纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎体修复前路颈椎骨折的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.03.017

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

人工椎体：作为一类有效的椎体替代物在临床上得到广泛应用，有效恢复脊柱的生理解剖结构，其材料各异，有异体骨、陶瓷、金属等，选用应根据病变性质而不同。特点为：①既具有术后即刻稳定性，又兼顾长期稳定性，最好能与椎体形成永久骨性融合。②能充分恢复椎体的高度。③植入方便。④材料方面既要有良好的生物相容性，又应有较好的抗疲劳性能，在达到骨性融合前提供安全可靠的稳定性，又不影响MR检查。
羟基磷灰石：广泛存在于人体和动物正常硬组织中，如骨骼、牙齿等，同时也存在于人体的一些病态组织(如脑结石、尿路结石、扁桃体结石等)中。存在于自然骨中的磷灰石称为骨磷灰石。骨磷灰石是骨基质主要的无机成分，主要以晶体结构不完善的羟基磷灰石形式存在，其晶体为纳米级；而骨基质的主要有机成分为胶原。自然骨通过非常复杂的方式巧妙地将有机骨基质结构和无机骨盐框架结构互相紧密地结合起来，在人体中实现生物力学上的要求。

背景：纳米羟基磷灰石晶体在形态、尺寸、组成、结构和结晶度上与人骨羟基磷灰石晶体高度类似，其弹性模量与人体皮质骨相近，且具有良好的骨传导性、生物相容性、生物活性、更高的强度和韧性，因此纳米羟基磷灰石在医学领域的应用也日益广泛。

目的：评价纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎体在治疗颈椎骨折中的前柱重建的初期疗效。

方法：对78例四川医科大学附属第一医院脊柱外科颈椎骨折合并四肢瘫痪患者采用颈椎前路椎体次全切减压、植骨及纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎体内固定。

结果与结论：①所有患者均顺利完成手术，其中67例患者完成随访，X射线机MRI随访4-39个月，植入物无明显移位，颈椎生理序列及重建的椎体高度丢失少，内固定后脊髓功能有不同程度恢复。②结果提示纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎体应用于颈椎骨折前路手术可增大植骨融合面积，减少局部压强，防止植入体松动及下沉，有早期支撑稳定功能，可有效维持颈椎生理序列和椎间高度；内固定后植骨融合率高，便于用X射线片观察且不影响MRI扫描对脊髓的信号观察。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

ORCID: 0000-0001-9507-9433(王高举)

关键词: 生物材料, 纳米材料, 颈椎骨折, 人工椎体, 颈椎前路, 临床效果, 随访, JOA评分, 并发症

Abstract:

BACKGROUND: Nano-hydroxyapatite crystals are highly similar to human bone hydroxyapatite crystals in the shape, size, component, structure and crystallinity, and have an analogous elasticity modulus compared with human cortical bone. The application of nano-hydroxyapatite is increasingly widespread in medical field because
of excellent osteoconduction, biocompatibility, bioactivity and high strength and toughness.
OBJECTIVE: To evaluate the primary efficacy of nano-hydroxyapatite/polyamide 66 composite bioactive artificial vertebral body for anterior column reconstruction in cervical vertebral fractures.
METHODS: A total of 78 patients with cervical vertebral fracture combined with quadriplegia admitted at the Department of Spine Surgery, the First Affiliated Hospital of Sichuan Medical University in China underwent anterior cervical corpectomy decompression, bone grafting and nano-hydroxyapatite/polyamide 66 composite bioactive artificial vertebral body fixation.
RESULTS AND CONCLUSION: The surgery was sucessful in all patients. Totally 67 patients were followed up. During the follow-up of 4-39 months, X-ray and MRI examinations showed no obvious displacement of the implants, and less loss of cervical physiological sequence and vertebral body height. The spinal function recovered to varying degrees after internal fixation. These results suggest that the application of nano-hydroxyapatite/ polyamide 66 composite bioactive artificial vertebral body in anterior cervical vertebral fractures can increase the area of bone graft fusion, decrease local intensity of pressure and prevent the loosening and sinking of the implants. The initial supporting and stability can effectively maintain cervical physiological sequence and intervertebral height. The bone graft fusion is higher after the internal fixation. It is easy for the X-ray observation, and meanwhile, there is no influence on the MRI scanning for observation of signals of the spinal cord.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

王高举，王清，杨进，王松，钟德君，徐双. 纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎体修复前路颈椎骨折的应用[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(3): 397-401.

Wang Gao-ju, Wang Qing, Yang Jin, Wang Song, Zhong De-jun, Xu Shuang . Nano-hydroxyapatite/polyamide 66 composite vertebrae repair anterior cervical vertebral fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(3): 397-401.

