背景：椎间盘退变是急性和慢性全身退行性变化的一部分,一般多见于30-50岁的人群,目前还没有理想的治疗方法,通常采用非手术来治疗,其中包括物理治疗和镇痛剂治疗。然而,其症状会随着年龄、某些基因或环境因素加重,许多医生寻求脊柱融合和椎间盘切除术来治疗。然而,脊柱融合术会加速相邻的椎间盘退变导致治疗结果也不确定。根据Tibrewal和Pearcy等研究,对照非手术组,椎间盘髓核摘除术手术组术后椎间盘的高度会丢失。人工髓核置换术是近年来新兴的一种治疗方法,一些研究者评估了这种方法的生物力学和临床效果。人工髓核置换术在治疗上有许多优势,它微创,保留椎间盘组织如纤维环和软骨终板,而且保留了椎间盘高度和活动度,防止邻近椎间盘退变(邻近椎间盘退变是脊柱融合术后经常导致的结果)用作人工髓核的材料比较合适的应该是合成的水凝胶,许多水凝胶有很好的生物相容性,它们的物理和机械性能能模拟人体髓核的生理行为,或许最为成功的人工髓核是PDN-Solo,它由RayMedica公司生产,它的核心部件是水凝胶,被聚乙烯外膜包裹。PDN-Solo人工髓核有一个缺点就是它不能完全充满髓核摘除术后残留的不规则髓核空腔。人工髓核与椎间盘软骨终板完美契合以及人工髓核能充满并填充不规则髓核残腔(例如充满并填充腰椎间盘突出症手术摘取椎间盘髓核后残留的不规则髓核残腔)而达到的完美匹配是椎间盘所承受压力分布均匀,不会加速椎间盘退变的必要条件。而且,PDN比人体髓核硬度大,最终会导致软骨终板下沉和植入的人工髓核脱出。PDN人工髓核有一个缺点就是它不能完全充满髓核摘除术后残留的不规则髓核空腔。人工髓核与椎间盘软骨终板完美契合以及人工髓核能充满并填充不规则髓核残腔(例如充满并填充腰椎间盘突出症手术摘取椎间盘髓核后残留的不规则髓核残腔)而达到的完美匹配是椎间盘所承受压力分布均匀,不会加速椎间盘退变的必要条件。PDN比正常人体髓核硬度大,最终会导致软骨终板下沉和植入的人工髓核脱出,而且PDN的前方入路创伤大,术后恢复期长。本研究合成了一种新的可能作为人工髓核的水凝胶材料,作为人工髓核的材料应该满足以下标准：材料具有影像学可视性；水凝胶材料无毒或低毒；水凝胶能完全充满并填充不规则髓核残腔；微创,可以用注射针头注射入髓核残腔；水凝胶有足够的力学强度,耐疲劳。例如合成的水凝胶材料能经受持续的负载等,我们合成的水凝胶材料有可能满足以上标准,与PDN相比,有着PDN没有的优势,它能完全充满并填充不规则髓核残腔,为了术中术后检测水凝胶材料的位置等情况,我们在合成的水凝胶材料中加入医用硫酸钡粉末。为了评价合成的水凝胶潜在的临床应用价值,我们做了以下研究：1)丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶人工髓核的合成；2)非限制性压力试验；3)评价水凝胶材料高度对其力学性能的影响；4)材料的流变特性；5)细胞活性增殖测定；6)水凝胶材料的扫描电镜观察；7)可注射性；8)影像学可视性。第一部分丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶人工髓核的合成目的：合成丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶人工髓核。方法：在氮气保护条件下,将IPDI与聚醚多元醇、PEG、PPG,按计算的质量加入三口瓶中,90℃下反应2h,再加入计量好的DMPA、BDO、丙酮,催化剂辛酸亚锡,70℃C条件下反应3h,得到聚氨酯预聚体,将计量好的丝素水溶液与聚氨酯预聚体高速共混,结果：得到能模拟人体髓核力学性能的水凝胶体系。结论：室温下可以合成丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶人工髓核。第二部分非限制性压力试验目的：为了评价水凝胶材料的非限制性压力下力学性能方法：压缩模量试验制作4个直径15.09±0.06mm、高度16.07±0.13mm的圆柱体丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶样本。样本均在37℃的PBS溶液中浸泡24h后进行测试,测试时温度25℃。力学测试机为采用Zwick Z2.5万能材料试验机。采用上述方法制备的水凝胶溶胀已达平衡的4个假体,每个假体测试时.均以100%应变/分钟的速度加载至70%形变时终止测试,采用频率10Hz来记录假体在整个加载过程中应变变化率(假体纵向位移占假体高度的百分比)和应力.计算水凝胶假体分别在15%,20%,25%应变下的丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶弹性模量。结果：纵向加载加载至70%形变过程中,水凝胶人工髓核假体未出现破坏.加载过程中人工髓核假体应力一应变变化曲线可分为相对平缓的起始段、相对陡峭的上升段,呈非线性表现。在15%,20%,25%应变下的SF/PU水凝胶割线弹性模量分别为0.30,0.34和0.39MPa。样本假体高度压缩超过80%后,卸载后仍能恢复原有高度。结论：丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶有合适的力学性能,有临床应用前景的材料。第三部分评价水凝胶材料高度对其力学性能的影响目的：评价水凝胶材料高度对其力学性能的影响。方法：分别制作3个直径15.12mm、高度16.60mm的圆柱体丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶样本和3个直径15.12mm、高度14.60mm的圆柱体丝素蛋白／聚氨酯复合水凝胶样本。样本均在37℃的PBS溶液中浸泡24h后进行测试,测试时温度25℃。力学测试机为采用Zwick Z2.5万能材料试验机。采用上述方法制备的水凝胶溶胀已达平衡的6个假体,每个假体测试时.均以100%应变/分钟的速度加载至70%形变时终止测试,采用频率10Hz来记录假体在整个加载过程中应变变化率(假体纵向位移占假体高度的百分比)和应力.