PŮVODNÍ PRÁCE ORIGINAL PAPER
OCQ/ ACTA CHIRURGIAE ORTHOPAEDICAE V,U3/ ET TRAUMATOLOGIAE ČECHOSL., 68, 2001, p. 369-373
Ověření operační techniky pomocí nové biotitanové cage u degenerativního onemocnění bederní páteře - experimentální práce Surgical Technique Verification by the Help of New Bioactive Titan Cage in Treatment of Degenerative Disease of the Lumbar Spine - Experimental Study M. FILIP1, P. LINZER1, P. VESELSKÝ1, T. PALEČEK1, M. MRŮZEK1, Z. STRNAD 1 2
2
Neurochirurgická klinika FN, Ostrava-Poruba Lasak, spol. s.r.o., laboratoř skla a keramiky, Praha
ABSTRACT PURPOSE OF THE STUDY Authors performed experimental PLIF operations on cadavers to verify appropriate shape and size of cage made from bioactive titan material. The approach for application into intervertebral space of the lumbar spine and appearance on X-ray and CT scans was also investigated. MATERIAL In experiment on cadavers five implantations of interbody cages were performed, two of them in interbody space L3/L4 and three of them in L4/L5. Subtotal discectomy and end platec preparation was done before cage insertion. Our type of cage is made from bioactive titan material and fastened in the application instrument that we developed for this purpose. METHOD To verify operational approach we used midline incision and opened spinal canal through laminectomy, partial hemilaminectomy or partial medial facetectomy. This phase was followed by discectomy and end plates preparation. Stability of inserted cages in intervertebral space is ensured by rotation and anchorage of cage wings in end plates. Operated motion segment was taken out and evaluated by X-rays and CT scans. RESULTS The operational approach through partial hemilaminectomy and partial medial facetectomy was fully sufficient for cage application with respect to operated segment. All implantations were successful and position of cages satisfactory. Thanks to less robust gripping instrument the approach was more thrifty compared to glass-ceramic cage and comparable with commercially produced cages that we have experience with (Spine Tech, Stryker, Comesa). Due to cage radio opaque, proper position of cages is easy to control on X-ray and CT scans and allows good peroperative monitoring by X-ray magnifier. DISCUSSION Usage of bioactive materials in spinal surgery started by introduction of glass ceramics. Based on our experience we determined suitable indications. To eliminate some of te disadvantages of glass ceramics (mainly mechanical properties), a cage made from bioactive material was developed. This type of cage does not require bone harvesting to fill the cage. This fact results in better comfort for patient in postoperative period and eliminates complications from bone graft harvesting. Bioactive surface of the cage with osseo conductive and osseo integrative features creates prerequisites for solid fusion without bone grafts. Titanium material guarantees mechanical strength and makes possible to produce a wide range of shapes and sizes. Strength of the material enables more advantageous gripping of cage in application instrument. The cage is well visible on X-ray and in MRI scans artifacts are considerably reduced. Operational approach and technique are similiar to other commercially produced cages and the extent of destabilization is limited to minimum. CONCLUSION Experimentally we repeatedly verified operational approach, suitable shape and applicability of bioactive titanium cage into intervertebral space. For clinical use bioactive titanium could be a possible way how to replace bone grafts. For spinal surgeons it represents a chemically and mechanically stable material capable of interaction in an environment where it is implanted. Even in difficult conditions the level of osseo integration is high. Key words: degenerative disease of the lumbar spine, bioactive titan cage, PLIF.
