一篇文章认清脊柱手术常用的植骨材料

发表时间 :2018-05-29

骨移植或骨替代物在脊柱手术中用于填补、桥接缺损和促进脊柱融合。其生理过程类似于骨折愈合,具有相同的空间和时间因素。理想的材料应具备骨生成、骨诱导和骨引导特性。传统的自体骨移植仍然被认为是“金标准”,但其应用存在一系列的问题,由此促进了其他骨代替物的发展。其中同种异体或异种骨的使用也因其自身存在的问题受到限制。另外还有骨替代物,近年来骨替代物的材料、形状和应用方式日益趋向多元化。虽然目前骨替代物还不能完全代替自体骨,但其优点突出,供给不受限制,且避免了取骨部位的并发症。同时以骨替代物为载体,结合生长因子和间质干细胞,为其应用带来了广阔的前景。


定义
1
自体骨

骨移植物来自患者身体的不同部位。最常见的部位为髂嵴,但也可以取自椎骨、肋骨、胫骨和腓骨。


2
自体骨替代物

自体骨替代物能够取代自体骨实现骨缺损填充、桥接和融合。其供给量不受限制,并可避免取骨部位并发生的发生。但骨代替物无法同时具备骨诱导、骨传导和骨生成的特性。


骨再生生理学

骨骼是人体中少数保留再生能力的器官之一。与其他器官不同,骨骼并非通过瘢痕修补自身的群损,而是通过这个愈合彻底恢复初始形态的质地。骨折愈合是一个复杂的生理过程。


骨骼愈合的基本原理有以下两类:

  1. 一期愈合(即“直接愈合”)非常罕见,并不是脊柱外科中常见的愈合形式。

  2. 二期愈合伴有骨痂形成,包括骨膜内成骨和软骨成骨。骨痂的形成需要多能间充质干细胞(MSCs)、具有活力的细胞群和充足的血供。

在骨愈合的级联反应中,某些先决条件是已知的,其中最重要的因素是需要有活力的细胞群。MSCs可存在于细胞群中或经血流传送至骨折部位,并在骨折部位形成大量成骨细胞。此外,骨折血肿内含有大量诱导骨折愈合的细胞因子,如白细胞介素(ILs)、肿瘤坏死因子(TNFs)、转化生长因子(TGFs)、血管内皮生长因子( VEGFS)。在众多的TGFs中,大量研究表明骨形态发生蛋白(BMP-2、BMP-7)在骨折愈合过程中起决定性作用。第三个重要的因素是细胞外基质,为细胞的相互作用提供一个天然框架。细胞外基质的作用可以被许多骨引导材料替代,如同种异体骨、脱钙骨基质(DBM)、羟基磷灰石和钙基陶瓷等等。上述支架均含有150~500pmm的最佳孔径。最后,影响骨折愈合和骨形成的一个重要因素是力学稳定性。以上四个因素的组合被称为“菱形理念”。“菱形理念”在四肢骨折中常加以详细描述,在脊柱外科具有同样的重要性。


理想骨折愈合“菱形理念”



临床应用

理想的骨移植物(自体骨或自体骨替代物)应该具备三个属性。成骨能力是指它们包含有成骨细胞,从而能够直接成骨;骨传导能力是指它们提供一个支架结构供成骨细胞黏附和生长;骨诱导能力是指具有能够诱导未分化干细胞或骨原细胞分化成成骨细胞的细胞因子。“完美”的自体骨替代物应包括以上三个特性。


自体骨移植

虽然仍存在一定的争议,但是自体骨是骨移植物的“金标准”。自体骨多取自患者髂嵴,确切部位取决于手术体位。髂嵴的优点是含有大量的松质骨和皮质骨(三面皮质移植骨)

优点:

  • 成骨能力

  • 骨引导能力

  • 骨诱导能力

CT扫描在三个平面记录自体三面皮质骨移植的正确尺寸和定位
X线平片显示:字体三面皮质髂骨用于单节段前路脊椎融合术,伴后路双节段椎弓根螺钉固定

缺点:

  • 供给受限

  • 个别报道失败率较高

  • 髂嵴骨折的风险

  • 因骨块重塑导致矫正损失

  • 取骨部位并发症(正确操作可减少发生)

