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(gòu)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(shù)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(yīng)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(qiáng)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(xué)中聚氨酯聚合物的應(yīng)用
歷史上，聚氨酯材料已用于醫(yī)學(xué),，基于其彈性可提高醫(yī)學(xué)裝置的成功或延長(zhǎng)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?。ㄈ缪芤浦参铮┗蚩烧蹚澏还钦郏ㄈ珉姌O引線絕緣體），對(duì)于長(zhǎng)期應(yīng)用很重要,。
盡管最早于 1967 年得以應(yīng)用,，在上世紀(jì) 80 年代中后期，學(xué)者們逐漸意識(shí)到使用聚醚聚氨酯（PEU）可能存在之前未發(fā)現(xiàn)的失敗機(jī)制而需進(jìn)一步研究,。
研究表明,，由于制造和置入中聚合物中的殘余應(yīng)力，在失敗中可能發(fā)揮作用,，若殘余和工作應(yīng)力可最小或消除,，則 PEU 可持續(xù)應(yīng)用。聚酯聚氨酯亦用于醫(yī)療領(lǐng)域,，體內(nèi)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(bào)道了一種新的聚氨酯（a PCU）,，可消除聚合物鏈中醚酯結(jié)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(rèn)為，PCU 在醫(yī)療條件下更為穩(wěn)定,。在凱斯西儲(chǔ)大學(xué)進(jìn)行了多年的多種技術(shù)檢測(cè),，更新了比較結(jié)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(dǎo)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(jìn)行了體外動(dòng)力測(cè)試,，起初發(fā)現(xiàn) PEUU 在高應(yīng)變率下更脆,，進(jìn)一步測(cè)試表明，在類似測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果,，PCU 降解的發(fā)生由于體內(nèi)接觸到鄰近細(xì)胞,，氧化降解作用為主要機(jī)制，而 PCU 生物穩(wěn)定性則需進(jìn)一步研究,。Labow 等警示 PCU 多聚體的硬段化學(xué)在生物環(huán)境中長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)用于關(guān)節(jié)負(fù)重表面，且至少用于一種裝置,。其臨床實(shí)驗(yàn)也正在開展,，并有結(jié)果報(bào)道。早期臨床實(shí)驗(yàn)取出的裝置分析的結(jié)果提示,，該材料作為負(fù)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(chǎn)物）的研究表明，對(duì) PCU 的反應(yīng)較 UHMWPE 更小,。氧化測(cè)試表明,，在?射線輻射下，PCU 較 UHMWPE 更抗氧化,。
臨床上正在測(cè)試或應(yīng)用的包含聚氨酯的脊柱裝置
后路動(dòng)態(tài)穩(wěn)定裝置
“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”從詞語表面看,，似乎暗示脊柱得以穩(wěn)定，同時(shí)該節(jié)段動(dòng)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(gè)裝置中可見，美國(guó)批準(zhǔn)使用的裝置,，僅在同節(jié)段融合時(shí)可用,。而至少在美國(guó)以外，脊柱外科醫(yī)師用這些裝置提供穩(wěn)定而保持動(dòng)度,，不加融合,。
脊柱動(dòng)力中立系統(tǒng)
脊柱裝置動(dòng)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(nèi)的活動(dòng),?；谘邪l(fā)者和早期應(yīng)用者的報(bào)道，似乎該裝置設(shè)計(jì)的意圖是用于非融合,。
在美國(guó),，僅許可在融合情況下應(yīng)用 Dynesys，而且當(dāng)牢固融合達(dá)到后即取出該裝置,。比較 Dynesys 不融合與 PLIF 裝置的臨床試驗(yàn),，因不融合使用 Dynesys 未獲美國(guó)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(jié)了兩個(gè)研究組的數(shù)據(jù)，對(duì) 100 多個(gè) Dynesys 裝置置入 5 年及 7 年后取出進(jìn)行了檢測(cè),。
