恢复脊柱结缔组织部分功能的手术，对于脊柱外伤或退变患者减轻疼痛和恢复功能而言，至关重要。手术辅助材料有自体或异体组织，金属，陶瓷和高分子聚合物。高分子聚合物包括超高分子聚氨酯（UHMWPE），聚醚醚酮（PEEK）及聚氨酯。
作为聚合物家族的聚氨酯，由于其弹性特征而被引入医用。可通过改变单体构成及高分子链不同单体而改变块大小。下表中列出了目前脊柱手术中使用的超高分子聚氨酯，PEEK和不同聚氨酯的特性。表中可见，聚氨酯的模量反应了与超高分子聚氨酯，PEEK相比的弹性特征，与超高分子聚氨酯在牵拉强度、断裂延伸率和硬度方面类似，而与PEEK不同。
表 脊柱装置中采用的聚合物材料典型特征比较
医学中聚氨酯聚合物的应用
历史上，聚氨酯材料已用于医学，基于其弹性可提高医学装置的成功或延长寿命。最早用于心血管，其压力变化下弹性（以利泵血），可延展和收缩而不发生疲劳失败（如血管移植物）或可折弯而不骨折（如电极引线绝缘体），对于长期应用很重要。
尽管最早于1967年得以应用，在上世纪80年代中后期，学者们逐渐意识到使用聚醚聚氨酯（PEU）可能存在之前未发现的失败机制而需进一步研究。
研究表明，由于制造和置入中聚合物中的残余应力，在失败中可能发挥作用，若残余和工作应力可最小或消除，则PEU可持续应用。聚酯聚氨酯亦用于医疗领域，体内易于降解。至少有一篇文章提示，聚醚聚氨酯脲（PEUU）具有更好的生物稳定性及更佳使用潜力。
另一篇探讨PEUU心脏瓣膜失败的文章，提示钙化和磨损在失败中起部分作用。致力于使得聚氨酯更具生物稳定性的研究持续，聚碳酸酯聚氨酯（PCU）逐渐显示潜力。比较同样条件下PEU，PEUU和PCU的研究表明，在生物条件下，PCU更耐降解。
1991年，Szycher 等报道了一种新的聚氨酯（a PCU），可消除聚合物链中醚酯结合，在生物环境中防止微裂纹。PEU与PCU相比，Tanzi等也发现PCU在体外碱性环境下更稳定，PEU在酸性环境下更稳定，从而认为，PCU在医疗条件下更为稳定。在凯斯西储大学进行了多年的多种技术检测，更新了比较结果的数据。
Mathur等比较了在融合器置入系统中不同聚合物特性，发现氧化而导致的降解中，PEUU最多；PCU最少。Wiggins等在过氧化氢和二氯化钴溶液中进行了体外动力测试，起初发现PEUU在高应变率下更脆，进一步测试表明，在类似测试条件下，PCU表现更好。
Christenson等继续了该研究，发现了相似的体外实验结果，PCU降解的发生由于体内接触到邻近细胞，氧化降解作用为主要机制，而PCU生物稳定性则需进一步研究。Labow等警示PCU多聚体的硬段化学在生物环境中长期稳定性方面发挥作用。
聚碳酸酯聚氨酯弹性体已在体外实验用于关节负重表面，且至少用于一种装置。其临床实验也正在开展，并有结果报道。早期临床实验取出的装置分析的结果提示，该材料作为负重面仍保持其完整性。在此装置中比较UHMWPE和PCU颗粒物（磨损产物）的研究表明，对PCU的反应较UHMWPE更小。氧化测试表明，在Ɣ射线辐射下，PCU较UHMWPE更抗氧化。
临床上正在测试或应用的包含聚氨酯的脊柱装置
后路动态稳定装置
“动态稳定”从词语表面看，似乎暗示脊柱得以稳定，同时该节段动度保留。很多该类装置采用的是弹性聚氨酯联合金属部件以维持整体韧度。在接下来讨论的每个装置中可见，美国批准使用的装置，仅在同节段融合时可用。而至少在美国以外，脊柱外科医师用这些装置提供稳定而保持动度，不加融合。
脊柱动力中立系统
