恢復脊柱結締組織部分功能的手術，對于脊柱外傷或退變患者減輕疼痛和恢復功能而言，至關重要。手術輔助材料有自體或異體組織，金屬，陶瓷和高分子聚合物。高分子聚合物包括超高分子聚氨酯(UHMWPE)，聚醚醚酮(PEEK)及聚氨酯。
作為聚合物家族的聚氨酯，由于其彈性特征而被引入醫(yī)用。可通過改變單體構成及高分子鏈不同單體而改變塊大小。下表中列出了目前脊柱手術中使用的超高分子聚氨酯，PEEK和不同聚氨酯的特性。表中可見，聚氨酯的模量反應了與超高分子聚氨酯，PEEK相比的彈性特征，與超高分子聚氨酯在牽拉強度、斷裂延伸率和硬度方面類似，而與PEEK不同。
表 脊柱裝置中采用的聚合物材料典型特征比較
醫(yī)學中聚氨酯聚合物的應用
歷史上，聚氨酯材料已用于醫(yī)學，基于其彈性可提高醫(yī)學裝置的成功或延長壽命。最早用于心血管，其壓力變化下彈性(以利泵血)，可延展和收縮而不發(fā)生疲勞失敗(如血管移植物)或可折彎而不骨折(如電極引線絕緣體)，對于長期應用很重要。
盡管最早于1967年得以應用，在上世紀80年代中后期，學者們逐漸意識到使用聚醚聚氨酯(PEU)可能存在之前未發(fā)現(xiàn)的失敗機制而需進一步研究。
研究表明，由于制造和置入中聚合物中的殘余應力，在失敗中可能發(fā)揮作用，若殘余和工作應力可最小或消除，則PEU可持續(xù)應用。聚酯聚氨酯亦用于醫(yī)療領域，體內易于降解。至少有一篇文章提示，聚醚聚氨酯脲(PEUU)具有更好的生物穩(wěn)定性及更佳使用潛力。
另一篇探討PEUU心臟瓣膜失敗的文章，提示鈣化和磨損在失敗中起部分作用。致力于使得聚氨酯更具生物穩(wěn)定性的研究持續(xù)，聚碳酸酯聚氨酯(PCU)逐漸顯示潛力。比較同樣條件下PEU，PEUU和PCU的研究表明，在生物條件下，PCU更耐降解。
1991年，Szycher 等報道了一種新的聚氨酯(a PCU)，可消除聚合物鏈中醚酯結合，在生物環(huán)境中防止微裂紋。PEU與PCU相比，Tanzi等也發(fā)現(xiàn)PCU在體外堿性環(huán)境下更穩(wěn)定，PEU在酸性環(huán)境下更穩(wěn)定，從而認為，PCU在醫(yī)療條件下更為穩(wěn)定。在凱斯西儲大學進行了多年的多種技術檢測，更新了比較結果的數(shù)據(jù)。
Mathur等比較了在融合器置入系統(tǒng)中不同聚合物特性，發(fā)現(xiàn)氧化而導致的降解中，PEUU最多;PCU最少。Wiggins等在過氧化氫和二氯化鈷溶液中進行了體外動力測試，起初發(fā)現(xiàn)PEUU在高應變率下更脆，進一步測試表明，在類似測試條件下，PCU表現(xiàn)更好。
Christenson等繼續(xù)了該研究，發(fā)現(xiàn)了相似的體外實驗結果，PCU降解的發(fā)生由于體內接觸到鄰近細胞，氧化降解作用為主要機制，而PCU生物穩(wěn)定性則需進一步研究。Labow等警示PCU多聚體的硬段化學在生物環(huán)境中長期穩(wěn)定性方面發(fā)揮作用。
聚碳酸酯聚氨酯彈性體已在體外實驗用于關節(jié)負重表面，且至少用于一種裝置。其臨床實驗也正在開展，并有結果報道。早期臨床實驗取出的裝置分析的結果提示，該材料作為負重面仍保持其完整性。在此裝置中比較UHMWPE和PCU顆粒物(磨損產物)的研究表明，對PCU的反應較UHMWPE更小。氧化測試表明，在?射線輻射下，PCU較UHMWPE更抗氧化。
臨床上正在測試或應用的包含聚氨酯的脊柱裝置
后路動態(tài)穩(wěn)定裝置
“動態(tài)穩(wěn)定”從詞語表面看，似乎暗示脊柱得以穩(wěn)定，同時該節(jié)段動度保留。很多該類裝置采用的是彈性聚氨酯聯(lián)合金屬部件以維持整體韌度。在接下來討論的每個裝置中可見，美國批準使用的裝置，僅在同節(jié)段融合時可用。而至少在美國以外，脊柱外科醫(yī)師用這些裝置提供穩(wěn)定而保持動度，不加融合。
脊柱動力中立系統(tǒng)