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(xué)改變，裂紋延伸至表面少于 100 微米,，有一例例外,，裂紋從內(nèi)表面延伸至外表面。當(dāng)材料與骨性結(jié)構(gòu)或椎弓根頭部卡槽接觸時(shí),，腐蝕和 / 或變形即發(fā)生,。他們報(bào)道，PCU 中的化學(xué)變化似乎和長(zhǎng)期的置入相關(guān),，感染可改變局部的生物環(huán)境,。
圖 1 脊柱動(dòng)態(tài)中立系統(tǒng)（Dynesys）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)
另一項(xiàng)研究對(duì)置入 19 個(gè)月的材料進(jìn)行檢測(cè)，PCU 表面輕度化學(xué)變化,，而材料內(nèi)部均未發(fā)生化學(xué)變化,。對(duì)于置入更長(zhǎng)期的裝置取出并檢驗(yàn)，可決定 PCU 是否能在傳到壓應(yīng)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(yàn)的或美國(guó)以外的脊柱外科醫(yī)師，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)達(dá)到了類似融合的穩(wěn)定性,，而手術(shù)時(shí)間短,，損傷更小。
對(duì)參加臨床試驗(yàn)的部分患者影像學(xué)研究,，記錄穩(wěn)定獲得和動(dòng)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(dòng)度存在,。使用該裝置多節(jié)段穩(wěn)定,，單獨(dú)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(bào)道。但需進(jìn)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(yīng)力（圖 2）。連接于椎弓根釘,，僅被許可用于融合,。文獻(xiàn)的搜索未見到關(guān)于此裝置臨床或取出分析結(jié)果。Paul McAfee 醫(yī)生在他的個(gè)人網(wǎng)頁上發(fā)表了他的早期經(jīng)驗(yàn),，術(shù)后 6 月,，無裝置失敗及翻修，僅 1 例因感染再手術(shù),。
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(shí)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?shí)心棒,，另一端逐漸變細(xì)，外層為鈦合金袖套,，中間夾層為彈性 PCU,，從而使得活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生壓力，固定脊柱節(jié)段的同時(shí)又不完全限制動(dòng)度,。
盡管不明確市場(chǎng)上是否還在用,，但明確的是美國(guó)僅用于融合，并要求在標(biāo)簽上注明,，不融合應(yīng)用的安全性未知,。五家醫(yī)院使用該裝置，用于單獨(dú)非融合固定或融合節(jié)段鄰近使用,，回顧性報(bào)告表明,，在減輕疼痛和改善功能上有效。據(jù)報(bào)道,，在美國(guó)以外,，該裝置用于非融合有歐洲認(rèn)證標(biāo)志,，而在美國(guó)，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(zhuǎn)和側(cè)方彎曲,，以在非融合情況下恢復(fù)腰椎穩(wěn)定性。該裝置由鈦和 PCU 構(gòu)成,，內(nèi)有 PCU 涂層的金屬阻隔心以控制活動(dòng),，外部有聚氨酯膜包裹。
該裝置實(shí)驗(yàn)室和早期臨床研究結(jié)果已發(fā)表,，表明可在尸體和患者中控制動(dòng)度,，臨床癥狀得以改善。目前應(yīng)用該裝置的國(guó)家有澳大利亞,，德國(guó),，以色列，土耳其和英國(guó),。在美國(guó)正處于臨床試驗(yàn)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?zhàn)倒葆敽?PCU 穩(wěn)定器（墊片）,，置于受累椎間盤近端關(guān)節(jié)突之下,，與尾端椎體螺釘相連。墊片阻止關(guān)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(jīng)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(cè)試配置,，不可能稱重。
