费和销售。它是一种固定在椎弓根螺钉上的后路脊柱安装，可限造两个相邻椎骨之间的屈/伸、轴向扭转和侧向弯曲，目标是在不合成的情状下恢复腰椎的不变性。该设备由钛和聚碳酸酯聚氨酯造成，内部金属塞子笼盖着一个 PCU 铰接核心以掌握运动，内部组件四周有一个封锁的聚氨酯膜。该设备的尝试室和早期临床成果已经公布，表白在掌握尸体和患者的运动范畴方面有临床改进。该设备目前在奥天时、德国、以色列、土耳其和英国利用，同时也在美国停止临床试验。
图 3 - TOPSTM 系统
05.PDS
PDS System（前身为PercuDyn系统）（Interventional Spine, Irvine, CA）（图 4）的功用与上述其他系统差别。它包罗一个钛螺钉和一个聚碳酸酯聚氨酯不变器（垫片），它被放置在受影响椎间盘的颅椎小面的正下方，并通过螺钉毗连到尾椎。垫片用于限造小面的伸展运动，从而可以供给程度面的部门不变性。在脊柱模仿器长进行的体外磨损研究表白，PCU组件在1000万次轮回中的磨损很小，颗粒大小次要在1-10微米范畴内。固然论文的题目表白要按期对组件停止从头称重，但因为测试设置装备摆设的原因，无法停止称重。量量缺失是通过对收受接管的颗粒停止称重，并根据已知颗粒含量的血清中的颗粒收受接管率停止调整来计算的。一项尝试室研究比力了三种前方不变系统（X-Stop、IsoBar和12 PDS），发现每种设备限造运动的体例差别，PDS设备在限造过伸方面最为有效。另一项尝试室研究也展现，该设备胜利地限造了脊柱运动，并对受影响的椎间盘停止减压。2009年起头对该设备停止临床试验，研究该设备与合成手术的连系利用。该研究被列为已末行，而且搜刮未展现任何临床试验成果的公布。其他3名患者的临床成果已经颁发，结论是该安装的微创性，加上其供给的不变性，可能使其成为脊柱手术的有用东西。2009年SAS会议上未颁发的成果认为，PDS安装在承受该安装的40名患者中得到了显著改进。
图 4 – PDS System
3.2椎间盘置换设备：
01.Bryan
BRYAN® 颈椎间盘（Medtronic Sofamor Danek，Memphis，TN）由钛、钛合金和两种差别的聚氨酯聚合物造成（图 5），并于 2009 年获准在美国销售。中心承重核心是聚碳酸酯聚氨酯，它与钛合金端板铰接。关节外表被聚醚聚氨酯护套包抄，在植进时该护套充满无菌心理盐水。
图 5 - BRYAN® 颈椎间盘系统
除了批准文件中陈述的临床前研究外，统一做者颁发的关于模仿器测试的三份陈述笔录了在尝试室前提下颠末1000万和4000万次测试后呈现的磨损量。PCU核心素材的高度改变次要回因于蠕变，每百万次测试轮回丈量到大约 1.2 mg 的量量缺失。此外，将安装植进山羊体内，并对其停止长达12个月的跟踪，然后评估安装的磨损情状，并研究四周组织能否存在磨损颗粒。在三个动物中，有一个在六个月时发现双折射颗粒，有两个在十二个月时发现双折射颗粒。在三个月时没有发现颗粒，在任何时间段都没有陈述对颗粒的炎症反响。将Simulator22 测试的安装与人类临床利用期间检索到的六个安装停止了比力。研究人员发现，基于少量的样本，临床上看察到的4-16个月的磨损与模仿器研究中看到的磨损比拟似乎是最小的，但他们提醒说，应该比及有了进一步的数据后再下结论。做出了一个初步的结论，即在模仿器中的一百万次轮回可能相当于临床利用的一年多。
在临床利用中，与该安装所用素材有关的并发症陈述很少。一篇评论文章陈述了异位骨化（HO）和关节活动度丧失的发作率增加，并列举了几种可能的原因和HO的风险因素，但似乎外科医生并没有将组织对聚醚聚氨酯或钛合金的反响纳进其病因。另一项对8年后成果的临床回忆发现，HO 的发作率为 48%，但陈述称该发作率低于其他不含聚氨酯聚合物的颈椎间盘假体的发作率。2012年一例植进8年后器械鞘管怠倦断裂，器械前有软组织肿块。该囊肿被切除，但病例陈述未做进一步阐发。
02.M6 颈椎和腰椎间盘
M6安装也是由带有PCU核心的钛造端板构成。核心由聚乙烯纤维包抄，构造被包裹在柔性护套中，其成分没有详细阐明，但可能也是聚氨酯。它由 Spinal Kinetics (Sunnyvale, CA) 造造，据报导已在墨西哥城停止临床试验研究。有颈椎版本 (M6-C) 和腰椎版本 (M6-L)，那两种版本均未获准在美国利用。在美国停止的一项 M6-C 临床试验显然已在没有招募任何患者的情状下被取缔。该设备似乎在世界其他大部门地域都有贸易赐与。对文献的搜刮没有发现任何关于那些设备的临床成果或并发症的出书物。
03.其他椎间盘置换术
有一份关于腰椎间盘置换术（Theken eDisc, Theken Disc, Akron, OH）的公开陈述，该 置换术在两块钛合金端板之间含有聚碳酸酯聚氨酯的专利配方，还通过一个带有力传感 器的自充电电子阵列向医生供给远测载荷数据。据独一已颁发的用处似乎是在狒狒身上。据报导，那种PCU在体外表示出比其他 贸易上利用的PCU聚合物更强的抗水解才能。
