生物植骨材料在脊柱融合术中的应用

1、生物植骨材料在脊柱融合术中的应用    【关键词】  硫酸钙    1 引言自1911年Albee与Hibbs报道第1例脊柱融合术至今近100年，各种脊柱内固定器械日新月异，大大提高了脊柱疾病的治疗成功率。然而，即使如此，融合失败及假关节的发生率仍然较高(535)，现有的手术方法完全可以达到对脊柱坚强的内固定，但始终不能完全避免融合失败的发生1。影响脊柱融合成功的因素有：(1)患者自身条件：如年龄、全身状况、营养、骨质疏松等；(2)植骨方式的选择：后外侧植骨、横突间植骨、去皮质、前路椎间植骨融合等；(3)植骨床的制

2、备；(4)植骨材料的选择。国内外学者一直寻求通过提高骨移植材料性能以提高脊柱的融合率。据统计在北美每年大约有5000,000例手术涉及骨移植，已经成为仅次于输血的第二大移植手术2。理想的骨移植材料应具备：无毒、无副作用、取材方便，价格低廉，同时具有骨形成、骨传导、骨诱导等生物活性。2 移植骨的种类目前应用于脊柱融合术的材料有自体骨、同种异体骨、异种骨、人工骨。自体骨具有与受区骨相同的骨性支架，保留有成骨细胞、细胞因子等生物活性物质且与受区组织相容性好，成骨迅速。自体骨具有骨诱导、骨传导、骨形成作用，同时还有无免疫排斥反应、安全性高的优点，因而脊柱融合术中自体骨移植是骨移植的黄金标准3。然而自体

3、骨移植存在一系列问题，如骨来源有限、术中失血增多及手术麻醉时间延长，还有一定并发症，如供区术后血肿假性动脉瘤，神经血管损伤、术后供区疼痛，取骨后供区骨折，及外观畸形4、5。而有些手术需要骨量往往比较大，自体骨移植往往不能满足充分植骨的要求6。同种异体骨移植可减少创伤，供骨量大，无自体取骨的并发症，而且形态多样(皮质骨、松质骨、去钙骨基质等)，异体骨提供支架具有骨传导作用，其中去钙基质因含骨形态发生蛋白而兼有骨诱导功能。然而同种异体骨容易诱发宿主产生免疫排异反应，而且目前临床上多采用经冷冻、冻干或化学处理的同种异体骨，其细胞成分多已坏死，自身成骨作用和骨诱导活性严重消弱，植入骨骼系统以后，仅能引

4、起纤维组织替代，形成瘢痕机械强度减弱的程度受组织相容性抗原差异大小的影响，易发生疲劳骨折，同时有可能导致交叉感染，所以目前异体骨的临床应用已经逐渐减少，甚至某些国家已经禁用。异种骨作为不同种属个体之间的骨组织移植物，是最早被研究的骨移植材料，特点是来源广泛，取材方便。避免2次手术，缩短手术时间，同时没有同种异体骨可能导致交叉感染的危险，但其免疫排斥反应严重，生物相容性差，对骨形成有阻滞作用。基于以上种种原因，人们一直在寻找其它的骨移植替代品。理想的人工骨材料应该具有良好的生物相容性，能有效的充当新骨形成的支架，并能在体内逐渐发生降解，被骨组织替代7，同时还应具有诱导临近组织间充质细胞分化为成骨

5、细胞或刺激成骨细胞加速增殖的一大类因子。3 人工骨的组成目前广泛应用的人工骨基本由支架材料和激活物组成部分还含有抗生素，支架材料主要起骨引导作用，作为一个物理支架吸附附近骨面或髓内的激活物来源于邻近骨面的种子细胞顺此支架爬行、增殖并形成新骨。激活物是在骨修复过程中提供邻近组织间充质细胞分化为成骨细胞或刺激成骨细胞加速增殖的一大类因子或药物。31 支架材料随着科技的发展，人们通过各种理化方法提取或仿制骨的有效成分用于骨修复，可大批量生产弥补骨量的不足，但这些产品不具有任何细胞或激活物等活性物质。主要分为两类：一类是无机材料以羟基磷灰石(hydroxylapatite,HA)和磷酸三钙(trica