質(zhì)量損失通過測(cè)量顆粒物的質(zhì)量并修正為恢復(fù)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(shí)驗(yàn)室研究表明,，每種裝置限制活動(dòng)方式不同,，PDS 裝置限制過伸最有效。另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室研究亦表明,，該裝置可有效限制脊柱運(yùn)動(dòng)及對(duì)椎間盤壓迫實(shí)現(xiàn)減壓,。
2009 年開始對(duì)該裝置的一項(xiàng)臨床試驗(yàn),，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(yàn)的文章發(fā)表,。另一項(xiàng)三個(gè)病人的臨床結(jié)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(shí)用工具,。2009 年脊柱成形協(xié)會(huì)會(huì)議上未發(fā)表的報(bào)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(gòu)成（圖 5）,，2009 年允許在美國(guó)銷售。該人工椎間盤中央負(fù)重核心為 PCU,，與鈦合金終板構(gòu)成關(guān)節(jié),。關(guān)節(jié)表面包裹聚氨酯鞘，置入時(shí)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(shù),。
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(cè)試,，記錄了經(jīng) 1000 萬到 4000 萬次循環(huán)測(cè)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(gè)循環(huán)產(chǎn)生 1.2mg 的質(zhì)量喪失。另外,，將人工椎間盤置入山羊后,，隨訪 12 月，對(duì)周圍組織內(nèi)的顆粒物進(jìn)行研究以評(píng)估磨損,。
術(shù)后半年,，3 只山羊中，1 只山羊人工椎間盤周圍組織中檢測(cè)到雙折射顆粒,，術(shù)后 1 年,，2 只山羊檢測(cè)到。術(shù)后 3 月時(shí),，未發(fā)現(xiàn)顆粒,，任何時(shí)間點(diǎn)均未見炎癥反應(yīng),。
模擬測(cè)試裝置與人臨床應(yīng)用后取出的裝置進(jìn)行了對(duì)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(cè)試的磨損相比,，磨損很小,。但在獲得進(jìn)一步數(shù)據(jù)前，還是應(yīng)該引起注意,。作者提出刺激器 100 萬次循環(huán),，或相當(dāng)于臨床使用 1 年多。
臨床應(yīng)用中,，關(guān)于該裝置并發(fā)癥的報(bào)道很少,。有篇文獻(xiàn)綜述報(bào)道了人工椎間盤置入后，異位骨化和關(guān)節(jié)活動(dòng)喪失,，并引用了異位骨化的可能原因和危險(xiǎn)因素,。但對(duì)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(xiàng)術(shù)后 8 年的文獻(xiàn)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(gè)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(gè)案報(bào)道中未作進(jìn)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(gòu)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(guó)獲準(zhǔn)使用,。在美國(guó)開展的 M6-C 的臨床試驗(yàn)已取消，未招募到患者,。在世界很多國(guó)家該裝置有銷售,。文獻(xiàn)檢索未找到任何關(guān)于該裝置的臨床結(jié)果或并發(fā)癥報(bào)道。
其它人工椎間盤
一篇發(fā)表的文章報(bào)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(xué)傳導(dǎo)器的自充電電子數(shù)組,，可提供給醫(yī)生遙測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)。發(fā)表的應(yīng)用僅限于狒狒,。據(jù)報(bào)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(guó) 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(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生,，發(fā)表了關(guān)于此裝置 120 例患者的力學(xué)測(cè)試和臨床結(jié)果的前瞻性研究報(bào)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(bào)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(rèn)證商標(biāo),，在英國(guó)和德國(guó)正進(jìn)行市場(chǎng)后期臨床研究，在美國(guó)正進(jìn)行臨床試驗(yàn),。