脊柱裝置動力中立系統(tǒng)(Dynesys)包括椎弓根釘，之間以聚酯條帶連接，聚酯條帶卡于椎弓根釘頭部(圖1)。條帶在PCU管中，緊緊置于椎弓根釘頭部卡槽中，使得條帶上的張力或PCU上的壓力幫助控制脊柱允許范圍內的活動。基于研發(fā)者和早期應用者的報道，似乎該裝置設計的意圖是用于非融合。
在美國，僅許可在融合情況下應用Dynesys，而且當牢固融合達到后即取出該裝置。比較Dynesys不融合與PLIF裝置的臨床試驗，因不融合使用Dynesys未獲美國食品藥品監(jiān)督管理局許可，而終止。在發(fā)表的2篇文章中，Kurtz等總結了兩個研究組的數(shù)據(jù)，對100多個Dynesys裝置置入5年及7年后取出進行了檢測。
他們發(fā)現(xiàn)了PCU表明變化以及表面的腐蝕，變化似乎由于水解和化學改變，裂紋延伸至表面少于100微米，有一例例外，裂紋從內表面延伸至外表面。當材料與骨性結構或椎弓根頭部卡槽接觸時，腐蝕和/或變形即發(fā)生。他們報道，PCU中的化學變化似乎和長期的置入相關，感染可改變局部的生物環(huán)境。
圖1 脊柱動態(tài)中立系統(tǒng)(Dynesys)動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)
另一項研究對置入19個月的材料進行檢測，PCU表面輕度化學變化，而材料內部均未發(fā)生化學變化。對于置入更長期的裝置取出并檢驗，可決定PCU是否能在傳到壓應力和暴露于生物液體環(huán)境中，是否能維持完整性。用Dynesys不加融合臨床試驗的或美國以外的脊柱外科醫(yī)師，發(fā)現(xiàn)該技術達到了類似融合的穩(wěn)定性，而手術時間短，損傷更小。
對參加臨床試驗的部分患者影像學研究，記錄穩(wěn)定獲得和動度保持，發(fā)現(xiàn)盡管未至融合，但獲得了穩(wěn)定，但固定節(jié)段僅少量動度存在。使用該裝置多節(jié)段穩(wěn)定，單獨使用該裝置在某些節(jié)段，其它節(jié)段聯(lián)合融合，有成功的報道。但需進一步研究確定哪些節(jié)段需要融合，哪些節(jié)段穩(wěn)定即可，不需融合。
Transition
Transition裝置亦是帶聚酯條帶的裝置，聚酯條帶提供張力，PCU袖套提供壓應力(圖2)。連接于椎弓根釘，僅被許可用于融合。文獻的搜索未見到關于此裝置臨床或取出分析結果。Paul McAfee醫(yī)生在他的個人網(wǎng)頁上發(fā)表了他的早期經驗，術后6月，無裝置失敗及翻修，僅1例因感染再手術。
圖2 Transition穩(wěn)定系統(tǒng)
NFix II/NFlex/NGarde
NFix II/NFlex/Ngarde裝置由鈦合金中央棒，PCU袖套及椎弓根螺釘組成，可實現(xiàn)脊柱單節(jié)段或多節(jié)段固定。裝置一端為連接一枚椎弓根螺釘?shù)膶嵭陌?，另一端逐漸變細，外層為鈦合金袖套，中間夾層為彈性PCU，從而使得活動時產生壓力，固定脊柱節(jié)段的同時又不完全限制動度。
盡管不明確市場上是否還在用，但明確的是美國僅用于融合，并要求在標簽上注明，不融合應用的安全性未知。五家醫(yī)院使用該裝置，用于單獨非融合固定或融合節(jié)段鄰近使用，回顧性報告表明，在減輕疼痛和改善功能上有效。據(jù)報道，在美國以外，該裝置用于非融合有歐洲認證標志，而在美國，安全性未知。
Total Posterior Spine
Total Posterior Spine裝置(圖3)屬于脊柱后路裝置，連接于椎弓根螺釘，限制相鄰節(jié)段屈曲/后伸，軸向旋轉和側方彎曲，以在非融合情況下恢復腰椎穩(wěn)定性。該裝置由鈦和PCU構成，內有PCU涂層的金屬阻隔心以控制活動，外部有聚氨酯膜包裹。
該裝置實驗室和早期臨床研究結果已發(fā)表，表明可在尸體和患者中控制動度，臨床癥狀得以改善。目前應用該裝置的國家有澳大利亞，德國，以色列，土耳其和英國。在美國正處于臨床試驗階段。
圖3 Total Posterior Spine系統(tǒng)
