聚内消旋乳酸（PDLLA）椎间融合器在椎间降解情况的实验观察
作者：郝勇，周跃，滕海军，曹国勇，潘勇
【关键词】 椎间融合器
摘要：［目的］观察可降解材料在椎间植骨融合中的降解情况。［方法］将可降解材料制成的椎间融合器通过前路手术植入山羊的腰椎间隙，与正常植骨融合组对照，通过大体观察、电镜观察了解不同阶段的可吸收材料在植骨融合过程中的降解吸收情况。［结果］材料在椎间融合过程中的降解速度是非匀速的，在早期阶段，材料主要表现为表面材料的水解，分子量的下降，随着材料各层水解逐渐加快，内部降解速度由于自催化作用而加快，最终材料塌陷，分解。［结论］在早期可保持其基本外形，力学强度虽然在后期明显有所下降，但足够维持骨融合进程，植骨部位骨融合后才逐渐分解，强度下降，最终塌陷崩解。作为椎间融合器的材料，PDLLA在椎间植骨融合中的降解情况基本符合要求。
关键词：椎间融合器；植骨；聚内消旋乳酸；可降解材料
Degradation of PDLLA cage in the intervertebral fusion
Abstract：［Objective］To observe the degradation process of PDLLA in the intervertebral fusion［Method］Twenty goats were divided into 4 groups as experimental group,and their L3~4intervertebal spaces were implanted with PDLLA cage containing pieces of graft boneAnimals were sacrificed at 4,8,12,16 wks and specimens were taken for observation of the degradation process and bone fusion by gross observation and electronic microscopeAnother 12 goats were used as normal fusion control groupTheir L3~4space were grafted with bone block for fusion［Result］The degradation rate was nonlinealIn the early stage of fusion,the main degradation and decrease of molecular weight was shown at the superficial decompositionWith the proceeding of fusion and degradation,as the kydrolyzation speedingup,internal decomposition by selfcatalyse resulted into the collapse and total disassemble of the PDLLAThe PDLLA cage maintained its shape in the early stage and its biomechanical strength decrease in late stage but was still enough to keep the structure from collapse,till the fusion was achieved in the bone implant area［Conclusion］The velocity of degradation of PDLLA is slower than the speed of bone regeneration of bone fusion,so the PDLLA cage could provide sufficient support during the process of intervertebal fusion and is a suitable choice of degradative material for cage in the intervertebal fusion