LP-ESP安装（FH Orthopedics, Chicago, IL）由一个聚碳酸酯聚氨酯垫（ 80A） 构成，中间是硅橡胶芯，夹在两块钛板之间。有七年临床体味的外科医生颁发 了机械测试成果和对120名病人的前瞻性研究的临床成果。他们发如今老化研究中 没有PCU生物降解的证据，并且对Oswestry残障指数停止了长达36个月的明显改进。做 者没有讨论设备的收受接管问题，假设有的话。（假设有的话）。
Freedom®腰椎间盘（图6）（Axiomed Spine Corporation, Garfield Heights,OH）由两块钛合金端板构成，在骨接触面上涂有钛珠涂层，板之间含有专有的有机硅聚碳酸酯聚氨酯。它已获得CE标记，正在英国和德国停止上市后的临床研究，在美国停止临床试验。 该设备的怠倦和磨损测试成果展现，在 2,400N 的负载下，它能够承担 5000 万次轮回，而且在 6,000N 的负载下停止 1000 万次轮回测试时没有呈现毛病。3000 万次轮回的磨损测试展现均匀量量缺失为每百万次轮回 1.7 毫克，类似于其他椎间盘假体的尝试室测试。统一篇论文还陈述了欧洲首批 50 名患者在随访两年后的临床成果。在超越 90% 的病例中，那些患者的成果被认为比术前情状有所改进，而且没有设备毛病的报导。另一种设备 Freedom® 颈椎间盘（图 7）也获得了 CE 标记，并正在德国和瑞士停止临床试验。
图 6 - Freedom® 腰椎间盘
图 7 - Freedom® 颈椎间盘
也有报导称，一种由聚碳酸酯聚氨酯造成的螺旋核置换安装 (Newcleus) 能够从曲的涂抹器平分配到往核椎间盘中，使其可以反弹成螺旋状并在插进时被切割成必然长度。据医学媒体报导，它是 Sulzer Spine-Tech 和后来的 Zimmer Spine 的产物，但除了 2002 年的初步陈述外，几乎没有可用的信息。假设椎间盘环和端板仍有功用，能够只改换椎间盘的核，而保留其余部门，那 对脊柱外科医生有吸引力，因为它更守旧，假设未来需要手术，能够保留更多的手术选 择。
3.3椎体置换
在某些患者中，例如那些患有恶性病变、椎骨骨折或塌陷的患者，外科医生可能期看用承重合成素材替代椎体，以在愈合过程中更好地连结身高。大大都用于此目标的设备都是由钛及其合金或 PEEK 造成的。大约 16 年前，有人提出了一种新的复合素材（PU-C，Biovision Biomaterial Gmbh，Ilmenau，Germany），它将聚氨酯与硅磷酸钙陶瓷填料连系在一路。第一份陈述展现，它在六个月时具有较低的界面剪切强度，但跟着原位时间的推移，复合素材的剪切强度明显更高，骨接触面积更大。对具有碳纤维加强 PEEK 毗连系统的复合素材停止的额外测试表白，能够实现更好的固定和对器械段运动的掌握，但可能取决于固定的骨骼量量。统一份出书物报导称，该设备其时已被植进 7 名患者体内。在后来的陈述中，对5名患者的研究成果停止了更详尽的讨论。那项研究中的所有患者都履历过转移性脊柱病变，那些病变被切除并用复合椎系统统取代。随访时间为 5 至 39 个月，此中 3 名患者死于疾病，1 名死于无关原因，1 名在 29 个月时仍存活。在尸检（15 个月）时取回的此中一个安装的组织学阐发展现没有炎症迹象，但几乎没有看到骨连系的证据，虽然有骨连系的放射学证据而且与早期的论文构成比照。定见进一步研究该系统，并根据他们的小型临床研究成果停止可能的修改。外科文献中似乎没有更多的近期查询拜访陈述。
四、结论
当被修复的剖解构造或被替代的功用具有弹性时，在手术中利用弹性聚合物长短常有吸引力的，因为体味表白，改动生命系统的机械性能可能招致相邻构造的重塑或负荷转移 。跟着聚合物化学的完美和设想，聚氨酯的生物不变性和机械性能得到了改进。在脊柱中，椎间盘因为其构成的胶原卵白和液体的弹性性量而发扬其需要的功用。已呈现的有关上述设备的陈述表白，那些已经到达临床利用的设备已经获得了胜利。虽固然一些收受接管 的安装有一些磨损或退化的陈述，但聚氨酯素材的整体机械和生物特征表白，迄今为行，聚氨酯不变性没有发作持久问题。利用聚氨酯在脊柱运动庇护和脊柱节段不变方面的改进已获得监管批准和临床利用，但仍需要大量研究、设想和测试才气实现那些系统的设想目标。在某些情状下，生物不变性可能仍然是持久利用的问题，以及耐磨性和抗怠倦性。固然迄今为行的成果十分令人鼓励，但对从患者身上移除的设备停止持久随访和阐发将为揣测那些立异的成果供给更大都据。继续的临床利用可能会为该行业供给改进脊柱功用的新挑战和机遇。
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