生物活性玻璃的涂料加速脊柱融合的潜力

生物活性玻璃的涂料加速脊柱融合的潜力

脊椎聚变是一种常见的手术程序,用于将两个或两个以上的脊椎结合到脊椎,通常用于消除疼痛或稳定脊椎后部位。 传统上,外科医生使用骨骼分泌来推动聚变,但生物材料的最新进展正在开辟新的可能性。 一个有希望的发展是使用生物活性玻璃涂层。

什么是生物活性玻璃?

生物活性玻璃是一类与骨组织正交的合成材料,主要由硅,钙,钠,磷酸盐组成,植入后,生物活性玻璃与骨形成结合,激发再生和愈合过程,材料最早由拉里·亨奇于1960年代末开发,此后一直用于牙科和矫形应用.

生物活性玻璃的关键特征是它能够在接触体液时在表面形成一个氢亚帕特层,这个层在化学和结构上都与天然骨矿相似,这使得玻璃能直接与活性骨组织结合,玻璃的溶解还释放出钙,磷酸盐,硅等离子,这些离子可以刺激骨质活性并促进新的骨质形成.

脊柱融合中的生物活性玻璃粘合剂的优点

• 增强骨质生长:[] 生物活性玻璃释放离子,促进骨质发育,加速新骨质形成.
• 改进整合: 涂料有助于植入物与现有骨组织更有效地结合.
• 缩短治疗时间:[] 更快的聚变缩短了康复期,改善了病人的疗效.
• 生物兼容性:[ 生物活性玻璃被身体精致地使用,尽量减少拒绝或不良反应.
• 抗微生物属性: 一些生物活性玻璃的配体可以释放抑制细菌生长的离子,降低术后感染的风险.

行动机制

当生物活性玻璃涂层被应用到脊髓植入物上时,它立即在植入物后开始与生理液体发生反应. 玻璃表面经历一系列化学反应:首先,玻璃与周围液体之间的离子交换会导致pH升高,这形成了一个富硅胶层. 钙和磷酸离子迁移到这个层,结晶成羟基亚帕特质. 羟基亚帕特质层然后在周围骨骼中与钙纤维结合,形成一个强力的机械间锁.

与此同时,释放的硅离子已被证明可以提高与骨骼有关的基因的调节性,有研究报告说,硅刺激骨质增殖和分化,加速新骨骼的形成,这种双重作用——直接的化学结合和生物刺激——使生物活性玻璃成为脊聚变笼的优秀涂层材料。

生物活性玻璃和涂层技术的类型

构成变化

研究最广泛的生物活性玻璃是45S5,又称BioGlass,其中含有45%的SiO2,24.5%的CaO,24.5%的Na2O,以及6%的P2O5. 其他配方包括S53P4和13-93,它们成分的比例略有不同,每种配方都提供了不同的生物活性率,机械强度,离子释放剖面.

对于脊髓聚变应用,研究人员经常会使用生物活性玻璃与聚合物,金属,或陶瓷等其他材料结合,优化机械性质. 例如,钛合金笼上涂装生物活性玻璃既能提供结构支撑,也能提供骨质刺激.

应用方法

生物活性玻璃可以应用在植入物上,使用几种技术:

• 玻璃粉末喷洒: 玻璃粉末在等离子喷射器中熔化,喷洒到植入的表面,这会产生厚厚的涂层,但因温度高而可以改变玻璃成分.
• 固醇凝胶凝胶: 植入时先用前体溶液,然后用干热处理,这种方法可以更好地控制涂层厚度和化学性质。
• 电极沉积: 充电的玻璃颗粒沉积在电场下的植入表面,这种技术适用于复杂的几何元件和多孔结构。
• Magnetron Sputtering:] 薄密的涂层是通过从目标中喷出玻璃颗粒而积聚起来的,这种方法可以产生很薄的涂层,并具有强烈的粘合性.

临床证据和研究结果

近期研究表明,生物活性玻璃涂层可以显著提高脊髓聚变手术的成功率. 2021年发表的一份系统性评论[ Spine Journal发现,生物活性玻璃合体间笼与临床前动物研究中未加膜的钛笼相比,实现了更高的聚变率. 在人体试验中,早期结果显示,骨头在植入中生长增加,缩短了放射聚变的时间.