图/表（结果） 2

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引言

材料方法

1.1 设计回顾性病例分析。

1.2 时间及地点试验于2010年1月至2015年1月在四川医科大学附属第一医院脊柱外科完成。

1.3 对象收集2010年1月至2015年1月在四川医科大学附属第一医院脊柱外科收治的颈椎骨折合并四肢瘫痪患者。

纳入标准：①年龄18-75岁。②颈椎骨折需行颈椎前路支撑融合者。③单椎体次全切需要椎间植骨融合患者。

排除标准：①体质量指数≥28 kg/m²。②合并局部或全身感染者。③严重的肝、肾、脑、心血管、呼吸和内分泌等系统疾病，不能承受手术者。④施术椎节有感染者。⑤已知的对内植物成分有过敏者。⑥骨质疏松症，骨密度T值≤-2.5。⑦1年内有酗酒、或吸烟≥40支/d或药物滥用者。⑧单节段的椎间植骨融合及2个椎体及多椎体次全切椎间植骨融合者。

剔除标准：对已被选入本临床研究，属于以下情况之一者，作为剔除病例。①不符合纳入标准，或符合排除标准者。②无任何记录者。

脱落标准：对已被选入本临床研究，属于以下情况之一者，作为脱落病例。①受试者依从性差。②使用其他影响耐受性判断的药物。③受试者不愿意继续进行临床试验，向主管医生提出退出者。

最终纳入颈椎骨折合并四肢瘫痪患者行颈椎前路椎体次全切减压、植骨内固定且支撑体采用纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎体行78例，新鲜骨折69例，陈旧性骨折伴颈椎后凸畸形9例。具体情况见表1。

1.4 材料纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎体购自四川国纳科技有限公司，常用人工椎体规格NNBD/40B/13×5×18-27，呈圆柱状，中空直径3-12 mm，管壁厚度3 mm，体壁孔径为2 mm。固定物为美国美敦力枢发莫公司的前路钛钉板系统，系钛合金材料。

1.5 方法

1.5.1 内固定治疗内固定前行气管推移训练并禁烟，常规行颅骨牵引。口腔气管插管或经鼻插管全麻。患者取仰卧位，肩下垫薄枕，颈部稍后伸，术前常规行C臂透视并与麻醉前对比分析椎间隙有无明显变化，根据术前影像学资料决定行右颈前横行切口或斜切口，沿内脏鞘和动脉鞘之间钝性分离，显露颈前筋膜，向两侧游离椎体附着处的颈长肌、前纵韧带及骨膜，显露骨折椎体及其相邻椎间盘及上、下半个正常椎体。C臂机准确定位后，切除相应阶段的椎间盘直至后纵韧带。切除所有椎间盘组织包括终板软骨。使用咬骨钳并在冲洗下用高速磨钻在钩椎关节之间对称性的磨除骨质，形成一个长方形的减压槽，为使脊髓减压完全，减压槽宽度应达到16 mm，但两侧切忌超过钩椎关节。减压满意后，撑开器作适度的撑开复位，手术中需要检查颈椎的硬脊膜的紧张度。彻底止血，取合适长度的纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合人工椎体植入减压后的长方形的骨槽内。在C臂X射线机监视下选择一适当长度的限制性或半限制性钛板内固定与相邻上下椎体。

1.5.2 术后处理内固定后放入引流条1根，48 h后拔出。常规预防感染并脱水3 d。切口5-7 d拆线，内固定后第2天鼓励患者下床活动并佩戴颈围领保护3个月，并行颈肌功能训练。同时鼓励患者深呼吸、吹气球等预防肺不张，行四肢功能训练防止深静脉血栓形成，定期复查电解质，预防并治疗恶性低钠血症。

1.5.3 影像学测量以骨折椎体为中心，行颈椎正、侧位X射线片，分别测量颈椎曲度和椎间隙高度变化情况。①颈椎曲度采用Cobb角四线法评价^[5]：直接做C₂C₇下终板的延长线，相交所得的锐角即C₂-C₇ Cobb角(图1)。两延长线相交所成的锐角在颈椎背侧则角度为正，为前凸；若相交于腹侧则角度为负，则反曲。②融合节段的椎间高度：为减小误差，以融合椎间相邻椎体的上下缘间距间接表示，即伤椎上位椎体上终板与下位椎体下终板之间距离的变化间接反映椎间高度的变化。

1.5.4 临床效果评价以日本矫形外科学会(Japan Orthopaedic Association，JOA)17分标准衡量神经功能，JOA改善率=(术后评分-术前评分)/(17-术前评分) ×100%^[6]。

