记忆合金在脊柱侧凸中的应用进展
2007-03-30 文章来源:admin 点击量:2433 我要说
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记忆合金自从1963年问世以来,应用于航天、航空、机械很多方面。由于其不但 具有形状记忆效应,而且弹性高、弹性模量低、耐腐蚀及生物相容性好等特点,在医学应用越来越广泛。记忆合金治疗脊柱侧凸不是一个新想法,但目前研究与应用于临床不是很多。因此,在Medline中检索到的文献并不多。就目前存在的问题与研究情况总结如下。
目前脊柱侧凸矫形中存在的问题有:1、矫正脊柱侧凸的力量主要为纵向撑开力,有过矫截瘫危险;所以矫形手术中要进行唤醒实验,脊柱矫形要在脊髓耐受的程度之内;2、大多采用旋转凹侧金属棍带动凹侧金属钩产生向后提拉凹侧椎板来进行旋转矫形,可发生脱钩,不适于较重且较僵硬的脊柱侧凸;3、术中进行植骨融合,影响儿童的脊柱的继续生长发育;融合失败导致内固定失败;4、植骨后翻修困难;出血多、危险大;
要解决目前存在的问题,记忆合金有如下优势:1、应用钛镍合金的记忆效应,对脊柱侧弯进行缓慢的矫形,在半年中逐渐恢复脊柱形态,减少脊髓损伤,不影响脊柱的正常发育;2、坚强三维内固定使躯干固定于平衡位置,术后无须支具和石膏保护,无须制动;3、弹性模量远远大于不锈钢材料,不易发生断棍、脱钩等;安装、拆卸方便,减少手术创伤和出血,利于翻修等。
所以,为了实现这些想法,国内外一些研究机构开展了一系列基础研究和临床研究工作。
在基础研究方面,主要集中于金属的性能上。记忆合金不但具有理想的植入材料要求良好的强度、硬度、柔韧性,而且具有形状记忆效应、超弹性、很好的缓冲性能、自锁、自扩张和自加压能力。这是因为金属马氏体(低温)与奥氏体(高温)转换特性(1)。其存在两种温度―晶体结构变化象(如图1):完全为马氏体时柔软如泥;马氏体产生应力时有超弹性如橡胶;完全转化为奥氏体时坚强如钢;马氏体为菱形斜方晶象、奥氏体为立体晶象;并具有低弹性模量、高疲劳性与粘性、非磁性等特性。这样就能够使用记忆合金达到热激活的自锁、自扩张、自加压性能(2),并能够制作成为由温度控制形变的内植入器械,对骨和软组织产生扩张、拉力或加压能力。记忆合金作为植入物也有些缺点:A:去除负荷与加热后出现8%的应变恢复;B:如何控制记忆效应的释放速度。这些基本不影响作为优良内植物的可能。当然,真正达到作为内植物,必须达到如下标准:A:内植物设计与功能必须经过仔细的生物力学测试;B:内植物引起的压缩力与其它效应力在每一例应用中必须被测出;C:植入物必须满足足够固定时间;D:如果植入物安装错误,必须能够容易、及时的去除;E:新的手术技术必须能保证正确的植入。
目前的体内实验研究集中在材料的生物相容性上。骨生长与不锈钢钢板体内实验比较最大骨痂生长范围没有显著差异(3);腐蚀性上在不同组织内植入60周后与不锈钢比较没有差异;甚至内植物回收后分析,表面耐腐蚀性比不锈钢更好;手术植入后镍血浆浓度术前、术后没有明显差异,在猴子体内植入后6-9小时检测浓度大约是术前的2倍(4),在山羊局部组织内则镍浓度为25.6ug/g(5),而组织学检查肺、肝、脾、肾中均没有异物反应(6)。这都说明有很好的生物相容性。因此,美国FDA已经批准记忆合金应用于人体内。
在动物实验中,Sander在6只脊柱侧凸山羊体中安装6毫米记忆合金棒(5),合金棒变形将COBB角41度减少到11度;并测得随着相变温度的升高矫形力亦增加,6毫米的合金棒产生200N矫形力、9毫米合金棒产生500N矫形力;脊髓温度(7)超过45度会引起应激时间缩短和刺激振幅减小;椎板骨折发生在1000N矫形力时等。Veldhuizen(8)发现传统的撑开棒固定传递对脊柱的三维矫形力,轴向力在术后半小时内降低20%、2周内降低70%;脊柱的粘滞性允许镍钛合金系统提高术后最初的矫形程度;Baum JT(9)应用镍钛合金U形钉来抑制山羊脊柱侧凸进展,14只山羊中矫形率为27%;WeverD(6)等将猪得T11到L5切开,T12、L2、L4放置椎弓根螺钉,并桥形连接,放置方形6.35*6.35毫米记忆合金棒,术后椎弓根螺钉未见松动和椎弓根骨折;术后立即达到预弯的40度,并术后1、3、6个月随访未见变化;但是有一枚合金棒术后6个月时在钉棒连接处发现断裂;并测得术后血浆镍浓度未见比术前增高;合金棒可以提供最大侧方弯曲力距为7.5―10NM、旋转力2―5NM;为了研究新型内固定器械,Tencer AF(10)等研究了椎板的负荷变化,发现是否椎板中线负荷还是非中现负荷没有显著差异;椎板钩的宽度与拔出力没有明显关系,而与钩的椎板下深度有关;腰椎4个椎体固定力要比单个椎体固定力大15%;各胸椎之间拔出力没有显著差别,但是T9―T12较其它胸椎拔出力大些;腰椎拔出力(X=2571N、SD=1650N)大于胸椎(X=1639N、SD=717N);是否切除棘突对最大负荷没有影响;在目前应用的几种内固定矫形器械(SSI、PSIC、PSIB、CD)中,经测试,CD系统