PŮVODNÍ PRÁCE ORIGINAL PAPER
q7n/ ACTA CHIRURGIAE ORTHOPAEDICAE I ET TRAUMATOLOGIAE ČECHOSL., 68, 2001
ÚVOD Využití bioaktivního materiálu BAS-0 (fy LASAK s. r. o., Praha) jako alternativní náhrady autologních kostních štěpů se na naší klinice datuje od roku 1993 (8, 9, 10, 30). Cage z bioaktivní sklokeramiky používáme při léčbě degenerativního onemocnění bederní a krční páteře. S rostoucími zkušenostmi se sklokeramickými cages se ukázaly také nevýhody a omezení dané mechanickými vlastnostmi sklokeramiky (11, 13, 16, 19), a to především ve vztahu k minimální velikosti a relativní křehkosti materiálu. Firmě LASAK se v druhé polovině 90. let podařilo vyvinout nový materiál bioaktivní titan. Mechanické vlastnosti tohoto materiálu několikanásobně převyšují sklokeramiku (tab. 1). Bioaktivní Tab. 1. Mechanické vlastnosti titanu, sklokeramiky BAS-0 a kosti Titan Pevnost v tahu, v ohybu (Mpa) 550 Modul pružnosti (Gpa) 100-120 Lomová houževnatost (MPa.m_1/2) -40-100
Kost 200 25 2-12
o'
'
1
2'
Obr. 1. Vzhled nové titanuH C. I M ' cage z bioaktivního t
'
3
í.
Sklokeramika 170-200 220 2
vlastnosti se sklokeramice vyrovnají. Cílem naší experimentální práce bylo ověření velikosti a tvaru nové cage z tohoto materiálu a ověření způsobu aplikace do bederního meziobratlového prostoru. MATERIÁL A METODIKA A
Mezi bioaktivní materiály v současné době řadíme i bioaktivní titan vyvinutý firmou LASAK (27, 28). Od biologicky inertních materiálů se odlišují bioaktivní materiály schopností přímé vazby implantátu na živou kostní tkáň a osteokonduktivitou (11, 31). Mechanické vlastnosti bioaktivního titanu jsou shodné s čistým titanem a v pevnosti a lomové houževnatosti převyšují charakteristiky kostní tkáně a sklokeramiky. Vlastnosti zajišťující vytvoření stabilního a funkčního rozhraní s kostní tkání, tj. bioaktivita a osteokonduktivita, jsou srovnatelné se sMokeramikou BAS-0 (4,14, 16, 20, 31). Mechanicky a chemicky upravený povrch bioaktivního titanu technologií firmy LASAK má schopnost během hodin až dnů indukovat tvorbu kalcium fosfátu - apatitu, vznikajícího interakcí povrchu materiálu s tělní tekutinou. Chemické a krystalografické vlastnosti tohoto minerálu jsou téměř shodné s kostním apatitem. Ve studiích bioaktivního a bioinertního titanu bylo experimentálně prokázáno (2, 5, 6, 25, 28, 29), že titan s bio- aktivním povrchem lépe toleruje nepříznivé podmínky osteointegrace, jako jsou například mezery do 1 mm mezi implantátem a kostí. Za těchto podmínek dochází v případě bioinertního titanu k vmezeření fibrózní tkáně mezi implantát a kost (20, 28, 31). Pro experimentální otestování implantátu pro mezitělovou fúzi na bederní páteři byl zvolen podobný tvar, avšak menší velikosti než je u bioaktivní sklokeramické cage (8,10). Základ naší cage je tvořen obdélníkovým hranolem o délce 20 mm. Výška protézy v přední části je 8 mm. Zaúhlení směrem k páteřnímu kanálu je 4°
1
2-
Obr. 2. Uchycení aplikačního instrumentária do cage
a šířka 8 mm. Výška předchozí sklokeramické cage byla 8-10 mm bez zaúhlení směrem k páteřnímu kanálu. K tomuto základnímu tvaru, který by již v této podobě mohl sloužit jako náhrada meziobratlové ploténky, jsme ponechali na protilehlých stranách skoseného hranolu dva páry křidélek o výšce 2 mm s ostrými okraji (obr. 1). Pevnost křidélek je dána parametry vlastního materiálu. Křidélka se po otočení v mezi tělovém prostoru zařezávají do spongiózy přilehlých obřadových těl a tím by měla zajistit mechanickou stabilitu implantátu v operovaném úseku před vytvořením vlastní kostěné fúze. Mechanická pevnost materiálu umožňuje ukotvit aplikační instrumentárium (obr. 2) do cage. Je tak usnadněna a zpřehledněna manipulace během aplikace do me- zitělového prostoru. Experimentální aplikace byla provedena zadním přístupem ze středočárového kožního řezu. Po skeletizaci posterolaterálních elementů L3/L4, event. L4/L5, byla parciální oboustrannou hemilaminektomií a parciální facetektomií zpřístupněna meziobratlová ploténka. Po provedení subtotální diskektomie a opracování krycích destiček byly z obou stran zavedeny implantáty z bio-
PÚVODÑTPRÁCE ORIGINAL PAPER
071 / ACTA chirurgiae orthopaedicae 0/ 1
'
ET TRAUMATOLOGIAE ČECHOSL., 68, 2001
implantátu. Při takovém postavení dochází k pevnému ukotvení naší cage v operovaném pohybovém segmentu. Díky fixaci pomocí křidélek v sousedních tělech obratlů nehrozí vycestování cage jak prevertebrálně, tak směrem do páteřního kanálu. DISKUSE Používání materiálů s bioaktivními vlastnostmi začalo ve světě zhruba v druhé polovině 80. let (1, 2, 24, 26). Na naší klinice začali v roce 1993 zavádět cage z bio- aktivní sklokeramiky do operativy degenerativního onemocnění bederní páteře a v roce 1995 do operativy degenerativního onemocnění krční páteře (8. 9, 10).
