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可降解纯镁椎间融合器的相关实验研究及胸锁关节脱位的影像和临床研究

作　者: 李明
导　师: 张英泽; 潘进社
学　校: 河北医科大学
专　业: 外科学
关键词: 镁椎间融合器后路减压椎间融合椎弓根钉内固定生物力学可吸收材料钙磷涂层胸锁关节影像学测量脱位
分类号: R687.3
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着社会老龄化的加快,腰椎退行性疾病逐渐成为干扰人们健康和生活质量的常见疾病。腰椎退行性疾病既是一种机体自然退变的进程,也是自身保护的一个机制,随着病程的进展,逐渐影响腰椎周围的邻近结构,产生临床症状。对腰椎退行性疾病的诊治一直是骨科医师研究的热点。髓核的退变被认为是腰椎退行性疾病的起始点。随着年龄的增长,髓核的含水量和弹性降低,引起脊柱负荷重新分布,导致脊柱各个结构发生过度负载,逐渐发生退变。此外,髓核的退变引起椎间隙的变窄和髓核的突出,引起神经根管和椎间孔的狭窄,从而压迫神经根,引起腰腿疼痛等临床表现。在脊柱发生退变的伊始,脊柱周围的赘生结构可以视为机体自身调节的过程。例如：椎骨增生形成骨赘,黄韧带的肥厚和关节突的增生,可以视为是机体为增加脊柱的稳定性而新生的结构。任何事物均具有两面性,当这些退变保护性结构压迫了神经根、脊髓等结构,即可引起临床症状,干扰正常的生活。因此腰椎退行性疾病的手术治疗原则即为去除增生结构,恢复脊柱的正常排列,重建脊柱的稳定性。后路腰椎间融合术(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)自20世纪50年代被Cloward报道以来,一直被作为椎间融合的首选术式。其效果肯定,不存在争议。该术式可以直接去除增生的各个结构,进行神经根的减压,同时完成内固定,并且可以将椎间植入物最大限度地置于椎体的力学中心附近,以利融合。在去除增生的结构以后,恢复脊柱的正常序列和重建脊柱的稳定性成为了下一步的重点内容。其中,对于椎间隙的处理更是重中之重。在处理终板之后,椎间植入融合材料,可以维持椎间隙的高度,提供利于融合的力学环境。理想的融合材料应具有一定的初始强度,并具有和椎体相似的弹性模量和诱导成骨的特性,不影响观察椎间隙的成骨情况,有良好的生物相容性。自体骼骨块可满足上述的绝大部分要求。但是在应用过程中发现,应用自体髂骨块进行椎间融合,骨块的初始强度不足,不能早期承重,在骨重建和融合过程中,骨块有吸收、塌陷的现象。关于供骨区的并发症时有报道。金属cage可以有效的恢复椎间隙的高度,避免供骨区的并发症。但是由于金属cage(?)勺弹性模量过高,存在应力遮挡、下沉、移位和影响影像学观察等缺点。于是,接近椎体弹性模量的材料得以应用于制作椎间融合器,代表材料就是碳纤维材料和聚醚醚酮。这些材料所制作的椎间融合器,透光性好,其外形和终板近似。但是文献报道,在其周围有炎症细胞出现。随着工艺的发展和多学科的交叉发展,以聚乳酸为代表的可吸收性融合器应用于临床。经随访发现,可吸收聚乳酸椎间融合器可以提供即时稳定性,在椎间融合的进程中,逐步降解吸收,能提高椎间的融合率,并发症少,但其酸性代谢产物可以产生骨质溶解,对融合过程产生不利影响,且降解时间各家报道不一。继续寻找和骨的弹性模量相近,并可逐渐降解吸收的材料成为解决上述问题的关键。镁在骨科领域的应用可以追溯到1878年。纯镁具有以下特点：1、具备和骨近似的弹性模量,可避免对终板的过度切割。2、具有骨诱导性和可降解性,可以促进椎间融合的进程。3、其代谢产物对人体无害。4、文献报道有促进骨生长和神经恢复的功能。但是因为镁在体内的降解速度过快,限制了镁在骨科固定材料方面的应用。