  • 额外的手术时间

右侧髂嵴前方取骨后 造成髂嵴骨折

取骨部位:

  • 髂嵴(前面、后面)

  • 手术部位(椎体、棘突、椎板)

  • 肋骨(经胸入路)

  • 胫骨、腓骨


取自体髂骨的手术技术

取自体髂骨的手术操作较为简单。在髂嵴前方取骨时,需要注意保护股外侧皮神经。此外,由于髂前上棘是屈髋肌群的附着点,因此,取骨部位必须要距离髂前上棘3cm以上。我们建议使用双层刀片摆锯进行取骨。利用骨锯还可以预先设置好取骨深度。获取预期的带皮质骨块后,再用刮勺刮去松质骨碎片。取骨完成后用止血海绵填充缺损部位,伤口放置引流管,防止血肿形成。此外,根据临床的具体需要,可以应用特制的器械取出塞子形状的骨块。这种方法取骨后的缺损较小,且可以在髂嵴以外的部位取骨。

用于获取不同尺寸“骨塞”的各种取骨设施


自体骨替代物

理想的自体骨替代物应具备与自体骨一致的骨生成、骨传导和骨诱导能力,而且没有大的不良反应。替代物移植后,其与宿主骨的整合可能出现截然不同的方式。一种是通过直接整合或被吸收后转化成骨组织,但也可能发生类似“移植物抗宿主反应”。其结果是自体骨代替物被包裹甚至(部分)消失而无法整合。


同种异体骨

同种异体移植同种异体移植是将供体组织移植至受体。由于近年来获取、制备和储存技术的改善,同种异体骨的应用范围得到进一步推广。一些对同种异体骨需求量较大的临床中心往往配备有各自的存储仓库——骨库。“骨库”的概念常常牵涉到诸多的法律问题,在不同的国家差别较大。

优点:

  • 骨传导能力

  • 供给不受限制

  • 多种形状和尺寸

  • 避免取骨部位并发症

缺点:

  • 无成骨能力(其制作过程中进行了化学加工)

  • 骨诱导能力弱

  • 传播传染病可能


脱钙骨基质和骨形态发生蛋白

脱钙骨基质( demineralized bone matrix,DBM)是具有骨诱导能力的脱钙同种异体骨。DBM利用酸性溶液提取同种异体骨,使同种异体骨的矿物质成分丢失,但保留了包括生长因子在内的胶原及非胶原蛋白。DBM作为自体骨替代物,其作用效果与其含有骨形态发生蛋白(BMP)的剂量及BMP各亚型的比例密切相关。多数BMP亚型均具有聚集成骨细胞并刺激局部细胞促进骨骼形成的功能。现已知的BMP超过20种但临床研究仅限于BMP2和BMP7,不同类型的BMP促进成骨的能力可能存在较大差别。

优点:

  • 具有骨诱导能力,可促进骨形成

  • 不同产品骨诱导潜能存在差别


羟基磷灰石、磷酸三钙

这些替代品主要作为骨缺损的填充物。人们们根据其特定的优点(如固化速度快、可注射性能)和缺点(抗剪切应力弱、生物降解性差),开发出许多新的应用领域。这类材料具有多种应用形式。

不同形式和形状的磷酸钙盐骨替代品


优点:

  • 骨传导能力

  • 持久稳定性

  • 供给不受限制

缺点:

  • 无骨诱导能力

术后6周(a)和12周(b)混合血液的ChronOS组织学检查结果


临床应用

该领域产品的不断创新,如双向注射磷酸钙、硫酸钙和硅磷酸钙等,极大地丰富了其应用范围,也使其成为促进脊柱融合的重要材料之一(填充融合器、融合器图层、自体骨扩充物)。这些材料在使用之前应该与患者血液进行混合。


与血液混合的ChronOS团块


其他材料(海珊瑚、硫酸钙)

这些材料目前处于实验、评估阶段,以期成为补充甚至取代目前正在使用的自体骨替代物。


展望

组织工程和生长因子研究的进一步深入,为今后骨融合和骨替代物提供了巨大的应用潜力。随着替代物的不断发展,有望对特定适应症的患者提供“理想”的个体化治疗方案。