PDS系統(tǒng)
PDS系統(tǒng)(前稱為PercuDyn系統(tǒng))(圖4)與上述的系統(tǒng)發(fā)揮作用的方式不同。包括鈦椎弓根螺釘和PCU穩(wěn)定器(墊片)，置于受累椎間盤近端關節(jié)突之下，與尾端椎體螺釘相連。墊片阻止關節(jié)突后伸，從而提供該節(jié)段部分穩(wěn)定。
體外于脊柱模擬器上的磨損研究表明，經過超過1000萬次的循環(huán)，PCU成分磨損很輕，顆粒物直徑主要為1-10微米。盡管該文章的題目表明成分的周期性重稱重，但因測試配置，不可能稱重。
質量損失通過測量顆粒物的質量并修正為恢復率，基于已知血清中顆粒物濃度。比較三種后路穩(wěn)定系統(tǒng)(X-Stop，IsoBar和PDS)的實驗室研究表明，每種裝置限制活動方式不同，PDS裝置限制過伸最有效。另一項實驗室研究亦表明，該裝置可有效限制脊柱運動及對椎間盤壓迫實現(xiàn)減壓。
2009年開始對該裝置的一項臨床試驗，研究了聯(lián)合融合使用該裝置，該研究最終終止，未搜索到該臨床試驗的文章發(fā)表。另一項三個病人的臨床結果表明，該裝置具有的微創(chuàng)性及提供的穩(wěn)定性，使之成為脊柱外科的實用工具。2009年脊柱成形協(xié)會會議上未發(fā)表的報道，40例使用PDS裝置的患者，臨床療效改善明顯。
圖4 PDS系統(tǒng)
椎間盤置換裝置
Bryan
頸椎Bryan人工椎間盤由鈦、鈦合金及兩種不同的聚氨酯構成(圖5)，2009年允許在美國銷售。該人工椎間盤中央負重核心為PCU，與鈦合金終板構成關節(jié)。關節(jié)表面包裹聚氨酯鞘，置入時注入無菌鹽水。許可文件中注明PCU為Bionate-S，聚氨酯鞘為Biospan-S，與聚合物提供者的數(shù)據(jù)表不完全匹配，或可反映出數(shù)據(jù)表中提到的SME或SAME末端或表面修正技術。
圖5 Bryan頸椎人工椎間盤
除了許可文件中的前期臨床研究外，源于同一主要研究者的三篇模擬測試，記錄了經1000萬到4000萬次循環(huán)測試，磨損量的數(shù)值。PCU核心材料高度的喪失，首先歸因于蠕變，每百萬個循環(huán)產生1.2mg的質量喪失。另外，將人工椎間盤置入山羊后，隨訪12月，對周圍組織內的顆粒物進行研究以評估磨損。
術后半年，3只山羊中，1只山羊人工椎間盤周圍組織中檢測到雙折射顆粒，術后1年，2只山羊檢測到。術后3月時，未發(fā)現(xiàn)顆粒，任何時間點均未見炎癥反應。
模擬測試裝置與人臨床應用后取出的裝置進行了對比，研究者發(fā)現(xiàn)，4-16月發(fā)現(xiàn)磨損，患者樣本量小，與模擬測試的磨損相比，磨損很小。但在獲得進一步數(shù)據(jù)前，還是應該引起注意。作者提出刺激器100萬次循環(huán)，或相當于臨床使用1年多。
臨床應用中，關于該裝置并發(fā)癥的報道很少。有篇文獻綜述報道了人工椎間盤置入后，異位骨化和關節(jié)活動喪失，并引用了異位骨化的可能原因和危險因素。但對于脊柱外科醫(yī)生而言，并不意味著聚醚聚氨酯和鈦合金為病因。
另一項術后8年的文獻綜述，發(fā)現(xiàn)異位骨化發(fā)生率為48%，較其它頸椎人工椎間盤發(fā)生率低，且不包含聚醚聚氨酯。2012年，在一個置入該裝置8年后，假體疲勞骨折的病例，該裝置前方有一軟組織包塊，切除后該個案報道中未作進一步描述。
頸腰椎人工椎間盤M6
人工椎間盤M6亦由鈦合金終板和PCU芯組成。芯周圍為聚氨酯纖維，外裹彈性鞘，其構成成分未界定，可能是聚氨酯。具有頸椎人工椎間盤M6-C和腰椎人工椎間盤M6-L兩種，均未在美國獲準使用。在美國開展的M6-C的臨床試驗已取消，未招募到患者。在世界很多國家該裝置有銷售。文獻檢索未找到任何關于該裝置的臨床結果或并發(fā)癥報道。
其它人工椎間盤