脊柱装置动力中立系统（Dynesys）包括椎弓根钉，之间以聚酯条带连接，聚酯条带卡于椎弓根钉头部（图1）。条带在PCU管中，紧紧置于椎弓根钉头部卡槽中，使得条带上的张力或PCU上的压力帮助控制脊柱允许范围内的活动。基于研发者和早期应用者的报道，似乎该装置设计的意图是用于非融合。
在美国，仅许可在融合情况下应用Dynesys，而且当牢固融合达到后即取出该装置。比较Dynesys不融合与PLIF装置的临床试验，因不融合使用Dynesys未获美国食品药品监督管理局许可，而终止。在发表的2篇文章中，Kurtz等总结了两个研究组的数据，对100多个Dynesys装置置入5年及7年后取出进行了检测。
他们发现了PCU表明变化以及表面的腐蚀，变化似乎由于水解和化学改变，裂纹延伸至表面少于100微米，有一例例外，裂纹从内表面延伸至外表面。当材料与骨性结构或椎弓根头部卡槽接触时，腐蚀和/或变形即发生。他们报道，PCU中的化学变化似乎和长期的置入相关，感染可改变局部的生物环境。
图1 脊柱动态中立系统（Dynesys）动态稳定系统
另一项研究对置入19个月的材料进行检测，PCU表面轻度化学变化，而材料内部均未发生化学变化。对于置入更长期的装置取出并检验，可决定PCU是否能在传到压应力和暴露于生物液体环境中，是否能维持完整性。用Dynesys不加融合临床试验的或美国以外的脊柱外科医师，发现该技术达到了类似融合的稳定性，而手术时间短，损伤更小。
对参加临床试验的部分患者影像学研究，记录稳定获得和动度保持，发现尽管未至融合，但获得了稳定，但固定节段仅少量动度存在。使用该装置多节段稳定，单独使用该装置在某些节段，其它节段联合融合，有成功的报道。但需进一步研究确定哪些节段需要融合，哪些节段稳定即可，不需融合。
Transition
Transition装置亦是带聚酯条带的装置，聚酯条带提供张力，PCU袖套提供压应力（图2）。连接于椎弓根钉，仅被许可用于融合。文献的搜索未见到关于此装置临床或取出分析结果。Paul McAfee医生在他的个人网页上发表了他的早期经验，术后6月，无装置失败及翻修，仅1例因感染再手术。
图2 Transition稳定系统
NFix II/NFlex/NGarde
NFix II/NFlex/Ngarde装置由钛合金中央棒，PCU袖套及椎弓根螺钉组成，可实现脊柱单节段或多节段固定。装置一端为连接一枚椎弓根螺钉的实心棒，另一端逐渐变细，外层为钛合金袖套，中间夹层为弹性PCU，从而使得活动时产生压力，固定脊柱节段的同时又不完全限制动度。
尽管不明确市场上是否还在用，但明确的是美国仅用于融合，并要求在标签上注明，不融合应用的安全性未知。五家医院使用该装置，用于单独非融合固定或融合节段邻近使用，回顾性报告表明，在减轻疼痛和改善功能上有效。据报道，在美国以外，该装置用于非融合有欧洲认证标志，而在美国，安全性未知。
Total Posterior Spine
Total Posterior Spine装置（图3）属于脊柱后路装置，连接于椎弓根螺钉，限制相邻节段屈曲/后伸，轴向旋转和侧方弯曲，以在非融合情况下恢复腰椎稳定性。该装置由钛和PCU构成，内有PCU涂层的金属阻隔心以控制活动，外部有聚氨酯膜包裹。
该装置实验室和早期临床研究结果已发表，表明可在尸体和患者中控制动度，临床症状得以改善。目前应用该装置的国家有澳大利亚，德国，以色列，土耳其和英国。在美国正处于临床试验阶段。
图3 Total Posterior Spine系统
PDS系统