6、lcium phosphate,TCP)及硫酸钙(calcium sulfate)为代表。优点具有较好的生物相容性，对组织无刺激，强度及塑形好，为骨修复提供良好支架。缺点是不具备骨诱导，吸收降解慢，甚至有时影响新骨的形成。另外一种是有机高分子材料，以聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚乙醇酸或两者的共聚物为代表8。优点是可以与多种不同材料复合，缺点是亲水性较低，影响细胞的黏附和分布，并在体内容易引起异物反应，而且大分子材料降解周期明显延长。32 激活物3.2.1  骨生长因子       骨生长因子是一类调控

7、细胞间信号传导的低相对分子质量蛋白或肽类物质，具有诱导间充质细胞向成骨细胞分化的活性。它包括骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、骨形成蛋白Ops和其它一些生长分化因子。1979年Urist提取出比脱钙骨基质(decalcified bone matrix,DBM)的产物命名为BMP，BMP是一种可溶的、低分子跨膜糖蛋白，在局部其对膜内成骨和软骨内成骨均有诱导作用。BMP为可溶性，仅仅在局部起作用，它与细胞膜上的特定受体结合通过第二信使将信号传导入细胞核，激活成骨细胞表型的基因，使细胞分化为成骨细胞。BMP植入人体，间充质细胞首先渗入基质中，随着基质的

8、降解，间充质细胞分化为成骨细胞并形成骨小梁，同时血管也向基质内长入。骨小梁从外周逐渐向基质长入。最后，骨小梁将整个基质取代，然后，骨小梁开始重构最后成为新骨。经放射学、组织学及生物力学证实，BMP所诱导的骨在功能上与自体骨完全一致。3.2.2 种子细胞与组织工程学       人体正常的骨修复需要靠大量骨细胞进行工作，尤其成骨细胞。其种子细胞主要是靠骨膜细胞及骨髓细胞。骨膜细胞来源有限，而骨髓细胞含有确定的骨祖细胞，而且来源充足、易采取、创伤小、故具有良好的应用前景，现成骨细胞的体外培养技术已经基本成熟。近几年提出的组织工程学的概念，

9、基本方法是体外培养分离相关细胞，后将一定量的细胞种植到具有一定空间结构的三维支架上，将此细胞支架复合物植入体内或体外继续培养，通过细胞之间的相互黏附生长，分泌基质，形成一定结构功能的细胞外器官。这种方法有明显的优点：（1）不受供区来源的限制，避免排斥反应；（2）合成组织功能好能完全替代被修复组织；（3）支架材料可根据不同需要而改变。 4 生物植材料在脊柱融合术中的应用41 脊柱融合的现状脊柱融合的目的是通过固定过度活动的节段来减轻病人的症状。1995年An等报道了自体骨与同种异体骨在相同个体中的应用经验，他们的结论是自体骨优于冷冻同种异体骨、干冻骨、自体骨与异体骨的混合物。2002年，Gibs

10、on等报道了一个随机对照实验结果，主要研究了69例行后外侧器械固定脊柱融合术患者。这个研究结果表明同种异体骨移植与自体骨的术后融合率相似。尽管同种异体骨做为自体骨的替代物在避免供体局部并发症方面有其优势，但是术后可能的感染危险性限制了它的应用。经过改善的同种异体骨的术前和术后保存和消毒技术明显损害了它的愈合能力，使得术后的融合率大大降低。以前也使用陶瓷和陶瓷混合物做为骨移植替代物。2001年Fjubayashi等进行了一个回顾性的研究。他们运用局部减压获得的碎片和HAPTCP颗粒混合物和骨条混合应用于腰椎的后外侧融合。尽管用HAPTCP形成的骨质比自体骨形成的小，但作者认为这种方法还是十分有效

11、。Zhu W等近期研究发现BMP2与BMP7混合在脊柱融合中能显著增强成骨活性。人们一直在寻找其它骨移植替代品，其中硫酸钙便是一种古老而又充满潜力的替代品。早在1892年，Dressman就应用硫酸钙填充骨缺损取得成功。众多成功的临床应用证实，硫酸钙生物相容性良好，局部可形成微酸性的生物环境，有利于血管和成骨细胞的长入，又能阻止纤维组织的长入，是一种安全有效的骨移植替代物。硫酸钙植入体内后可完全降解，组织学观察发现成骨细胞聚集在植入的硫酸钙周围，产生类骨质，但没有看到异物巨细胞反应。上世纪90年代，美国Wright医疗技术公司以硫酸钙为基质研制出新一代骨移植替代品?D?DOSTEOSET内含外