计算同一直径不同高度的水凝胶假体分别在15%,20%,25%应变下的丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶弹性模量。结果：同一直径高度为16.60mm的圆柱体丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶样本在15%,20%,25%应变下的丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶弹性模量比同一直径高度为14.60mm的圆柱体丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶样本的割线模量分别高0.20,0.22,0.21倍。结论：同一直径,丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶弹性模量随着高度的增加而增加。第四部分材料的流变特性目的：评价丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶材料粘弹性情况。方法：采用上述方法制备的水凝胶溶胀已达平衡的直径25mm,高度2mm圆柱形假体4个,样本均在37℃的PBS溶液中浸泡24h后进行测试,测试时温度37℃。固定应变为0.05%以角频率1弧度/秒对该凝胶样品进行动态应变测试。测试机采用高级流变扩张系统(HAAKE MARS II,German),样品置于流变仪的平行板夹具中,经HAAKE RheoWin Data Manager处理软件处理数据。结果：材料的粘弹性行为显示37℃时,G(复数剪切模量),G’(储能模量),G”(损失模量)和δ(相位角)随频率增高而增大,表现出相同的频率依赖性。储能模量大于损耗模量,6小于45℃。结论：丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶显示出良好的弹性,与人体的正常髓核组织比较,该复合水凝胶质地稍硬,更富有弹性。第五部分细胞活性增殖测定目的：MTT法检测R-BMSC在丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶材料上的增殖方法：在丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶材料上接种新西兰兔骨髓间充质干细胞(R-BMSC),新西兰兔骨髓间充质干细胞(R-BMSC),P4,3×105细胞/样品/孔(厚度=0.2cm/样品)。在24孔板中,细胞培养在37℃的L-DMEM完全培养基中,培养第1,3,5,7天(4个样品/每个时间点)。各时间点MTT法检测细胞增殖情况。全波长酶标仪(Multiskan Spectrum)570nm波长处读取MTT检测值。细胞数量与光密度(OD)呈正相关。种植R-BMSC第3天,扫描电镜观察材料细胞在材料上的增殖情况。结果R-BMSC在丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶材料上的增殖良好。在丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶材料上培养的R-BMSC活细胞数量呈现增殖生长趋势。结论：丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶材料在细胞直接接触试验中显示了很好的相容性。第六部分水凝胶材料的扫描电镜观察目的：观察丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶材料表面形貌方法：采用扫描电镜(Hitachi S-3000N,日本)观察材料水凝胶材料表面形貌结果：水凝胶材料表面有许多相互连通的小孔,直径在5-10umm之间。结论：丝素蛋白和聚氨酯有很好的相容性。第七部分水凝胶材料的可注射性目的：评价丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶材料的可注射性方法：采用外科手术刀于成年猪脊柱的椎间盘前外侧作一个小切口直达髓核腔,并尽可能多的摘除髓核,将研制的丝素蛋白聚氨酯复合水凝胶通过小切口采用注射器注射入髓核摘除后的不规则残腔。结果：丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶,可以以液态或半固态形式注入髓核摘除后的不规则残腔结论：丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶,可以在室温下以液态或半固态形式注入髓核摘除后的不规则残腔。第八部分水凝胶材料的影像学可视性目的：评价丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶的影像学可视性方法：丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶混入硫酸钡后,使用X线片、CT、MRI来评价水凝胶的影像学可视性,采用64排CT (Brilliance64, Philips)和相关工作站分析处理结果；水凝胶因为含水理论上可以在T2加权图像上显示,采用1.5TMRI(Signa HD Excite, General Electric Healthcare, Milwaukee, USA)测试,测试后椎间盘横断面切开并拍照观察。结果：X线片清晰显示位于上下椎体之间的复合水凝胶,CT和MRI图像显示这两种技术都可以很清楚的区分出位于髓核腔的丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶与周围组织,CT还提供了很直观的三维信息。椎间盘横断面切开观察证实了影像学结果,水凝胶充满髓核空间。结论：丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶具有影像学可视性。