供稿人:王瑩瑩，王玲 發(fā)布日期：2018-05-27
近幾年來，引入各種表面改性手段形成粗糙或多孔表面來加強(qiáng)椎間融合器的骨整合性能十分普遍。然而，這些表面特征可能在臨床沖擊過程中受到損傷。佐治亞理工學(xué)院生物工程與生物科學(xué)研究所的研究人員比較了傳統(tǒng)的光滑聚醚醚酮頸椎融合器與兩種表面改性（具有多孔結(jié)構(gòu)或等離子噴涂鈦涂層的特征）聚醚醚酮融合器的沖擊耐久性。
研究中使用了三種頸椎椎間融合器：平滑聚醚醚酮、等離子鈦涂層聚醚醚酮和多孔聚醚醚酮（n=6）。在恒定的200N預(yù)負(fù)荷下，融合器在兩個(gè)模擬椎體的聚氨酯塊之間受到?jīng)_擊，融合器的后緣放置在聚氨酯塊之間的入口處，引導(dǎo)1磅重量以2.6m/s的速度撞擊前表面，用以代表外科安裝時(shí)的打擊力。沖擊不斷重復(fù)，直至融合器完全受到?jīng)_擊。用顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描測(cè)量沖擊前后多孔聚醚醚酮的耐久性。用掃描電鏡和能譜分析評(píng)估鈦涂層聚醚醚酮融合器沖擊前后的覆蓋度。
研究結(jié)果顯示：多孔聚醚醚酮和光滑聚醚醚酮融合器表面損傷的宏觀特征最小，而鈦涂層融合器表現(xiàn)出明顯的涂層損耗。定量的多孔聚醚醚酮變形表明，在沖擊后，多孔結(jié)構(gòu)保持了較高的孔隙率（>65%），且孔隙尺寸和深度的變化很小。掃描電鏡和X射線能譜分析表明，鈦涂層在沖擊后有很大的損失，表面粗糙度的降低也證實(shí)了這一點(diǎn)。掃描電鏡顯示光滑聚醚醚酮損傷最小，但表面粗糙度減小。
綜上所述，雖然對(duì)椎間融合器進(jìn)行表面改性有利于骨整合，但它們?cè)跊_擊過程中容易受到損傷和磨損。多孔聚醚醚酮融合器在模擬頸椎撞擊過程中損傷最小，而鈦涂層聚醚醚酮融合器失去了大量的鈦。
圖1 沖擊試驗(yàn)裝置。在200N軸向預(yù)壓力下，以最大速度為2.6m/s的速度將1磅導(dǎo)向重量落在融合器前表面，使每個(gè)融合器在兩個(gè)聚氨酯塊之間撞擊，直到該裝置在兩塊之間完全撞擊。
圖2 在沖擊前（A）和沖擊后（B）對(duì)多孔PEEK融合器的頂部和側(cè)面進(jìn)行顯微CT重建。與（A）相比，在（B）中可以看到多孔表面的輕微致密化，成對(duì)分析表明，孔隙率（C）、孔徑（D）和孔深（E）在撞擊后略有下降，但仍保持了有利于骨生長的多孔結(jié)構(gòu)（*p<.05，配對(duì)t檢驗(yàn)，n=6）。
圖3 鈦涂層PEEK融合器沖擊前（A）和沖擊后（B）的掃描電鏡和能譜分析。掃描電鏡圖像顯示了鈦涂層（明亮區(qū)域）被移除的區(qū)域，以暴露底層的PEEK（黑暗區(qū)域）。能譜分析元素映射驗(yàn)證了掃描電鏡所顯示的鈦信號(hào)虧損（紅色插圖）以及受損區(qū)域底層PEEK的碳信號(hào)增益（黃色插圖）。表面損傷的定量分析表明，鈦涂層面積（C）減少29%，表面粗糙度下降。（*p＜.001，配對(duì)t檢驗(yàn)，n＝6）。
圖4 光滑的聚醚醚醚酮表面在撞擊前（左）和沖擊后（中間）的掃描電鏡圖像。未發(fā)現(xiàn)損傷跡象，但表面粗糙度下降了12%~13%，表明沖擊后表面發(fā)生了微小的變化（*p<.05，配對(duì)t檢驗(yàn)，n=6）。