我们从以上所述椎间融合的要求和镁的特性考虑,联合中国科学院金属研究所和北京纳通医疗集团进行了两方面的研究,一是将纯镁制作为椎间融合器,将其进行钙磷涂层,控制其降解速度,探讨其在椎间融合和降解方面的行为特性。二是对胸锁关节为代表的微动关节脱位进行内固定治疗,并进行随访,确定其愈合时间和内固定的可行性研究,为镁材料在这一方面的拓展应用做准备工作。在研究过程中,我们从实验动物-山羊的脊柱影像学测量入手,设计制造了适合山羊体内使用的纯镁cage。并对纯镁cagee进行了钙磷涂层。进行了纯镁cage在体外的降解特性的观察和体外的生物力学特点的研究。经过这些研究,我们发现经钙磷涂层后的纯镁cage在生物力学和降解时间等方面可以满足椎间融合的需要。然后我们进一步经后路将纯镁cage植入了山羊的椎间,观察涂层后的纯镁cage在体内的降解特点和椎间融合的效果。在本文中逐一进行分述。第一部分山羊腰椎影像学数据的测量和纯镁cage的设计、制造目的：了解山羊腰椎各个结构的解剖参数,并进行腰椎后路椎弓根钉手术的方案,在此基础上设计、制造纯镁cage。方法：利用西门子64排螺旋CT对12只1岁龄雄性山羊(体重48-55kg,平均体重52kg)进行腰椎节段的扫描,重建。采用CT自带测量软件Syngo software version A70A分别测量椎体的高度、椎间隙高度、椎弓根的宽度、终板面积等数据。根据测量数据,利用CAD软件绘制符合山羊腰椎特点的纯镁cage制造图。结果：椎体后缘高度(VBHp)逐渐增大,到L6, VBHp可达3.32±0.14cm,L7较之缩小0.57cm。椎体前缘高度(VBHa)和椎体后缘有相似的变化趋势,至L6最大：2.78±O.0lcm。椎体后缘高于前缘。终板宽度L1至L3逐渐增大至1.92±0.03cm,L4突然减小为0.99±0.02cm,然后又逐渐增加,至L7,增加到2.53±0.02cm。终板上表面面积(EPAu)在L1为407.63±2.52mm2,L2较小,为364.24±2.64mm2,L3又变大,为393.65±2.52mm2,然后逐渐缩小,L6又复增大,至L7达最大,为464.00±3.59mm2。终板的下表面面积(EPAl)具有相似的变化趋势。椎管宽度(SCW)逐渐增宽至L7：2.61±0.19cm。椎管深度(SCD)逐渐增大,至L7增长为：1.15±0.01cm。左侧椎弓根宽度(PDWL)在L1最大,为0.70±0.03cm,逐渐增小直至L4,为0.45±0.02cm,又逐渐增大,至L6为0.62±0.02cm,L7又缩小为0.53±0.02cm。右侧椎弓根宽度(PDWR)(?)口左侧有同样的趋势,并且和左侧椎弓根宽度无统计学差异。椎弓根的外倾角度(PCA)在L1平均为42.00。,逐渐增大至L7,平均为57。,左右无统计学差异。前方椎间隙高度逐渐增大,至L6-7最大,为1.37±0.03cm,L7-S1缩小为1.27±0.04cm。后方椎间隙高度与此类似,但是小于前方高度。结论：经过测量得到了山羊腰椎各个重要结构的解剖参数,并根据这些数据,成功设计制造了纯镁cage。并且为实施手术和选择内固定器械提供了第一手资料。第二部分纯镁cage的钙磷涂层和体外降解特性目的：对纯镁cage进行钙磷涂层,控制其降解速度。并在模拟体液中测试其体外降解特性。方法：将纯镁cage放置在四水硝酸钙和磷酸二氢钠钙磷沉积液中,于70℃水浴中沉积12h。采用扫描电镜对涂层进行形貌及成分的表征。在Hank’s模拟体液中研究经过钙磷表面处理的镁的降解情况及表面活性。结果：扫描电镜图片显示：镁cage上致密地覆盖着一层多边形颗粒状钙磷晶体,涂层平整规则,和镁基体结合的很好。涂层厚度大约为23μm。采用EDS对涂层成分进行分析,结果显示涂层主要元素是Ca,P和O等元素组成。