該裝置疲勞和磨損測(cè)試結(jié)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(cè)試至 3000 萬次循環(huán)，每 1 百萬循環(huán)產(chǎn)生 1.7mg 的質(zhì)量喪失,，類似于其它椎間盤假體的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果,。該文章也報(bào)道了歐洲的前 50 個(gè)患者隨訪 2 年的結(jié)果，90% 的患者較術(shù)前改善,，未見假體失敗,。另一個(gè)頸椎裝置 Freedom 頸椎人工椎間盤（圖 7），也獲得了歐盟認(rèn)證商標(biāo),，正在德國(guó)和瑞士進(jìn)行臨床試驗(yàn),。
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(shí)現(xiàn)置入時(shí)切割成合適長(zhǎng)度,。除了最初 2002 的報(bào)道外,，能獲取的信息很少。僅置換椎間盤髓核而保留剩余結(jié)構(gòu)的可能性,，如果軟骨終板和纖維環(huán)完好有功能,，對(duì)于脊柱外科醫(yī)生而言，很有吸引力,。因?yàn)檫@樣相對(duì)保守的療法,，如果以后需手術(shù)，保留了更多的手術(shù)選擇機(jī)會(huì),。
椎體置換
對(duì)某些病例,，如惡性病變，椎體骨折或塌陷,，手術(shù)醫(yī)師可能希望以可負(fù)荷的人工材料置換椎體,，以在愈合時(shí)更好的維持椎體高度。為此目的設(shè)計(jì)的裝置多為鈦或鈦合金或 PEEK,。約 16 年前,，德國(guó)公司提出了新的構(gòu)成材料：聚氨酯復(fù)合鈣硅磷酸鹽陶瓷填充物。
第一份報(bào)道表明,，在原位,，6 月時(shí)界面抗剪強(qiáng)度低，但隨著時(shí)間推移,，與骨界面增大,，抗剪強(qiáng)度明顯增高。將該材料以碳纖維加強(qiáng)的 PEEK 附件系統(tǒng)復(fù)合后測(cè)試,，于固定節(jié)段可實(shí)現(xiàn)固定和控制活動(dòng)增強(qiáng),，但取決于固定骨的質(zhì)量。該文章還報(bào)道當(dāng)時(shí)已將該裝置用于 7 例患者,。
該研究中 5 名患者的結(jié)果在后續(xù)報(bào)道中進(jìn)行了詳細(xì)描述,。該研究中所有患者均為脊柱惡性病變，進(jìn)行了切除,，并以人工復(fù)合椎體系統(tǒng)進(jìn)行重建,。隨訪時(shí)間 5 個(gè)月到 39 個(gè)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(gè)月時(shí)仍存活。
對(duì)尸檢時(shí)取出的一個(gè)假體進(jìn)行組織學(xué)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(jié)果相反。由于臨床樣本量小,，作者建議對(duì)該假體系統(tǒng)加以改進(jìn)并進(jìn)一步研究,。在后續(xù)文獻(xiàn)中未見更多的研究報(bào)道。
結(jié)論
手術(shù)中使用彈性聚合物修復(fù)本為彈性性質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)或恢復(fù)組織功能,，很有吸引力,。經(jīng)驗(yàn)表明，改變活體內(nèi)機(jī)械表現(xiàn)可導(dǎo)致鄰近結(jié)構(gòu)的重建或負(fù)荷傳遞,。隨著聚合物的化學(xué)特性的完善和設(shè)計(jì),，聚氨酯的生物穩(wěn)定性和力學(xué)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(yīng)用的不同裝置的報(bào)道，取得了成功,。盡管取出裝置有磨損或降解的報(bào)道,，聚氨酯材料總體力學(xué)和生物特性表明，至今為止,，聚氨酯長(zhǎng)期穩(wěn)定性沒問題,。采用聚氨酯保留脊柱動(dòng)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(yīng)用,，但仍需大量研究,，設(shè)計(jì)和測(cè)試，以達(dá)到設(shè)計(jì)這些裝置的目的,。
在某些情況,，長(zhǎng)期應(yīng)用生物穩(wěn)定性仍是個(gè)問題，存在磨損和疲勞,。盡管迄今為止的報(bào)道令人鼓舞，長(zhǎng)期隨訪及患者體內(nèi)取出裝置的分析,，將提供數(shù)據(jù)以預(yù)測(cè)這些革新的結(jié)果,。持續(xù)臨床應(yīng)用可給相關(guān)工業(yè)提供改善脊柱功能的新挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)。
