一种新型人工颈椎间盘的生物力学研究

张勇，朱悦，郝玉琳，李述军，赵卫东

（1.沈阳医学院附属中心医院骨二科，沈阳110024；2.中国医科大学附属第一医院骨科，沈阳110001；3.中国科学院金属研究所钛合金研究部，沈阳110016；4.南方医科大学生物力学实验室，广州510515）

·技术方法·

一种新型人工颈椎间盘的生物力学研究

张勇1，朱悦2，郝玉琳3，李述军3，赵卫东4

（1.沈阳医学院附属中心医院骨二科，沈阳110024；2.中国医科大学附属第一医院骨科，沈阳110001；3.中国科学院金属研究所钛合金研究部，沈阳110016；4.南方医科大学生物力学实验室，广州510515）

目的研制一种新型人工颈椎间盘并评价其生物力学特点。方法设计一种新型4部件球窝关节人工颈椎间盘，使用新型低弹性模量钛合金（40 Gpa）及医用聚醚醚酮制造，应用生物材料试验机分别进行轴向压缩刚度及疲劳检测，并对植入人工颈椎间盘后的羊颈椎标本进行运动学检测。结果新型人工颈椎间盘具备前屈、后伸、侧弯功能，经过生物力学检测，人工颈椎间盘符合人体力学要求，疲劳试验进行1×107次，未发生明显的损坏及变形。运动学研究表明植入羊颈椎标本后可以维持羊颈椎标本的运动学要求。结论新型人工颈椎间盘符合人体力学要求。

假体；椎间盘；生物力学

颈椎前路减压植骨融合术（anterior cervical discectomy and fusion，ACDF）已广泛应用于颈椎病、颈椎间盘突出症患者的手术治疗。近年来，由于颈椎融合，特别是多节段颈椎融合，引起颈椎活动度减退，相邻节段生物应力发生改变，从而加速相邻节段椎间盘退变的现象引起了广泛的关注。为解决异常应力作用于融合邻近节段的问题，颈椎人工椎间盘置换技术（artificial disc replacement，ADR或total disc arthroplasty，TDA）应运而生，该技术作为当今脊柱外科领域最具代表性的颈椎前路非融合技术。本研究采用新型钛合金及聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）制成新型人工颈椎间盘并进行生物力学及运动学检测，判定其是否符合人体力学及运动学需求。

1 材料与方法

1.1 材料来源

新型低弹性模量高强度钛合金（Ti-Nb-Zr-Sn）由中国科学院金属研究所提供。医用PEEK购自英国Invibio公司。人工颈椎间盘由山东威高骨科股份有限公司协助生产加工。

1.2 新型人工颈椎间盘的设计特点

整体设计为外形“苹果型”设计，分4部件，上下盖板采用低弹性模量高强度的特殊钛合金制成，接触件为上下球窝关节设计，材质为PEEK。盖板与接触件整合采用嵌入技术（图1）。

图1 新型人工颈椎间盘Fig.1 Representitive picture of the new artificial cervical disc

假体活动度设计为6°，即前屈、后伸、侧弯均为6°，基本满足人体颈椎间盘活动需要。设计尺寸参照人体颈椎间盘尺寸，设计3种规格，高度分别为6、7、8 mm，本研究用间盘规格为14 mm×18 mm×6 mm。

1.3 动物标本制备

收集9具1年龄左右宰杀的羊颈椎（C2～C4）标本，采用2层保鲜膜包裹后-20℃冻存。实验前在室温下解冻16～18 h，解冻时使用生理盐水保持标本湿润。剔除椎体周围的肌肉、脂肪和结缔组织等软组织，保证其韧带完整性，不损伤其骨结构，并通过摄片排除其骨性结构异常。标本的两端以聚甲基丙烯酸甲酯包埋制成加载平台，平行度＜1°。在测试节段固定标尺，用于记录脊柱椎间盘的活动范围。测试过程中所有标本喷洒生理盐水以保持湿润。