1.5.5 植骨融合情况参照Brantigan^[7]椎间融合分级的方法评定。依据患者影像学资料，分级为D、E视为成功融合，分级为A、B、C视为不融合。

1.6 主要观察指标内固定前、内固定后即刻、内固定后3个月及末次随访时患者的颈椎曲度、融合节段的椎间高度、植骨融合情况及神经功能改善情况。

1.7 统计学分析统计学处理采用SPSS 11.5统计学软件对所测数据进行统计学处理，对患者不同时间点的椎间高度、颈椎Cobb角、JOA评分行单因素方差分析，组间两两比较行Q 检验，计量资料采用t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

颈椎骨折时，颈椎的稳定性丧失，易伴发脱位和脊髓损伤，多需要手术治疗。目前颈椎前路减压、植骨融合、内固定已经成为经典的手术方式，其中植骨重建材料包括自体髂骨植入、同种异体骨移植、钛网等。经典取髂骨支撑植骨可以导致取骨区发生疼痛、血肿、感染、神经损伤等多种并发症，甚至有些患者不能耐受。同种异体骨移植植入体内后提供新骨生长的支架，经过冷冻、冻干或化学方法处理，消除了部分抗原性，但仍然存在来源不足、传播艾滋病、疯牛病等疾病、抗原性消除不确定以及力学强度不足等缺陷。钛网结合自体骨移植在颈椎前路手术后随访单节段融合率接近100%，但是钛网的应力遮挡及其与终板的接触为点接触，晚期容易引起终板的塌陷、钛网的下沉，造成颈椎手术纠正度的丢失，部分患者可引起神经症状，加速临近节段的退变，所以钛网的应用具有一定的局限性^[8-13]。

3.1 多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺66人工椎体支撑体的生物特性多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺66具有骨胶原类似的结构，生物相容性良好，前期动物试验表明纳米羟基磷灰石/聚酰胺66在动物体内的急慢性毒性反应为无毒^[14]，该材料埋置动物体内后复查血常规、血沉、C反应蛋白及血生化指标无明显变化，病理组织切片示材料周围的包裹组织符合一般炎症变化转归规律；不同浓度的材料浸提液的体内、体外毒性实验低于标准规定。本试验中患者未出现特殊不适，内固定前后血常规、血沉、C反应蛋白及血生化指标差异无显著性意义，提示纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合材料具有良好生物安全性及相容性。生物力学试验证明纳米羟基磷灰石/聚酰胺66弹性模量与骨接近，既满足支撑的强度，同时又减少椎体下沉的发生，动物实验表明纳米羟基磷灰石/聚酰胺66人工椎体支撑体植入体内能够在其表面形成片状和针状的磷灰石晶体层，桥联植入材料和受体骨间的界面，两者发生紧密键性结合，表明复合材料具有优良的生物活性^[15]。将致密及网孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺66材料用于修复兔挠骨缺损，显示出该材料具有良好的成骨能力^[16]。本试验结果显示，该纳米羟基磷灰石/聚酰胺66人工椎体支撑体可与上下相邻椎体及椎体开槽残留椎体周围骨质发生紧密连接，患者内固定后3-6个月随访时均出现植骨融合。

3.2 在颈椎骨折中应用的优越性颈椎骨折前路减压后采用多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺66(人工椎体重建颈椎稳定性具有以下优势：①人工椎体上下面成角且为管状、中空的柱形结构，置入后可与颈椎力线重合，恢复颈椎的生理弯曲，中空结构可植入自体颈椎骨折椎体骨粒，植骨融合率高，本试验中患者随访结果为100%；并且可以有效的恢复了颈椎曲度；可为神经恢复提供了有利条件，JOA评分明显增加，并且在末次随访过程中部分患者的神经功能仍旧有部分恢复。②人工椎体壁厚5 mm且上下端为齿状突起，与椎体终板为面面结合，减少了应力遮挡及支撑体和终板间的压强，终板塌陷、人工椎体下沉移位少见；本试验中患者的椎体高度无明显变化(P > 0.05)。③人工椎体具有透X射线的性能，这使得在随访过程中便于观察植骨融合的情况，在临床应用中有独特的优点。

因此，纳米羟基磷灰石/聚酰胺66人工椎体在颈椎骨折前路手术中能够提供足够力学支撑强度和促进最终融合稳定，并且移位、下沉发生率低，加上其已经证实的生物安全性和生物相容性，是一种理想的植骨支撑材料。但是人工椎体的远期疗效还需要更大病例数、更远期的随访观察来证实。

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