Obr. 3. Rtg-snímek fixovaného segmentu páteře pomocí nové cage - bočná projekce
aktivního titanu firmy LASAK a jejich rotací o 90 úhlových stupňů v mezitělovém prostoru fixovány těsným kontaktem a pomocí křidélek do sousedních obřadových těl. Tím vytváříme pevnou fixaci cage v operovaném segmentu bederní páteře.
Obr. 4. CT obraz fixovaného segmentu páteře pomocí nové cage transverzální řez
VÝSLEDKY Vlastní experimentání práci jsme prováděli na sekč- ním materiálu. Dvakrát jsme implantovali cage do prostoru L3/L4 a třikrát do prostoru L4/L5. Vždy byla nalezena degenerovaná ploténka, ve dvou případech s de- generativní spondylolistézou I. stupně. V jednom případě jsme provedli laminektomii s parciální oboustrannou facetektomií a ve zbylých pouze parciální facetek- tomii a oboustrannou parciální hemilaminektomii. Laminektomii jsme byli nuceni provést pro těžkou centrální degenerativní stenózu ve výšce L3/L4. Vlastní aplikace probíhala na kadaverech bez větších potíží. Vždy se podařilo aplikovat cage z obou stran ve správném postavení, aniž by došlo poškození 1. nervových struktur v páteřním kanále, 2. protézy či aplikačního instrumen- tária. Z kadaveru byl po aplikaci vyjmut celý pohybový segment s implantáty. Kontrola postavení cage v pohybovém segmentu byla provedena pomocí prostých rtg- snímků (obr. 3) a CT scanů (obr. 4, 5). Postavení bylo vždy uspokojivé. Implantáty nezasahovaly do páteřního kanálu a byly fixovány do obou sousedních obřadových těl jak křidélky, tak i větší části plochy protilehlých stran
Obr. 5. CT obraz fixace nové cage do těla obratle pomocí křidélek — transverzální řez
PŮVODNÍ PRÁCE ORIGINAL PAPER
079/
acta chirurgiae orthopaedicae ET TRAUMATOLOGIAE ČECHOSL., 68, 2001
Srovnávali jsme možnosti aplikace naší nové cage jednak s cage vyrobenou námi ze sklokeramiky v roce 1993, jednak s cages jiných firem, které využíváme v klinické praxi od roku 1997. S rostoucími zkušenostmi se sklo- keramickou cage byly vymezeny indikace vhodné pro jejich použití. Ukázaly se také nevýhody a omezení dané mechanickými vlastnostmi sklokeramiky. Limitujícím faktorem použití sklokeramických náhrad u těžkých de- generativních změn na bederní páteři zůstává pevnost implantátu, která je vázaná na jeho velikost. Dalším limitujícím faktorem je křehkost sklokeramiky, která vyžaduje při aplikaci vyloučení kontaktu s kovovými nástroji. Také není možno zaváděcí instrumentárium uchytit do sklokeramické cage, ale naopak je nutno cage vložit do instrumentária. Po aplikaci cage nedostatečné velikosti roste nebezpečí jeho poškození po zatížení. Při dodržení velikosti cage a správném uchycení do aplikačního instrumentária jsme nuceni provést rozsáhlou dekompresi kostních struktur zadního sloupce a tím roste nebezpečí destabilizace operovaného úseku. Zaznamenali jsme per- a pooperační komplikace hlavně u bederní cage, například zlomení a dislokace fragmentu náhry v mezitělovém prostoru. Snaha po odstranění nežádoucích mechanických vlastností sklokeramické cage vedla k vývoji nového materiálu bioaktivního titanu fy LASAK, spojujícího výhody bioaktivity povrchu s mechanickými