PDS系统（前称为PercuDyn系统）(图4)与上述的系统发挥作用的方式不同。包括钛椎弓根螺钉和PCU稳定器（垫片），置于受累椎间盘近端关节突之下，与尾端椎体螺钉相连。垫片阻止关节突后伸，从而提供该节段部分稳定。
体外于脊柱模拟器上的磨损研究表明，经过超过1000万次的循环，PCU成分磨损很轻，颗粒物直径主要为1-10微米。尽管该文章的题目表明成分的周期性重称重，但因测试配置，不可能称重。
质量损失通过测量颗粒物的质量并修正为恢复率，基于已知血清中颗粒物浓度。比较三种后路稳定系统（X-Stop，IsoBar和PDS）的实验室研究表明，每种装置限制活动方式不同，PDS装置限制过伸最有效。另一项实验室研究亦表明，该装置可有效限制脊柱运动及对椎间盘压迫实现减压。
2009年开始对该装置的一项临床试验，研究了联合融合使用该装置，该研究最终终止，未搜索到该临床试验的文章发表。另一项三个病人的临床结果表明，该装置具有的微创性及提供的稳定性，使之成为脊柱外科的实用工具。2009年脊柱成形协会会议上未发表的报道，40例使用PDS装置的患者，临床疗效改善明显。
图4 PDS系统
椎间盘置换装置
Bryan
颈椎Bryan人工椎间盘由钛、钛合金及两种不同的聚氨酯构成（图5），2009年允许在美国销售。该人工椎间盘中央负重核心为PCU，与钛合金终板构成关节。关节表面包裹聚氨酯鞘，置入时注入无菌盐水。许可文件中注明PCU为Bionate-S，聚氨酯鞘为Biospan-S，与聚合物提供者的数据表不完全匹配，或可反映出数据表中提到的SME或SAME末端或表面修正技术。
图5 Bryan颈椎人工椎间盘
除了许可文件中的前期临床研究外，源于同一主要研究者的三篇模拟测试，记录了经1000万到4000万次循环测试，磨损量的数值。PCU核心材料高度的丧失，首先归因于蠕变，每百万个循环产生1.2mg的质量丧失。另外，将人工椎间盘置入山羊后，随访12月，对周围组织内的颗粒物进行研究以评估磨损。
术后半年，3只山羊中，1只山羊人工椎间盘周围组织中检测到双折射颗粒，术后1年，2只山羊检测到。术后3月时，未发现颗粒，任何时间点均未见炎症反应。
模拟测试装置与人临床应用后取出的装置进行了对比，研究者发现，4-16月发现磨损，患者样本量小，与模拟测试的磨损相比，磨损很小。但在获得进一步数据前，还是应该引起注意。作者提出刺激器100万次循环，或相当于临床使用1年多。
临床应用中，关于该装置并发症的报道很少。有篇文献综述报道了人工椎间盘置入后，异位骨化和关节活动丧失，并引用了异位骨化的可能原因和危险因素。但对于脊柱外科医生而言，并不意味着聚醚聚氨酯和钛合金为病因。
另一项术后8年的文献综述，发现异位骨化发生率为48%，较其它颈椎人工椎间盘发生率低，且不包含聚醚聚氨酯。2012年，在一个置入该装置8年后，假体疲劳骨折的病例，该装置前方有一软组织包块，切除后该个案报道中未作进一步描述。
颈腰椎人工椎间盘M6
人工椎间盘M6亦由钛合金终板和PCU芯组成。芯周围为聚氨酯纤维，外裹弹性鞘，其构成成分未界定，可能是聚氨酯。具有颈椎人工椎间盘M6-C和腰椎人工椎间盘M6-L两种，均未在美国获准使用。在美国开展的M6-C的临床试验已取消，未招募到患者。在世界很多国家该装置有销售。文献检索未找到任何关于该装置的临床结果或并发症报道。
其它人工椎间盘
一篇发表的文章报道了腰椎人工椎间盘，其钛合金终板间PCU为专利配方，亦配备了带力学传导器的自充电电子数组，可提供给医生遥测负荷数据。发表的应用仅限于狒狒。据报道，其PCU较其它医用商业PCU聚合物在体外更耐水解。