1.4 生物力学及运动学检测

1.4.1 轴向压缩刚度测试：随机选取6个人工颈椎间盘假体进行测试。将试件安放于特制的压缩用夹具中，安置在INSTRON-8871材料试验机（中国科学院金属研究所提供）上，轴向缓慢加载，加载范围0～9 000 N，加载速率为4 mm/min，记录数据前进行3次加载/卸载，第4次加载开始记录数据，位移传感器自动记录每次位移与载荷变化，分析结果并绘制载荷—位移曲线。

1.4.2 轴向压缩疲劳测试：随机选取6个人工颈椎间盘进行轴向压缩疲劳测试。将试件安放于特制的压缩用夹具中，安置在INSTRON-8871材料试验机上，疲劳载荷采用静态抗压载荷的24%、34%、44%、40%、44%、64%进行加载，载荷比为10，加载频率10 Hz，反复进行1×107次。每种载荷条件更换新假体，假体出现变形或损坏时终止测试，循环次数未达到1×107次为未通过该条件下疲劳测试，观察记录结果。

1.4.3 羊颈椎标本运动学测试及实验分组：将制备好的新鲜羊颈椎标本固定于脊柱三维试验机（南方医科大学提供）上，其实验原理是通过标记物对脊柱的活动进行三维扫描，并将图像传入电脑进行三维运动分析。依据Wilke等［1］提出的标准，采集数据前对标本进行2次预加载/卸载，以消除标本的黏弹性影响，第3次加载时记录数据。实验分组：（1）正常组：通过试验机的加载装置加载24 N（羊头的平均重量），测定9具羊颈椎标本C2/3、C3/4、C4/4正常活动范围与中性区（ROM1、NZ1），记录数据；（2）间盘组：将9具羊颈椎C3/4椎间盘切除后植入研究用人工颈椎间盘，测定C2/3、C3/4、C4/4活动范围与中性区（ROM2、NZ2），记录数据；（3）融合组：将9具切除C3/4椎间盘的颈椎标本采用螺钉交叉固定，模拟融合C3/4节段，测定邻近节段（C2/3、C4/4）活动范围与中性区（ROM3、NZ3），记录数据。

1.4 统计学分析

利用SPSS统计软件进行统计学分析。并经过配对t检验验证ROM1、NZ1与ROM2、NZ2；ROM2、NZ2与ROM3、NZ3差异。P＜0.04为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 压缩刚度测试结果

在试验加载范围内，压缩曲线呈线性变化，全部假体未发生明显的变形及损坏（图2）。

图2 压缩载荷-位移曲线Fig.2 Curve of load-displacement

2.2 疲劳测试结果（表1）

假体在6种不同循环载荷加载模式下进行疲劳测试，所有假体经过轴向压缩疲劳测试1×107次，未发生明显损坏及变形。

2.3 羊颈椎标本运动范围测试结果（表2）

分别获得9例羊颈椎各组运动范围及中性区数据，统计学分析结果表明正常组与间盘组C3/4节段ROM、NZ相比，差异无统计学意义（P＞0.04）。

比较间盘组与融合组C2/3、C4/4节段ROM和NZ，差异无统计学意义（P＞0.04）（表3、4）。

表1 轴向压缩疲劳实验Tab.1 Axial compression fatigue test

表2 正常组与间盘组C3/4节段的比较Tab.2 Comparison of segment C3/4between normal group and prosthesis group

表3 间盘组与融合组C2/3节段比较Tab.3 Comparison of segment C2/3between normal group and fuse group

表4 间盘组与融合组的C4/5节段比较Tab.4 Comparison of segment C4/5between normal group and fuse group