一篇發(fā)表的文章報道了腰椎人工椎間盤，其鈦合金終板間PCU為專利配方，亦配備了帶力學傳導器的自充電電子數(shù)組，可提供給醫(yī)生遙測負荷數(shù)據(jù)。發(fā)表的應用僅限于狒狒。據(jù)報道，其PCU較其它醫(yī)用商業(yè)PCU聚合物在體外更耐水解。
美國LP-ESP裝置，在鈦合金終板間為聚碳酸酯緩沖，芯為硅酸膠。具有7年臨床經驗的醫(yī)生，發(fā)表了關于此裝置120例患者的力學測試和臨床結果的前瞻性研究報道，隨訪36月，未發(fā)現(xiàn)PCU的生物降解，Oswestry殘障指數(shù)明顯改善。該文作者未報道裝置取出情況。
Freedom腰椎人工椎間盤(圖6)，鈦合金終板與骨接觸面具有鈦珠涂層，終板間為具有專利的PCU芯。已獲得歐盟認證商標，在英國和德國正進行市場后期臨床研究，在美國正進行臨床試驗。該裝置疲勞和磨損測試結果表明，2400N載荷，5000萬次循環(huán)仍完好，6000N載荷下1000萬次循環(huán)亦未破損。
磨損測試至3000萬次循環(huán)，每1百萬循環(huán)產生1.7mg的質量喪失，類似于其它椎間盤假體的實驗室測試結果。該文章也報道了歐洲的前50個患者隨訪2年的結果，90%的患者較術前改善，未見假體失敗。另一個頸椎裝置Freedom頸椎人工椎間盤(圖7)，也獲得了歐盟認證商標，正在德國和瑞士進行臨床試驗。
圖6 Freedom腰椎人工椎間盤
圖7 Freedom頸椎人工椎間盤
也有螺旋髓核置換裝置，稱作“Newcleus”，由PCU制成，以直持取器置入椎間盤，置入后可彈回螺旋形，亦可實現(xiàn)置入時切割成合適長度。除了最初2002的報道外，能獲取的信息很少。僅置換椎間盤髓核而保留剩余結構的可能性，如果軟骨終板和纖維環(huán)完好有功能，對于脊柱外科醫(yī)生而言，很有吸引力。因為這樣相對保守的療法，如果以后需手術，保留了更多的手術選擇機會。
椎體置換
對某些病例，如惡性病變，椎體骨折或塌陷，手術醫(yī)師可能希望以可負荷的人工材料置換椎體，以在愈合時更好的維持椎體高度。為此目的設計的裝置多為鈦或鈦合金或PEEK。約16年前，德國公司提出了新的構成材料：聚氨酯復合鈣硅磷酸鹽陶瓷填充物。
第一份報道表明，在原位，6月時界面抗剪強度低，但隨著時間推移，與骨界面增大，抗剪強度明顯增高。將該材料以碳纖維加強的PEEK附件系統(tǒng)復合后測試，于固定節(jié)段可實現(xiàn)固定和控制活動增強，但取決于固定骨的質量。該文章還報道當時已將該裝置用于7例患者。
該研究中5名患者的結果在后續(xù)報道中進行了詳細描述。該研究中所有患者均為脊柱惡性病變，進行了切除，并以人工復合椎體系統(tǒng)進行重建。隨訪時間5個月到39個月，其中3例患者死于原發(fā)病，1例死于其它原因，1例29個月時仍存活。
對尸檢時取出的一個假體進行組織學分析未見炎性跡象，可見骨吸收的少許跡象，盡管影像資料提示骨連接，與早期文章結果相反。由于臨床樣本量小，作者建議對該假體系統(tǒng)加以改進并進一步研究。在后續(xù)文獻中未見更多的研究報道。
結論
手術中使用彈性聚合物修復本為彈性性質的組織結構或恢復組織功能，很有吸引力。經驗表明，改變活體內機械表現(xiàn)可導致鄰近結構的重建或負荷傳遞。隨著聚合物的化學特性的完善和設計，聚氨酯的生物穩(wěn)定性和力學表現(xiàn)也得以改善。脊柱椎間盤發(fā)揮其功能，基于椎間盤本身含有膠原和液體而具有的彈性。
本文之前談到的獲得臨床應用的不同裝置的報道，取得了成功。盡管取出裝置有磨損或降解的報道，聚氨酯材料總體力學和生物特性表明，至今為止，聚氨酯長期穩(wěn)定性沒問題。采用聚氨酯保留脊柱動度和脊柱固定節(jié)段的穩(wěn)定性方面的完善，已獲得法規(guī)許可和臨床應用，但仍需大量研究，設計和測試，以達到設計這些裝置的目的。
在某些情況，長期應用生物穩(wěn)定性仍是個問題，存在磨損和疲勞。盡管迄今為止的報道令人鼓舞，長期隨訪及患者體內取出裝置的分析，將提供數(shù)據(jù)以預測這些革新的結果。持續(xù)臨床應用可給相關工業(yè)提供改善脊柱功能的新挑戰(zhàn)和機會。