美国LP-ESP装置，在钛合金终板间为聚碳酸酯缓冲，芯为硅酸胶。具有7年临床经验的医生，发表了关于此装置120例患者的力学测试和临床结果的前瞻性研究报道，随访36月，未发现PCU的生物降解，Oswestry残障指数明显改善。该文作者未报道装置取出情况。
Freedom腰椎人工椎间盘（图6），钛合金终板与骨接触面具有钛珠涂层，终板间为具有专利的PCU芯。已获得欧盟认证商标，在英国和德国正进行市场后期临床研究，在美国正进行临床试验。该装置疲劳和磨损测试结果表明，2400N载荷，5000万次循环仍完好，6000N载荷下1000万次循环亦未破损。
磨损测试至3000万次循环，每1百万循环产生1.7mg的质量丧失，类似于其它椎间盘假体的实验室测试结果。该文章也报道了欧洲的前50个患者随访2年的结果，90%的患者较术前改善，未见假体失败。另一个颈椎装置Freedom颈椎人工椎间盘（图7），也获得了欧盟认证商标，正在德国和瑞士进行临床试验。
图6 Freedom腰椎人工椎间盘
图7 Freedom颈椎人工椎间盘
也有螺旋髓核置换装置，称作“Newcleus”，由PCU制成，以直持取器置入椎间盘，置入后可弹回螺旋形，亦可实现置入时切割成合适长度。除了最初2002的报道外，能获取的信息很少。仅置换椎间盘髓核而保留剩余结构的可能性，如果软骨终板和纤维环完好有功能，对于脊柱外科医生而言，很有吸引力。因为这样相对保守的疗法，如果以后需手术，保留了更多的手术选择机会。
椎体置换
对某些病例，如恶性病变，椎体骨折或塌陷，手术医师可能希望以可负荷的人工材料置换椎体，以在愈合时更好的维持椎体高度。为此目的设计的装置多为钛或钛合金或PEEK。约16年前，德国公司提出了新的构成材料：聚氨酯复合钙硅磷酸盐陶瓷填充物。
第一份报道表明，在原位，6月时界面抗剪强度低，但随着时间推移，与骨界面增大，抗剪强度明显增高。将该材料以碳纤维加强的PEEK附件系统复合后测试，于固定节段可实现固定和控制活动增强，但取决于固定骨的质量。该文章还报道当时已将该装置用于7例患者。
该研究中5名患者的结果在后续报道中进行了详细描述。该研究中所有患者均为脊柱恶性病变，进行了切除，并以人工复合椎体系统进行重建。随访时间5个月到39个月，其中3例患者死于原发病，1例死于其它原因，1例29个月时仍存活。
对尸检时取出的一个假体进行组织学分析未见炎性迹象，可见骨吸收的少许迹象，尽管影像资料提示骨连接，与早期文章结果相反。由于临床样本量小，作者建议对该假体系统加以改进并进一步研究。在后续文献中未见更多的研究报道。
结论
手术中使用弹性聚合物修复本为弹性性质的组织结构或恢复组织功能，很有吸引力。经验表明，改变活体内机械表现可导致邻近结构的重建或负荷传递。随着聚合物的化学特性的完善和设计，聚氨酯的生物稳定性和力学表现也得以改善。脊柱椎间盘发挥其功能，基于椎间盘本身含有胶原和液体而具有的弹性。
本文之前谈到的获得临床应用的不同装置的报道，取得了成功。尽管取出装置有磨损或降解的报道，聚氨酯材料总体力学和生物特性表明，至今为止，聚氨酯长期稳定性没问题。采用聚氨酯保留脊柱动度和脊柱固定节段的稳定性方面的完善，已获得法规许可和临床应用，但仍需大量研究，设计和测试，以达到设计这些装置的目的。
在某些情况，长期应用生物稳定性仍是个问题，存在磨损和疲劳。尽管迄今为止的报道令人鼓舞，长期随访及患者体内取出装置的分析，将提供数据以预测这些革新的结果。持续临床应用可给相关工业提供改善脊柱功能的新挑战和机会。