3 讨论

目前广泛应用的人工颈椎间盘主要包括Bryan、Prestige、ProDisc、PCM、Cervicore以及Mobi-C等类型。与前路椎体间融合术比较，在保留置换节段运动范围与降低相邻节段退变方面均具有明显优势［2，3］。但人工颈椎间盘也出现了假体沉陷、异位骨化、运动范围改变以及生理曲度消失等临床并发症［4］，主要是假体材料学及设计学缺陷所致。本研究研发的新型人工颈椎间盘的设计充分考虑到现有人工颈椎间盘的缺点，采用新型低弹性模量（40 Gpa）相对高刚度的钛合金制成上下盖板，与现有产品材料相比（钛合金110 Gpa，钴铬钼223 Gpa），模量更加接近椎骨，避免了应力集中及遮挡。新型设计在上下盖板偏向后方各设计了1个突出于假体表面1.4 mm的圆形突起，可以更好地适应终板形状，增大受力面积，减小了陷入的危险。在圆形突起的两侧分别设计了3枚高约1.4 mm的椎状突起，可使人工假体牢固的固定于上下位椎体间，减少假体滑出的危险，获得稳定的暂时固定。而上下盖板表面进行的钛砂涂层在椎体骨质的长入后则提供了长期固定。Fong等［4］对Bryan假体的研究发现，由于Bryan假体前后高度一致的设计使植入后的颈椎丧失了正常的生理曲度，从而导致正常应力传导发生改变，进一步使颈椎的活动度改变。针对这一设计缺陷，本研究研发的新型人工颈椎间盘采用前高后低的楔形设计，倾斜角度约为7°，在保证稳定性的前提下保留了颈椎的生理前凸，降低了术后生理曲度发生改变的几率。椎骨松质骨的压缩强度为1.44～4.6 MPa，因此，在椎骨未发生破坏前，可以施加到本研究用假体之上最大的强度为4.6 MPa。本研究设计的假体表面积约为270 mm2，据此计算，轴向最大载荷应不超过1 242 N，否则就会引起椎骨的破坏。轴向压缩载荷-位移曲线显示，在消除起始阶段的预加力和误差等因素的影响后，本研究采用的新型人工颈椎间盘在材质上具有明显的性能优越性。轴向压缩试验结果表明，在压缩载荷范围内（0～9 000 N），材料呈弹性变形测试最大载荷超过引起椎骨破坏承受力7倍以上，假体未出现明显变形及损坏。说明本材料组合具有足够的强度满足人体力学活动需要。而所有假体均通过了按照美国ASTM F2346标准进行的力学测试，说明该假体材料及设计安全可靠。PEEK是一种新型特种热塑性工程塑料，具有弹性模量与皮质骨相近、摩擦性能优异、可透X线、蠕变量低、惰性高等特点，且生物相容性出色。医用植入级PEEK最早由英国Invibio公司于1999年开发，并于20世纪80年代末首先应用于骨科创伤内固定器械及股骨柄假体的研究，20世纪90年代中后期各厂商开始将其应用于脊柱椎间融合器。目前已经有2种人工椎间盘的PEEK产品研发，其中NUBAC人工间盘［6］（Pioneer Surgical Technology公司，美国）的设计中带有PEEK-on-PEEK的球-臼关节，该设备经过全面评估，包括单向测试、耦合运动，结果显示该假体具备优异的耐磨损性能。Grupp等［7］通过体外摩擦实验比较3种用于颈人工椎间盘摩擦界面材料的摩擦数据，结果显示：PEEK对PEEK界面的磨损量明显低于聚乙烯对钴铬界面，而碳纤维增强型PEEK的磨损率更低。有研究表明，由于磨损形成的微小颗粒是引起异位骨化的重要原因之一。钛合金具有较高的强度，但磨损性能较差；PEEK磨损性能优越，强度却不及钛合金，因此本研究采用的新型材料组合减少了由于材料因素而引起的并发症。与金属材料相比，PEEK具备更佳的黏弹性行为，更加接近正常髓核组织。与金属结构相比，可以更加均匀的分散应力，降低载荷，这与正常椎间盘可以减少震荡的功能类似，说明该材料组合模式具备一定优势。