12、科手术级硫酸钙，具有高纯度晶体结构，并含有BMP。OSTEOSET晶体结构高度一致，由于它独特的成分和晶体结构，植入体内吸收速率稳定，与新骨替代相适应。内含有BMP增加其骨诱导功能。OSTEOSET不透X线，可以通过影像学检查来判断植入体内后的吸收情况。42 医用硫酸钙(OSTEOSET)在脊柱融合术中的应用Cunniingham等比较了绵羊L23、L45融合术的效果，作者将动物分为4组：单独去皮质组、自体骨植骨组、自体骨与医用硫酸钙(OSTEOSET)11混合组、单独应用医用硫酸钙(OSTEOSET)组，经过2、4个月的随访，结果证实：自体骨植骨组，自体骨与医用硫酸钙(OSTEOSET)11

13、混合组影像学及生物力学评估基本没有明显差异。Tunner等比较了自体骨植骨组，自体骨与医用硫酸钙(OSTEOSET)11混合组在狗的脊柱融合中的应用，结果证明两组在融合率上没有明显区别。2001年David I Alexander等进行了一项前瞻性的随机临床研究，对所有病例施行了椎管减压的腰椎和腰骶椎后外侧融合术，把减压骨与医用硫酸钙等体积混合植入一侧做为实验侧，另一侧植入与实验侧植入物等量的自体髂骨作为对照侧，融合术后6、12个月，分别有78、88病例的实验侧显示新骨的形成，其新骨形成率有的是对照侧的75100，也有等于或超过对照侧。总之术后6、12个月病例均见明显的新骨生长。患者有否吸烟、

14、性别、年龄、所用手术工具和植入物体积等因素对手术结果影响不明显。结论是医用硫酸钙与减压骨混合物可以做为新鲜髂骨的替代物应用于脊柱融合术中。2002年WenJer Chen等比较了医用硫酸钙颗粒(OSTEOSET)和自体骨减压混合物与新鲜髂骨在1、2个节段后外侧腰椎和腰骶椎脊柱融合术中作用。把减压骨与医用硫酸钙等体积混合植入一侧做为实验侧，另一侧植入与实验侧植入物等量的自体髂骨做为对照侧，共有40例患者行单节段后外侧融合，实验组有39例(90)，对照组有37例(925)达到单节段完全骨融合。有21例融合部位在L35水平，14例在L4S1水平，实验组有30例(857)，对照组有31例(886)达到

15、完全骨融合。比较融合骨相对大小，单节段融合术患者实验组新骨平均生成面积为638mm2。对照组为6756mm2 两节段融合者分别为：831mm2、8538mm2。应用Fisher检测，P>005，两组之间无显著差异。最后结论：医用硫酸钙颗粒(OSTEOSET)与减压骨混合物在后外侧脊柱融合术中有着与自体骨移植同样的效果，因此可以避免获取自体骨过程中发生的并发症。43 展望随着向微观世界的发展，利用纳米技术模拟人工骨，多种细胞因子的提取及其效应的研究，体外培养成骨细胞获得成功，以及利用转基因技术使基因治疗与组织工程结合，使人们较为清晰的看到了制造理想骨移植材料的希望。生物植骨材料在脊柱融合术

16、中应用的前景是乐观的。参考文献：1Samartzis D,et al.Does rigid instrumentation increase the fusion rate in onelevel anterior cervical discectomy and fusion.Spine J.2004,4(6):636-643.2Camper Y.Bone grafts and substitutes.Orthop Network，1995,6:7-9.3Schnee CL,Freese A,Ansell LV.Outcom analysis for adults with spondylol

17、isthesis treated with posterolateral fusion  and transpedicular screw fixation.J Neurosurg,1997,86:56-63.4Younger EM,Chapman MW.Morbidity at bone graft donor sites.J Orthop Trauma 1990,3:1192-1195.5Lehman TR,Spratt KF, Tozzi JE,el al. Long term followup of lower lumber fusion in patientJ.Spine,1987,12(2):97-104.6Skaggs DL,Samuelson MA,Hale JM,el al.Complications of posterior illac crest bone grafting in spine surgery in childrenJ.Spin