能谱上并无镁元素峰值出现,进一步说明了镁cage表面上致密地被覆着钙磷层。未经钙磷涂层的纯镁材料浸提液的pH值在第一天很快上升至11.3,说明镁基体受到严重的腐蚀。而后,出现了pH值下降趋势。与此相比,经过钙磷涂层处理的纯镁cage在浸泡第一天,pH只上升到7.8,随后,pH值以缓慢的速度增加。浸泡到第10天pH值出现下降的趋势。当浸泡到20天,较浸泡纯镁的浸泡液Ph值10.18相比,该溶液的pH值依旧保持在9.0以下。经过钙磷表面处理纯镁在Hank’s浸泡110天后,纯镁cage表面仍有致密的钙磷晶体覆盖着,表明涂层在110天后还没完全降解掉,对镁基体还有保护作用。浸泡后涂层EDS能谱分析显示,涂层的主要元素还是O,Ca和P。Ca/P原子比由浸泡前的1：1升高到1.7,接近羟基磷灰石Ca/P原子1：5。表明在Hank’s(?)容液中浸泡110天后,涂层表面可能有羟基磷灰石HA生成。结论：通过化学沉积法可以在纯镁cage表面上成功覆盖钙磷涂层。经过钙磷涂层处理的纯镁cage具有良好的抗腐蚀性能,在Hank’s浸泡110天后,涂层尚未完全降解掉,对镁cage仍有保护作用。涂层表面可能有HA生成,具有一定的生物活性。第三部分纯镁椎间融合器的体外生物力学实验目的：评价纯镁cage结合椎弓根钉固定对所固定腰椎运动阶段的影口向。方法：12具山羊的L4-L5运动阶段,随机分为3组,每组4个标本。第一组为对照组,为完整正常的标本。第二组为cage组,将标本实施标准后路加压椎弓根钉内固定,并在椎间应用纯镁cage。第三组为自体髂骨组,处理同第二组,椎间应用自体髂骨快。用夹具依次将其固定于CSS-44020生物力学试验机上,将应变片粘贴于上下位椎体的16个位点,加载至500N。应用WS3811型数字式应变仪依次测量正常组标本、cage组标本和自体髂骨组标本的各点应变值。结果：正常组：应力集中于椎体前方,前方各点位移增加明显。在三组中位移最大。cage组：各点位移轴向位移均匀增加,增加的位移最小自体髂骨组：各点位移均匀增加,增加位移较cage组大。在侧屈方向上：正常组最大,cage组最小,自体髂骨组居中。在屈曲和伸展方向上,cage组发生的位移低于正常髂骨组,但是没有统计学差异。但这两组都明显低于正常椎体组的位移。结论：山羊腰椎椎体标本垂直负荷集中在椎体的前柱。新型镁金属椎间融合器组腰椎椎体标本前方及后方的位点应变均小于正常椎体组和自体髂骨植骨组。此外,新型镁金属椎间融合器组椎体标本在同样的载荷作用下脊柱位移小于正常椎体组和自体髂骨植骨组,其生物力学稳定性良好。可以提供有效的椎间支持作用。第四部分纯镁cage山羊椎间融合、降解实验目的：了解纯镁椎间融合器在山羊椎间的降解情况和成骨情况。方法：选用12只1岁龄雄性山羊,体重48-55kg,平均体重52kg。将12只山羊随机分为2组,每组6只。第一组为纯镁融合器组：将山羊麻醉后,对L4-L5节段实施后路减压融合椎弓根内固定术。椎间融合材料采用涂层后的纯镁cage.第二组为自体髂骨组：术式同第一组,椎间融合材料使用自体髂骨块。分别于术后即刻、1周、2周、4周、8周、12周麻醉后进行CT扫描,观察降解及成骨情况。抽血监测血镁的情况。于术后3个月将动物处死,取下L4-L5节段,应用micro-CT(?)扫描成像,了解植入物的降解和融合情况,并取6个正常相应节段椎体进行对照。取心、肝、肾,和相应节段的脊髓进行切片,行光镜镜检,明确各组织是否存在病理变化。结果：在各个时相,纯镁cage组山羊和自体髂骨组山羊的血镁水平无明显差异。采用CT进行影像学观察,内固定物无松动及移位。纯镁椎间融合周围无明显产气现象,随时间增加,纯镁融合器的亮度降低,表明涂层在逐渐降解。在4周时,两组所植椎间材料周围开始成骨。Micro-CT所示：所固定椎体节段均有骨质疏松表现。