vlastnostmi titanu. Srovnávali jsme operační přístup a operační techniku pomocí naší cage s podobnými implantáty firem, které používáme v klinické praxi posledních 5 let (Stryker, SpineTech, Comesa, Mi- ami-Moss). Operační přístup i vlastní operační technika je velmi podobná jako u zahraničních implantátů. Rovněž rozsah odstranění kostních a vazivových struktur a tím i míra instability při aplikaci naší cage je srovnatelný s ostatními typy implantátů. Mechanické vlastnosti našeho implantátu jsou ekvivalentní s obdobnými výrobky zahraničních firem ve všech pevnostních parametrech. Výhody naší cage oproti jiným typům implantátů vidíme: 1. Ve tvaru s křidélky. Tento tvar umožňuje pevně fixovat cage v operovaném mezitělovém prostoru. Tím zabraňuje vycestování implantátu jakýmkoliv směrem. Dokonalá fixace znamená zajištění těsného kontaktu kostní tkáně s povrchem implantátu a křidélka zaříznutá do spongiózy sousedních obřadových těl. Tento požadavek díky mechanickým vlastnotem naše cage splňuje, jak jsme si ověřili peroperačně během experimentálních výkonů a na následných rtg- a CT snímcích. Podobný tvar ale větší velikosti se osvědčil již před lety u naší sklokeramické cage (8). 2. Ve zkrácení doby vlastního operačního výkonu. Naši cage není nutno pro vytvoření fúze vyplňovat kostními štěpy jako jiné typy titanových náhrad bederní páteře. Pacient není vystaven nutnosti odběru kostního štěpu se všemi nevýhodami s tímto odběrem spojenými. 3. Osteokonduktivita a osteointegrace bioaktivního titanu mohou také pomoci tvorbě fúze operovaného segmentu páteře, jak prokázaly experimentální práce (5, 6, 7, 11, 12, 13, 27, 28, 29, 30) a naše klinické práce se sklokeramickými náhradami. Díky těmto výhodám je možnost vyrábět různé velikosti cage při zachování všech mechanických a bioaktivních parametrů. Druh materiálu zaručuje dobrou čitelnost nálezů v CT obraze u pooperačních stavů, rtg- kontrastnost, dobrou per- a
pooperační kontrolu na rtg-zesilovači nebo rtg- -snímcích. Po zkušenostech se sklokeramikou a jinými titanovými náhradami předpokládáme dobrou čitelnost i na MRI (22). ZÁVĚR Použití bioaktivních materiálů je jednou z cest, jak nahradit autologní kostní štěpy při dosažení fúze při spondylochirurgických operacích (3, 4, 8, 15, 17, 21, 23, 24,25, 31). Bioaktivní titan je dalším krokem při vývoji těchto implantátů. Na sekčním materiálu jsme si opakovaně ověřili vhodnost tvaru a aplikovatelnost bio- titanové cage do intervertebrálního prostoru. V klinické praxi by tento typ cage mohl nabídnout pacientovi řadu výhodných vlastností zlepšujících jeho komfort po operaci a snižujících pooperační rizika vyplývající z možných komplikací ve srovnání s kostními štěpy či jinými typy náhrad. Pro spondylochirurga představuje výraznou pomoc chemicky a tvarově stabilní materiál schopný interakce s prostředím, kam je implantován, a vysokou míru osteointegrace i při relativně nepříznivých podmínkách. Po více než 81etých zkušenostech s ostatními typy cage (sklokeramika, titan, medicínská ocel) u PLIF na lumbosakrální páteři předpokládáme, že implantátu bude možno využít ve stejných indikacích.