国内外的学者通过X线测量发现羊颈椎的椎间隙高度与人体颈椎椎间隙高度相近，C3/4节段的运动范围与人体接近。因此，采用羊颈椎作为动物模型进行力学及运动学研究可以获得满意结论。本研究采用羊颈椎标本进行测定，正常组C3/4节段活动度范围ROM分别为前屈7.76°±0.96°，后伸4.47°± 0.31°，侧弯10.13°±0.44°，旋转6.41°±0.89°，与国外文献报道接近［8］。考虑到动物品种差异及人为因素影响（如肌肉韧带保留程度等），本研究采用的羊颈椎标本测定结果基本可靠。该运动范围测定结果可以与人体颈椎运动范围进行比较研究。本研究设计的假体未限制旋转，然而结果显示间盘组旋转角度与正常组无统计学差异，提示间盘周围软组织及骨性结构对限制旋转起到一定作用。除此之外，正常组与间盘组的C3/4节段其他各向运动范围比较无统计学差异，证实了本研究设计的人工颈椎间盘的活动度基本满足羊颈椎运动范围需要，植入前后相邻C2/3、C4/4节段的运动范围并没有发生明显改变，说明人工颈椎间盘同时保留了相邻节段运动范围，与国外文献报道结果一致［9］。而正常组的运动范围与C3/4节段融合组相比较，C2/3、C4/4节段的运动范围也没有发生明显改变，这与文献大量报道的融合后邻近节段运动范围减少不符合，然而文献报道的融合后相邻节段运动范围减少大多为长期随访结果，近期融合后邻近节段运动范围变化情况鲜有报道。本研究的测定结果为体外瞬时研究，故该结果的测定只能从侧面证实本研究所用人工颈椎间盘的运动范围设计安全可靠，短期内不会引起相邻节段因运动范围发生改变而引起潜在的退行性改变。

［1］Wilke HJ，Wenger K，Claces L.Testing criteria for spinal implants：recommendations for the standardization of in vitro stability testing of spinal implants［J］.Eur Spine J，1998，7（2）：148-144.

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［3］Park CK，Ryu KS，Lee KY，et al.Clinical outcome of lumbar total disc replacement using ProDisc-L in degenerative disc disease：minimum 4-year follow-up results at a single institute［J］.Spine（Phila Pa 1976），2012，37（8）：672-677.

［4］Lee JH，Jung TG，Kim HS，et al.Analysis of the incidence and clinical effect of the heterotopic ossification in a single-level cervical artificial disc replacement［J］.Spine J，2010，10（8）：676-682.

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［6］Corie D，Mummaneni PV.Nucleus replacement technologies［J］.J Neurosurg Spine，2008，8（2）：114-120.

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（编辑 王又冬）

BiomechanicalEvaluation ofa NovelDesigned ArtificialCervicalIntervertebralDisc

ZHANGYong1，ZHUYue2，HAOYu-lin3，LIShu-jun3，ZHAOWei-dong4
（1.2nd Division，Department of Orthopedics，Shenyang Medical College，Shenyang 110024，China；2.Department of Orthopedics，The First Hospital，China Medical University，Shenyang 110001，China；3.Titanium Research Department，Institute of Metal Research Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China；4.Biomechanics Laboratory ofSouthern MedicalUniversity，Guangzhou 410414，China）

ObjectiveTo develop a new type of artificial cervical intervertebral disc and investigate the biomechanical characteristics.MethodsA new type of four-part ball and socket joint artificial cervical disc was developed using a new low elastic modulus titanium（40 Gpa）and PEEK. Axialcompression testing and fatigue testing was performed.In addition，kinematics analysis was carried outin sheep cervicalspecimens afterreceiving artificial cervical disc implantation.ResultsThe results showed that the new artificial cervical disc meets the ergonomic requirements with flexion，extension，and lateral bending functions.After 1×107times of fatigue tests，no obvious damage or deformation was observed.Kinematics study also suggested that the cervical spine kinematics can be maintained in these sheep received cervical specimens implantation.ConclusionThe new artificialcervicaldisc can satisfied the requirements in clinicalapplications.

disc prosthesis；intervertebral disc；biomechanics

R681.4

B

0248-4646（2014）04-0341-04

辽宁省医学高峰建设工程项目（2010012）；辽宁省科学技术计划（2011224041）

张勇（1978-），男，主治医师，博士.

朱悦，E-mail：zhuyuedr@163.com

2014-02-24

网络出版时间：