一项值得注意的临床研究涉及40名正在进行腰膜聚变的病人,一半人得到了一个多肽酮(PEEK)笼盖,上面涂有生物活性玻璃,另一半人则得到了标准的PEEK笼盖,没有涂有涂料。 在12个月的后续研究中,涂料组显示出95%的聚变率,而控制组的80%。 此外,涂料组的病人报告疼痛分数较低,恢复日常活动的速度更快。

研究人员正在探索各种配方和应用技术,以优化其有效性。 正在进行的临床试验旨在确认长期的安全性和效益,特别是在骨质条件差的骨质疏松和修订手术方面。

进一步阅读,见关于生物活性玻璃涂层的生物活性和骨化的研究: 材料(2019年)——生物活性玻璃涂层:回顾 另一全面评论讨论了在脊椎手术中使用生物玻璃的问题: 生物材料(2020年)——脊髓内聚变中的生物活性玻璃:现状和未来方向.

与传统骨骼纹样的比较

传统的脊髓聚变往往依赖于从患者身上收获的自发骨骼 — — iliac cress。 虽然自发骨骼具有极好的骨骼形成特性,但来源于捐赠者的所在地发病率、有限的供给和可变的质量。 来自捐赠者的自发骨骼避免了捐赠者的所在地问题,但有传播疾病和吸收速度较慢的风险。

生物活性玻璃涂层比这些方法提供了几种优势:第一,它们都是合成的和标准化的,提供一致的质量;第二,它们不需要单独的手术场地;第三,涂层可以设计成可控速率降解,逐渐将负荷转移到新形成的骨骼上;第四,一些生物活性玻璃的抗微生物特性可以降低感染风险,这是脊髓聚变过程中常见的并发症.

然而,生物活性玻璃在术后早期的机械强度上并不是直接取代骨质移植的,最好用作笼盖、螺丝和板块等负载植入物的涂层。 正在进行的研究正在研究散装多孔生物活性玻璃结构是否可以作为独立的体际聚变装置。

挑战和限制

尽管有希望,但广泛采用仍有挑战。 生物活性玻璃的脆性会导致植入过程中涂层的裂解或脱光。 添加强化相或使用复合涂层等改变能够帮助但可能减少生物活性。

另一个局限性是活体行为的变化。 生物活性玻璃的反应率取决于局部pH值、血液流动和炎性细胞的存在。 在一些患者中,玻璃的溶解可能发生得太快,在骨骼生长之前会损害机械稳定性。 正在开发较慢的吸附剂,以更好地与治愈时间相匹配。

制造一致性也是一个令人关切的问题,涂层过程必须经过认真控制,以确保植入基质的覆盖度和强粘合度一致,对涂层植入的监管批准可能比标准植入更为复杂,需要额外的生物兼容性测试和临床证据.

未来方向

将生物活性玻璃涂层纳入脊髓聚变程序,对加强愈合和减少并发症具有巨大的希望。 随着研究的进展,这些材料可以在脊髓外科中成为标准,为患者提供更快的恢复和更好的结果。

新出现的趋势包括将骨质形态蛋白(BMP)等生长因素纳入涂层,以进一步加快骨骼形成. 一些研究人员正在开发涂层,可以以控制的方式释放药物,以管理疼痛或防止感染. 添加的制造技术如3D打印可以制造多孔脚手架,其生物活性玻璃涂层模仿了转盘骨结构,有可能完全消除对传统笼子的需求.

患者特有的涂层也可能通过手术前成像和计算机模型,优化每个个体的涂层成分和厚度XQQ8217;骨密度和聚变要求. 从长远来看,生物活性玻璃涂层可能与智能传感器结合,以监测骨愈合,并将数据传递给外科医生.

最后,生物活性玻璃涂层是脊髓聚变技术的一大进步。 它们能够与骨骼进行化学结合、刺激骨骼形成和减少感染风险,因此成为改善手术结果的多功能工具。 随着临床调查和物质创新的不断进行,这些涂层在手术室中可能扮演着越来越重要的角色。