Key words：Fusion cage;Bone implant;PDLLA;Degradable material;Intervertebral fusion
可降解材料具有组织相容性好，可以降解为人体可吸收产物，最终被组织分解等特点。在可吸收材料的临床应用和实验研究中，人们发现材料在不同植入部位的降解速度不同，其并发症的发生率也由此产生〔1〕。高分子聚合物的降解过程是非常复杂的，影响降解速度和降解变化的因素很多，在真实体内环境中，细胞、酶、机械应力等因素对材料的降解过程有明显影响〔2〕。
本实验的目的是了解PDLLA材料在椎间植骨融合过程中的降解情况，对进一步研究高分子材料降解机理及其与周围环境的关系做一初步探讨，为其应用于临床提供实验依据。
1材料与方法
实验用椎间融合器为高分子聚乳酸材料PDLLA椎间融合器，分子量为80×104。
实验动物选择1~2岁本地山羊24只，体重（35±26）kg，分4组，时间分别为4、8、12、16周。每组6只，其中3只为对照组，3只为实验组。采用速眠新动物麻醉用药，肌肉注射(02 ml／kg）。麻醉成功后，于手术台上行气管插管，经前方腹膜外入路显露腰大肌及椎体前方，探察后确定L3、4椎间隙，前路切除椎间盘，并用刮匙刮除椎间隙的上下方椎体的软骨终板，撑开椎间隙，取同侧髂骨，制成米粒样松质骨小块，添入融合器并充分挤压，将融合器打入椎间隙。对照组实验动物进行常规椎间植骨融合术。骨块横截面积约18 mm×20 mm。
通过大体检查、扫描电镜方式观察材料的降解情况。
2结果
21大体观察(表1）。
PDLLA材料的椎间融合器植入前为无色透明状，质地坚硬。植入后颜色、质地、形态逐渐变化，最终分解并被机体吸收。
表1不同融合阶段材料大体观察结果（略）
22电镜观察
分别与材料植入后第4、8、12、16周取样，扫描电镜观察材料横断面情况。
降解前材料为均匀致密的结构，表面光滑。电镜下可见材料排列紧密，均匀一致。放大后可见材料内部排列紧密，无裂隙扭曲(图1）。
植入4周后，实验组与对照组植骨融合部位均呈现明显骨痂，松质骨间可见纤维和软骨组织形成，不易区分。融合器边缘纤维组织包裹较厚。材料表面结构出现不均匀排列，可见表面部分表层下材料内出现轻微裂隙，孔洞，排列不整齐，但这种变化仅限于材料表面与外界接触的界面。材料中央部分较少出现这种情况。而内部无明显变化，仍为均质致密状态，偶尔在表层下可见轻度排列紊乱情况，但无明显较大裂隙等出现。整个材料仍然完整(图2）。
8周后，实验组与对照组植骨部位可见明显新生骨形成。非骨性成分减少，主要集中在融合器周围。材料的表面部分已经有部分降解，但分解量较少，表面结构的不均匀排列加重，更多的是表面的裂隙增加，可见材料周围纤维组织的浸润，包绕，结构仍然致密，材料深层结构出现褶皱、孔洞，出现轻度裂隙，但排列整齐。中心地区出现裂隙增大、分解增强等变化，材料分解成松散的低分子量的颗粒。但材料整体完整(图3）。
12周时对照组植骨部位基本达到骨性融合，骨小梁排列不够整齐。实验组中植骨部位融合较好，可见表面降解部分基本被吸收，有新形成的骨和纤维组织包绕，纤维组织内可见有钙盐的沉积。可见大块材料崩解为碎片，另可见纤维组织内有降解分离的材料碎片。材料表面下结构平整，其间可见部分断裂分解，最内层则出现明显水解，中央部分材料水解严重，基本被降解吸收，此外材料多个部位出现塌陷，结构破损，纤维组织浸润(图4）。
16周，材料继续被降解，绝大部分已经被吸收，原有部位被纤维组织、软骨组织替代，局部可见略大的碎片被包裹(图5）。
3讨论
近年来，椎间融合器广泛应用于腰椎退行性疾病的手术。目前的椎间融合器的材料为金属和多聚碳纤维2种，前者具有良好的组织相容性，但术后金属长期存留在体内，同时由于其强度远大于骨，因此在融合后期会产生一定程度应力遮挡，对融合后骨强度有一定影响。后者为非金属材料，但并不会被人体吸收，一定程度上影响骨融合后的强度，同时其磨损后的颗粒可引起局部炎症反应，不利于人体健康。
可降解材料在一定程度上可避免上述各种不足，但其在椎间植骨的条件下的降解情况，目前尚未见到详细的实验研究相关报道。植骨融合手术后第4周已经形成明显的纤维软骨连接，第8周时形成明显的骨性融合，植骨融合过程主要依靠软骨化骨和纤维性成骨。
聚乳酸是一种具有良好生物相容性和降解特性的聚合物〔3、4〕，是FDA认可的一类生物材料〔5〕，它具有较好的机械强度、弹性模量和热成型性，在骨组织和软骨组织的再生与修复等组织工程领域中，基本能满足作为细胞生长载体材料的要求。高分子聚乳酸的降解机理主要是酯键的水解作用，聚乳酸中分子链上酯键的断裂是随意的，高分子共聚物中每个酯键都可能被水解〔6〕。PLA的最终降解产物是CO2和H2O，中间代谢产物乳酸也是体内正常糖代谢产物，因此在体内不会对人体产生明显的不良影响。
