非融合技术人工椎间盘在山羊体内模型建立的效果研究

孙晋保，王永清*，熊庆广，张庆杰，赵志辉，毕红宾，李毅

(1.天津医科大学第四中心临床学院骨科，天津 300140；2.天津中医药大学研究生院，天津 300193)

实验研究

非融合技术人工椎间盘在山羊体内模型建立的效果研究

孙晋保1，王永清1*，熊庆广1，张庆杰2，赵志辉1，毕红宾2，李毅1

(1.天津医科大学第四中心临床学院骨科，天津 300140；2.天津中医药大学研究生院，天津 300193)

目的 通过建立非融合技术人工椎间盘(artificial disk of non-fusion technology，ADNFT)的山羊体内模型，研究其喷钛涂层骨长入、固定效果及非融合技术，为临床应用提供可行性证据。方法 选择10只成年健康山羊作为实验对象，体重35～55 kg，羊龄10～24个月，随机分成A、B两组，每组各5只，经腰椎前外侧入路，行非融合技术人工椎间盘置换术，A、B组分别在术后3、6个月行腰椎正侧位的影像学检查，并分别在术后3、6个月取出包括假体在内的周围骨组织和软组织，常规制作标本后分别行病理、扫描电镜检查。通过腰椎影像学、病理及扫描电镜评价假体的固定效果、喷钛涂层骨长入及人工椎间盘的活动度。结果 10只山羊均建模成功，术后取出假体及周围组织的病理结果及电镜下可见假体喷钛涂层骨组织长入良好，人工椎间盘的钴铬钼合金、硅胶及喷钛涂层与周围组织相容性良好，腰椎X线片示假体位置良好，无松动，人工椎间盘有一定的活动度。结论 非融合技术人工椎间盘的喷钛涂层骨长入良好，与椎体的固定效果可靠，材料的组织相容性好，具有非融合技术的效果。

内固定器；人工椎间盘；非融合术；羊模型；术后评价

腰腿痛常见病因是腰椎间盘病变，传统外科治疗手段是椎间盘摘除术和脊柱融合术。脊柱融合后可导致融合节段运动功能的丧失、生物力学的改变，并引起或加快邻近节段退变[1-2]，同时易发生植骨不融合、假关节形成、取骨部位疼痛、感染等并发症[3-4]。与之相比，非融合技术可维持或恢复节段间运动，减少邻近节段退变，达到保护脊柱运动功能的效果[5-7]。但椎间盘假体在临床应用过程中存在假体下沉、移位或脱出、位置不良、椎间盘假体无运动等问题[8-12]。为此，我们结合骨组织工程学、脊柱生物力学、材料学等原理设计了ADNFT，通过建立山羊ADNFT体内模型，观察研究其效果。

1 资料与方法

1.1 非融合技术人工椎间盘(artificial disc of non-fusion technology，ADNFT) ADNFT：由上下托板A(分为无侧板型和有侧板型)、一个硅胶人工间盘B组成。托板和硅胶轴心由锁定螺钉D固定，侧板型的螺钉孔供松质骨螺钉固定假体至椎体。人工椎间盘采用硅胶材料制作；托板采用钴铬钼材料制作，与骨组织接触的区域有喷钛涂层。人工椎间盘单元万向弯曲活动范围±5°(见图1)。

1.2 动物选择和分组实验 选择10只健康、四肢脊柱无畸形、活动良好的成年山羊，体重35～55 kg，年龄10～24个月，均为雄性，随机分成A、B两组，每组各5只，均切除L3～4或L4～5椎间盘，植入无侧板型ADNFT。

1.2.1 山羊体内ADNFT模型建立 静脉麻醉成功后，山羊右侧卧于手术台上，其颈部及四肢固定于手术台上，脱毛机脱去术野羊毛，常规碘伏消毒术区，铺无菌巾单。取后外侧长约10 cm斜行切口，起自髂骨上缘，斜向后外上的肋部，依次切开皮肤、浅深筋膜，切开腹外斜肌、腹内斜肌、腹横肌及腹横筋膜，暴露后腹膜，见其完整，其内肠管蠕动正常；压肠板、大S拉钩将后腹膜及其内容物拉向前内侧，显露腰大肌，仔细分离腰大肌与腰椎侧面，显露腰椎椎体及椎间盘，在椎体侧面显露分离腰横动脉，予以钳夹、切断、结扎。定位确定L3～4或L4～5椎间盘，尖刀切开椎间盘，髓核钳咬除腰椎椎间盘，刮匙彻底刮除髓核组织至上下终板，保留前、后纵韧带，撑开椎间隙，测量椎间隙高度和宽度，选择大小合适的ADNFT植入，将假体置于椎间隙中心位置。无菌生理盐水冲洗伤口，彻底止血后，于切口下方放置橡胶引流管1根，固定后接无菌袋。清点器械敷料无误后，依次缝合腹横筋膜、腹横肌、腹内斜肌、腹外斜肌、深筋膜、皮下组织及皮肤，无菌纱布及棉垫包扎伤口，帆布带固定伤口及四肢。