Literatura 1. BAGBY, G. W.: Stainless Steel Implants for Interbody Fusions. North. Amer. Spine Soc., Proc. Ann. Meet., June 27, 89-90, 1987. 2. CARLSON, L„ ROSTLAND, T„ ALBREKTSSON, B.: Implant Fixation Improved by Close Fit. Acta orthop. scand., 59: 272-275, 1988. 3. CIAPPETTA, P., BORIANI, S., FAVA, G. P.: A Carbon Fiber Reinforced Polymer Cage for Vertebral Body Replacement: Technical Note. Neurosurgery, 41: 1203-1206, 1997. 4. CLAES, L., WILKE, H. J„ KIEFER, H., MASCHENMOSER, A.: Bone Defect Bridging with Different Implant Materials. In: Ya- mamuro, T., Hench L. L., Wilson J. (eds.): Handbook of Bioactive Ceramics 2. Florida, CRC Press 1990, 77-86. 5. CLEMENS, J. A. M„ KLEIN, C. P. A. T., SAKKERS, R. J. B.: Healing of Gaps Around Calcium Phosphate-coated Implants in Trabecular Bone of the Goat. J. Biomed. Mater. Res., 36: 55-64, 1997. 6. CLEMENS, J. A. M„ KLEIN, C. P. A. T., VRIESDE, R. C„ RO- ZING, P. M„ DE GROOT, K.: Healing of Large (2 mm) Gaps Around Calcium Phosphate-coated Bone Implants: A Study in Goats with a Follow-up of 6 Months. J. Biomed. Mater. Res., 40: 341-349, 1998. 7. CLOWARD, R. B.: Lesions of the Intervertebral Discs and their Treatmentby Interbody Fusion Methods. Clin. Orthop., 27: 51-77, 1963. 8. FILIP, M., VESELSKÝ, P.: První klinické zkušenosti v léčbě instability bederní páteře sklokeramickou náhradou meziobratlové ploténky. Acta Chir. orthop. Traum. Čech., 63: 83-87, 1996. 9. FILIP, M„ VESELSKÝ, R, PALEČEK, T„ WOLNÝ, E.: Skloke- ramická náhrada meziobratlové ploténky u degenerativního onemocnění krční páteře-první zkušenosti. Čes. a slov. Neurol. Neu- rochir., 63: 31-36, 2000. 10. FILIP, M„ VESELSKÝ, P, STRNAD, J„ JANÍK, P.: Náhrada meziobratlové ploténky pomocí keramické protézy při léčbě degenerativních onemocnění páteře. Acta Chir. orthop. Traum. Čech., 62: 226231, 1995. 11. HENCH, L. L„ SPLINTER, R. J„ ALLEN, W. C., GREENLEE, T. K.: Bonding Mechanisms at the Interface of Ceramic Prosthetic Materials. J. Biomed. Mater. Res. Symp., 2: 179-149, 1971. 12. HIRSCH, C., SCHAJOWICZ.: Studies of Structural Changes in the Lumbar Cannulus Fibrosus. Acta orthop. scand., 22: 184-231, 1952. 13. JARCHO, M„ KAY, J. F„ GUMAER, R. H., DROBECK, H. P.: Tissue Cellular and Subcellural Events at Bone-ceramic Hydroxyapatite
PŮVODNÍ PRÁCE ORIGINAL PAPER
oyo/ ACTA CHIRURGIAE ORTHOPAEDICAE ET TRAUMATOLOGIAE ČECHOSL., 68, 2001