PDLLA的降解过程非常复杂〔7〕，影响降解速度和降解过程中的理化性质改变的因素很多，即使是同一种材料，在体内真实环境中，细胞、酶、机械应力、体液环境等因素的改变对材料的降解过程都有明显的影响。
近年研究发现高分子聚乳酸的降解过程中还存在自催化现象〔8〕。研究发现聚乳酸材料在水解时生成了酸性的羧基端，由于聚乳酸材料的非亲水性和材料交连结构或材料本身高分子量时的分子链高度缠结成端羧基在材料中不会马上被排除，积累的羧基端会加速材料的降解，从而产生自催化作用。本实验中，植入4周时表层已经开始降解，而内层仍保持整齐排列的致密状态。此后，降解加快，内层也逐渐开始出现降解迹象，8周时除了表面变化外，内层出现了褶皱，中心部位出现小的裂隙，表明降解从外到内都在进行。并且内部中心可能快于表面降解速度。第12周，情况更为明显，表明内部水解速度并不比表面水解速度慢，并且逐渐向表层扩散。因此，实验的中后期观察到材料内部出现降解速度加快的现象表明在骨融合过程中，材料内部可能存在自催化作用，并且这一作用随时间逐渐增强，在8周后明显，最终造成内部材料比外部提早分解而没有其他组织替代，加上骨内压力，最终促成材料的塌陷。
体内的吞噬细胞可吞噬清除聚乳酸共聚物周围的已经降解分离的小分子碎片，使其分解速度加快，而本实验中在4~16周的时间内并未见到明显的大量吞噬细胞，因此可见，至少在本实验中，吞噬细胞对聚乳酸材料的降解并不是主要影响因素。
材料植入后期形态发生明显变化，出现壳层塌陷内移现象，除自催化作用外，还可能与骨壁坚硬缺乏退让性有关，体外降解时内层可溶性低聚降解产物一经扩散，就可立即被缓冲液稀释，不会形成降解产物堆积，而植入骨融合内部，骨内容积和清除能力有限，骨壁缺乏退让性，可溶性低聚物扩散出来后无法迅速清除，堆积后产生自催化作用，分解产物增多，引起骨内压力增高，当堆积产物超过限度时，由于骨壁强度大，而降解后的材料强度逐渐降低，最终造成塌陷内移。
以往PDLLA降解情况的报道多集中在软组织中和骨折后作为内固定物的降解情况。与以上情况不同，在椎间植骨融合过程中所受的外界应力不同于内固定情况，因此其降解速度可能会因此发生一定变化。由于是在椎间隙中进行降解，降解过程中的周围血液循环良好，因此水解速度、降解产物的代谢均较体外水解时为快，加之椎间纵向的压力，增强了材料与骨的接触，一定程度上增快了降解速度。降解后期材料出现褶皱现象可能是由于轴向压力加上降解过程中产生的骨内压升高造成的。这一现象以往都未见报道。
降解过程中由于材料分子量发生改变，而这一改变在材料的不同部位发生的情况具有明显差异，因此对降解过程中不同阶段单纯的材料的质量进行测量，不但不容易实现，同时以此作为对材料的降解速度和降解程度的判定不够准确。而在12周后，材料在植骨部位各处的降解速度逐渐出现明显差别，以至到第16周时，有些部位已经完全降解并开始成骨，而有些部位仍有较大材料碎片正被降解。
本实验中，超高分子PDLLA材料在骨融合的最初4~8周，材料的降解主要表现为由高分子量水解为低分子量，整个材料并未见明显吸收、崩解、塌陷等，保证了早期骨融合的力学要求，随后，低分子量的降解材料降解逐渐加快，而此时，骨融合情况基本完成，此后降解速度虽然增快，但仍在4个月之内没有完全吸收，而此时材料的强度和力学特性已经明显降低。从临床治疗需要方面考虑，在植骨融合早期，材料的降解情况基本符合力学和生理要求，后期虽在16周时降解材料仍未完全吸收，但不会对融合造成明显负面影响。
4结果
PDLLA在椎间植骨融合中的降解过程中，在植骨融合最初4周，PDLLA降解主要集中在材料表面，其基本形状保持完好。在第4~8周时，随内部自催化作用逐渐明显，材料内部降解速度逐渐加快，而其表面降解明显，材料仍可维持其基本结构，对保证植骨融合的力学要求具有重要意义。在第12~16周，材料的表面和内部降解主要表现为材料崩解为碎片，已经逐渐失去其外型，被周围组织包裹。降解过程中，材料的自催化作用一定程度上加速了材料降解，通过改进分子结构或采用复合材料，减少自催化作用引起的内部降解加快现象，对提高材料的生物力学特性具有一定意义。
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