a 无侧板型 b 有侧板型

图1 改进的ADNFT

1.2.2 围手术期管理 术前山羊禁食36～48 h，禁水12 h，预防术中胃肠胀气；术前30 min静滴头孢替唑钠2.0 g，预防感染；术中观察山羊的呼吸、脉搏及体温，保持呼吸道、输液通道畅通，术中根据出血量适当补液。术后观察山羊的生命体征、饮食、大小便、腹部及四肢活动情况，伤口定期换药，术后连续3 d给予头孢替唑钠2.0 g肌肉注射预防感染。

1.3 骨长入、固定效果和非融合技术评价 分别在术后3、6个月行腰椎X线影像学检查。A、B两组分别在术后3个月和6个月处死，取出假体和周围组织，观察假体周围的组织反应情况，并行病理、扫描电镜检查，通过腰椎影像学、病理及扫描电镜结果评价假体的固定效果、喷钛涂层骨长入情况，通过腰椎正侧位、左右侧屈正位、过伸过屈侧位的影像学结果，应用AutoCAD制图软件测量人工椎间盘的活动度。

2 结 果

2.1 一般情况 10只山羊均建模成功，术后第1天可正常行走，术后四肢肌力正常，感觉运动功能正常，大小便正常，截瘫指数为0，切口无感染，I/甲愈合。

2.2 影像学结果 术后3个月、6个月腰椎X线片示：ADNFT固定良好，上下托板位置良好，无移位及松动表现，假体周围无骨坏死及骨吸收(见图2～3)。

图2 术后3个月腰椎正侧位X线片示假体固定及位置良好，无移位及松动表现

图3 术后6个月腰椎正侧位X线片示假体固定及位置良好，无移位及松动表现，假体周围无骨坏死及骨吸收

2.3 人工椎间盘活动度的测量 通过腰椎正侧位、左右侧屈正位、过伸过屈侧位的X线片，应用AutoCAD制图软件分别测量假体上下终板切线的夹角，测量的活动度见表1。

2.4 骨长入结果 术后3个月和6个月取出羊脊柱标本见假体固定良好，无松动及移位。病理及扫描电镜结果示术后3个月假体的喷钛涂层界面有少量骨细胞和骨基质长入，术后6个月有明显的骨细胞和骨基质长入(见图4～7)，术后6个月骨长入较术后3个月明显。肉眼见术后3个月和6个月的假体周围组织正常，无炎性反应表现。病理及扫描电镜结果示周围组织结构正常，无炎性细胞浸润。

表1 测量的左右侧屈正位、过伸过屈侧位的活动度

图4 术后3个月喷钛涂层界面组织HE染色病理结果：喷钛涂层界面有少量骨细胞和骨基质长入(×200)

图5 术后6个月喷钛涂层界面组织HE染色病理结果：喷钛涂层界面骨细胞基质和骨长入明显(×200)

图6 术后3个月喷钛涂层界面组织扫描电镜结果：界面骨细胞和骨基质长入，骨细胞表面多突起的连接(×10 000)

图7 术后6个月喷钛涂层界面组织扫描电镜结果： 界面骨细胞和骨基质长入明显(×1 000)

3 讨 论

3.1 关于ADNFT 脊柱的功能单位是由相邻的脊椎骨及其间的软组织构成，是能显示与整个脊柱相似的生物力学特性的最小功能单位，即支撑、缓冲、万向弯曲和旋转功能。理想的人工椎间盘可恢复退变椎间盘的运动学、负载能力，达到节段性稳定、分担载荷和节段性运动的目的。目前人工椎间盘在临床应用中仍存在较多问题，需要进一步深入研究。