Interface. J. Bioeng., 2: 79-92, 1977. 14. KIM, H. M., MIYAJI, F„ KOKUBO, T., NAKAMURA, T.: Bonding Strenght of Bonelike Apatite Layer to Ti-Metal Substrate. J. Biomed. Mater. Res.: Appl. Biomater., 38: 121-127, 1997. 15. KLARA, P. M., FOLEY, K. T.: Synthes Modular Spine System. Neurosurgery, 32: 1049-1050, 1993. 16. KOKUBO, T„ SHIGEMATSU, M„ NAGHASHIMA, Y.: Apatite Wollastonite-containing Glass-ceramic for Prosthetic Application. Bull. Inst. Chem. Res., Kyoto Univ. 60: 260-268, 1982. 17. MAROON, J. C., ONIK, G.: Percutaneous Discectomy: A New Method for Lumbar Disc Removal. Technical note. Neurosurgery, 66: 143-146, 1987. 18. McAFEE, P. C„ BOHLMANN, H. H., DUCKER, T„ EISMONT, F. J.: Failure of Stabilization of the Spine with Methylmethal - Crylate. A Retrospective Analysis of Twenty-four Cases. J. Bone JtSurg., 68: 11451151, 1986. 19. NEO, M„ KOTANI, S., NAKAMURA, T.: A Comparative Study of Ultrastructure of the Interfaces between Four Kinds of Surface- active Ceramic and Bone. J. Biomed. Mater. Res., 26: 1363-1370, 1992. 20. NISHIGUCHI, S., NAMAKURA, T„ KOBAYASHI, M„ KIM, H. M„ MIYAJI, F„ KOKUBO, T.: The Effect of Heat Treatment on Bonebonding Ability of Alkali-treated Titanium. Biomaterials, 20: 491-500, 1999. 21. OHNESTI, S. T„ ASHKENAZI, E.: The Ray Threaded Fusion Cage for Posterior Lumbar Interbody Fusion. Neurosurgery, 42: 200-205, 1998. 22. ORTIZ, O., PAIT, T. G„ MCALLISTER, P., SUATER, K.: Postoperative Magnetic Resonance Imaging with Titanium Implants of the Thoracic and Lumbar Spine. Neurosurgery, 38: 741-745, 1996. 23. ROSENBERG, W. S., PRAVEEN. E. M.: Transforminal Lumbal Interbody Fusion: Technique, Compliacions and Early Results. Neurosurgery, 48: 569-575, 2001. 24. ROWLINGS CH. E. III.: Modern Bone Substitutes with Emphasis on Calcium Phosphate Ceramics and Osteoinductors. Neurosurgery, 4: 933936, 1993. 25. SENTER, H. J., KORTYNA, R., KEMR W. R.: Anterior Cervical Discectomy with Hydroxyapatite Fusion. Neurosurgery, 25: 39-42, 1989. 26. SOBALE, K., HANSEN, E. S., RASMUSSEN, H.: Hydroxyapatite Coating Enhance Fixation of Porous Coated Implants. Acta orthop. scand., 61: 299-306, 1990. 27. SONNTAG, V. K. H„ THEODORE, N.: Spinal Suregery: The Past Century and the Next Neurosurgery, 46: 767-778, 2000. 28. STRNAD, J., HELEBRANT, A., MRÁZ, R.: Effect of Mechanical Treatment on Bioactivity of Titanium. In: Materials for Medical Engineering. Euromat 99, 2: 133-139, 2000. 29. STRNAD, Z., STRNAD, J., POVÝŠIL, J., URBAN, K.: Effect of Plasma Sprayed Hydroxyapatite Coating on Osteoconductivity of Titanium Implants. J. of Oral and Maxillofacial Implants. In print. 30. URBAN, K., STRNAD, J.: Clinical Application of the Bioactive GlassCeramics BAS-0 in Orthopaedics. Lék. Zpr. Lék. Fak. Karl. Univ., Hradec Králové, 37: 12-14, 1992. 31. YAN, W. Q., NAKAMURA, T„ KOBAYASHI, M., KIM, H.M., MIYAJI, F., KOKUBO, T.: Bonding of Chemically Treated Titanium Implant to Bone. J. Biomed. Mater. Res., 37: 265-275, 1997.
MUDr. M. Filip, Neurochirurgická klinika Fakultní nemocnice, 17. listopadu 1790 708 00 Ostrava-Poruba