两组椎间均有骨小梁通过,纯镁cage组新生骨小梁数目较少,但是成熟骨小梁较多,骨小梁粗壮。经3个月体内试验,仅初步完成了涂层的降解。Cage组的山羊心肝肾切片与自体髂骨组经光镜观察对照,无明显病理改变。心肝肾和相应节段脊髓的光镜观察,未发现病理改变。结论：经钙磷涂层的纯镁椎间融合器降解缓慢,可以诱导成骨,提供有效的椎间支撑,具有良好的生物相容性。第五部分胸锁关节脱位的影像学和临床研究目的：测量胸锁关节影像解剖学数据,制造新型接骨板,治疗胸锁关节脱位。方法：对50名健康志愿者的胸锁关节进行CT扫描成像,将其纳入本研究。胸锁关节解剖异常或者局部有损伤的患者排除本研究。扫描范围自锁骨上缘至胸骨角,在矢状面、冠状面和横断面重建CT图像。在冠状面上测量胸骨头在下外侧至上内侧方向的直径(DOSH)、锁骨切迹的长度、锁骨切迹和胸骨夹角。在矢状面上测量胸骨柄和躯干之间的夹角。在横断面测量下述指标：(1)锁骨切迹、胸骨柄和胸骨头的前后直径；(2)胸锁关节的宽度：(3)双侧锁骨之间的距离;(4)胸腔内胸骨柄及其下软组织的最小距离。根据上述测量数据设计新型接骨板治疗胸锁关节脱位或半脱位。结果：在水平断面,锁骨近端较胸骨柄高。在轴位图像上,胸骨头前后径较胸骨柄长,胸骨柄的中部较边缘部分薄。左侧胸锁关节的间距是0.84±0.24cm,右侧为0.88±0.23cm。经过胸腔内胸骨后的结构中,左侧双边无名静脉距离胸骨柄最近,此静脉距离胸骨前皮质的距离平均为2.38±0.61厘米。根据测量的结果,设计了新型的钢板,此钢板能够解剖复位脱位的胸锁关节并安全置入螺钉。结论：通过在CT图像上测量胸锁关节的正常参数,能够便于胸锁关节脱位和半脱位的治疗。新型的钢板能够安全有效的治疗胸锁关节脱位

全文目录

中文摘要  5-11
英文摘要  11-20
英文缩写  20-21
引言  21-23
第一部分山羊腰椎影像学数据的测量和纯镁cage的设计、制造  23-37
  前言  23
  材料与方法  23-24
  结果  24-26
  附图  26-29
  附表  29-31
  讨论  31-34
  小结  34-35
  参考文献  35-37
第二部分纯镁cage的钙磷涂层和体外降解特性  37-48
  前言  37
  材料与方法  37-38
  结果  38-40
  附图  40-43
  讨论  43-45
  小结  45-46
  参考文献  46-48
第三部分纯镁椎间融合器的学位论文">椎间融合器的体外生物力学实验  48-62
  前言  48
  材料与方法  48-50
  结果  50-52
  附图  52-57
  附表  57-58
  讨论  58-59
  小结  59-60
  参考文献  60-62
第四部分经后路钙磷涂层纯镁cage山羊椎间融合、降解实验  62-98
  前言  62
  材料与方法  62-64
  结果  64-67
  附图  67-78
  附表  78-79
  讨论  79-90
  小结  90-91
  参考文献  91-98
第五部分胸锁关节脱位的影像学和临床研究  98-115
  前言  98
  材料与方法  98-100
  结果  100-102
  附图  102-108
  附表  108-109
  讨论  109-112
  小结  112
  参考文献  112-115
结论  115-116
综述椎间融合器的研究进展  116-145
  参考文献  134-145
致谢  145-146
个人简历  146

可降解纯镁椎间融合器的相关实验研究及胸锁关节脱位的影像和临床研究

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