ADNFT的托板采用钴铬钼合金制造，其耐腐蚀性、耐磨损性、抗疲劳强度、生物相容性和机械性能均良好。喷钛涂层可以促进良好的骨长入，获得假体的长期稳定性。人工椎间盘采用硬度为60HA的医用硅胶，可以使假体具有对应力的弹性传导、缓冲和吸收振荡功能，模拟生理椎间盘的万向弯曲、旋转和减震功能，有益于保护与假体接触的骨面。硅胶具有耐老化、耐热、耐寒、无毒、生物惰性、对人体组织反应小及较好的物理机械性能等特点，符合医用高分子材料的要求[13-14]。钴铬钼合金、纯钛和硅胶的生物相容性良好。人工硅胶间盘与上下托板采用球面接触，镶嵌在托板内，通过硅胶的变形来实现椎间盘的各项生理功能，避免了使用滑动核容易脱出的问题。

ADNFT主要的适应证为椎间盘源性腰痛和椎间盘摘除术后失败综合征，具体包括：单节段或多节段椎间盘退变性疾病及其所致的椎间盘源性腰痛，严重的腰椎间盘突出症，脊柱融合术后所致的邻近节段退变性不稳，椎间盘髓核摘除术后复发及其所致的节段性腰椎不稳。禁忌证包括：手术节段存在脊柱畸形，60 岁以上并有中度以上骨质疏松症或代谢性骨病，感染性病变，肿瘤，Ⅱ度以上的腰椎滑脱症，骨性腰椎椎管狭窄症，患者对金属过敏，手术节段已行腰椎融合术，肥胖(体重指数大于40或体重大于100 kg)，患者不适合行腰椎前路手术。

3.2 山羊模型建立的可行性 在动物世界里，尚未有与人脊椎生物力学特征相似的动物，即使是类人猿其直立时间也不足10%。Wilke等[15]通过生物力学实验发现，羊不同负载方向引出的运动范围与文献报道的人类标本在头尾向的运动有同质性，他们认为羊脊柱能够模拟人类脊柱进行医学研究。Smit等[16]认为羊的脊柱在生物力学特征上与人类脊柱具有相似性，可作为人类腰椎研究的模型。我们在山羊体内成功建立了ADNFT模型，创造了人工椎间盘的稳定力学环境，恢复了节段间运动，假体无机械性失败或松动。

3.3 研究结果的评估 该实验显示术后假体即刻稳定性良好，实验动物可早期自由活动；假体生物力学环境合理，节段间运动恢复良好；骨长入生物固定后，假体可达到长期稳定。爬行动物脊柱较人直立脊柱承受更大的剪力负荷，而人主要为压力负荷，剪力负荷不利于骨长入至假体内；因此假体在爬行动物脊柱的骨长入和骨融合要比在人脊柱内困难。ADNFT喷钛涂层界面的骨长入良好，材料的生物相容性良好，在山羊体内固定效果可靠，人工椎间盘在屈伸和左右侧屈的活动度在±5°之内，符合设计要求，具有非融合技术的效果，为下一步临床应用提供了可行性依据。

但是，我们的实验只是短期效果的研究，远期是否存在假体周围异位骨化、自发融合，导致假体运动功能丧失；假体弹性模量高于周围骨质是否会引起应力遮挡、骨质疏松，导致假体移位、松动；假体抗疲劳强度是否能够允许假体在体内长期存在。这些问题还需要更为长期的研究来做解答。

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The Evaluation of Artificial Disk of Non-Fusion Technology in Goat Models

Sun Jinbao，Wang Yongqing，Xiong Qingguang，etal

(The 4th Central Clinical College，Tianjin Medical University，Tianjin 300140)

Objective To evaluate artificial disk of non-fusion technology(ADNFT)fixation and non-fusion effect in goat models.Methods Ten healthy adult goat aged 10 to 24 months old and weight 25 to 35 kg were used in this experiment.Ten goat were divided into A and B equally，which operated total disc replacement using ADNFT through the anterolateral approach.Then these goat were examined the lumbar spine X-ray，pathology and scanning electron microscope of surrounding osseous and soft tissues after 3，6 months，which evaluated bone ingrowth，biocompatibility and mobility of ADNFT.Results The operation was successful in goat models.The results of pathology and scanning electron microscope showed well bone ingrowth and biocompatibility.The lumbar spine X-ray showed non-fusion.Conclusion ADNFT provide reliable fixation and non-fusion effect in goat models.

internal fixators；artificial disc；non-fusion；goat model；postoperative evaluation

天津市卫生局科技基金(11kg145)；*本文通讯作者：王永清

1008-5572(2015)02-0130-04

R322.7+1

A

2014-09-09

孙晋保(1986- )，男，研究生在读，天津医科大学第四中心临床学院骨科，300140。