腰椎椎间融合材料研究进展

王华强　滕勇

830000　乌鲁木齐，　　新疆医科大学研究生学院(王华强)； 830000， 　　兰州军区乌鲁木齐总医院骨科中心(滕勇)



腰椎椎间融合材料研究进展

王华强滕勇

830000乌鲁木齐，新疆医科大学研究生学院(王华强)； 830000， 兰州军区乌鲁木齐总医院骨科中心(滕勇)

摘要目前临床上应用较多的椎间融合器为钛网融合器(TMC)、聚醚醚酮(PEEK)融合器等，融合器中可采用的移植物有自体骨、异体骨、合成骨、骨形态发生蛋白(BMP)等，各有优缺点，各种新型高分子材料及复合材料也不断应用于临床。该文就腰椎椎间融合材料的临床研究及应用进展作一综述。

关键词腰椎；椎间融合；腰椎退行性变；材料

我国已逐步进入老龄化社会，脊柱退变性疾病的发病率日益增高，椎体融合术是目前治疗脊柱退变性疾病的主要方法之一[1]。椎间融合器联合椎弓根螺钉系统可稳定上下椎体、撑开椎间隙及椎间孔，上下椎体对融合器加压可诱导骨细胞增殖，加速融合，明显提高融合率。腰椎椎间融合材料按成分可分为钛网融合器(TMC)、聚醚醚酮(PEEK)融合器等，融合器中可采用的移植物有自体骨、异体骨、合成骨、骨形态发生蛋白(BMP)等，按外形功能其主要分为圆柱螺纹融合器、箱形融合器、垂直网环状融合器和解剖型融合器等。

1椎间融合器

在材料方面，传统材质(如钛合金等)腰椎融合器在制作工艺及构造上不断更新，例如研制出楔形前路融合器、具有撑开自锁功能的融合器等，但金属融合器弹性模量较大，植入后会造成椎间应力遮挡和邻近节段退变[2]。在设计方面，传统圆柱状融合器由于与上下椎体接触面积较小，切割、塌陷发生率较高，临床使用率逐渐降低。在固定方式上，Sapkas等[3]研究认为，动态稳定融合系统可有效分担腰椎应力，但其并发症如螺钉松动、感染、长期腰背痛和终板骨折等发生率高达25%。目前临床应用较多的腰椎融合器有TMC和PEEK融合器等[4]。

1.1TMC

TMC是一种垂直放置的钛制网状融合器(又称钛笼)，可根据需要裁剪，中间可填入自体骨促进融合，常用于因椎体结核、肿瘤、畸形等需行椎体次全切除术的患者,联合钉-棒系统可重建脊柱稳定性,但其边缘较锐利，植入后存在下沉、倾斜的可能[5]。Suzuki等[6]研究认为，对于不稳定性腰椎爆裂骨折，行后路减压、TMC椎间融合联合经椎弓根内固定为一种可行的手术方法。

1.2PEEK融合器

PEEK是一种无毒半结晶质热塑聚合物，具有组织相容性，可透过X线，其弹性模量介于皮质骨与松质骨之间(3.2 GPA)，但远低于钛合金(114 GPA)，更易促使椎间融合[7-8]。Setzer等[9]研究认为，PEEK融合器为目前椎间融合中使用最普遍的融合器，其联合椎弓根螺钉及钛链接棒可达到既具有弹性模量又有效固定的效果。Boissiere等[10]研究认为，经前路植入PEEK融合器联合后路椎弓根内固定术在术后功能恢复、融合率、节段前凸角等方面均可取得满意结果。但Nemoto等[11]研究认为，经单侧椎间孔入路摘除髓核联合双侧椎弓根钉-棒系统植入钛合金融合器组的融合率比植入PEEK融合器组高。Rao等[12]研究认为， 在PEEK材料表面添加羟基磷灰石或钛可改善其生物活性，增强融合率。PEEK融合器的并发症主要包括椎间融合失败、融合器松动、多方向移位、神经根损伤等[13]。此外，PEEK融合器价格相对较高，会对患者造成一定的经济负担[14]。PEEK及钛合金材料一般为中空设计，中间可添加自体骨、异体骨、可吸收化合物等促进椎间融合。

2融合器中可采用的移植物

2.1自体骨

自体髂骨可作为理想的骨支架，虽存在取骨区疼痛、失血量较多、易感染、手术时间与住院天数较长等缺点，但自体髂骨融合仍为腰椎融合效果的金标准[15-17]。伴有多种并发症的老年人一般骨质较差，不适合进行自体髂骨移植。

腰椎后路切除的棘突、椎板、关节突等具有与髂骨相似的生物特性，也可作为骨移植物，并且可避免取骨处并发症的发生，其缺点为含有较多的皮质骨及硬化骨。局部取骨也曾作为植骨融合的金标准[18]。Ohtori等[19]进行前瞻性随机研究，对比椎板、棘突骨与自体髂骨用于单节段后外侧融合效果，结果发现局部棘突、椎板骨能达到与髂骨相同的融合效果，术后9个月就达到了90%的融合率。Hu等[20]研究认为，采用自体骨进行后路腰椎融合术是一种安全、有效且无严重并发症的治疗腰椎退行性疾病方法。France等[21]研究认为,棘突、椎板骨与髂骨在腰椎融合中具有相同融合率、术后并发症(腰腿痛等)发生率和临床效果，但髂骨移植并发症如局部疼痛、感觉缺失等发生率更高。是否需使用融合器也存争议。有学者[22]研究认为，单独利用棘突、椎板骨对超过2个节段的腰椎进行融合植骨量不足，可能发生较多并发症(如椎间隙塌陷等)。

2.2异体骨

同种异体骨主要来自于尸体组织，包括冷冻干燥骨、新鲜冷冻骨、松质骨条骨、脱钙骨基质(DBM)等。其优点为价格低廉且容易获得。异体骨与自体骨弹性模量相当，形状易控制，但骨诱导及与自体骨质相容性较差，同时还有传播疾病及免疫排斥的风险。An等[23]在一项对比自体髂骨和冻干异体骨用于腰椎后外侧融合术的前瞻性队列研究中发现，冻干异体骨组24个月融合率为0%，自体髂骨组为80%。Goldberg等[24]研究认为，异体骨单独使用时存在很高的假关节形成风险。

DBM是一种经化学处理的尸体骨，保留了冻干异体骨的特性，含有Ⅰ型胶原成分但无诱导合成胶原的蛋白，不含矿物质成分，因其含有少量骨生长因子而具有骨诱导性。DBM的主要缺点为骨诱导特性较差，且动物实验显示DBM具有肾毒性。Gammisa等[25]对120例退变性腰椎紊乱患者采用DBM替代自体髂骨实施后外侧融合术，植骨方法为一侧用自体髂骨、另一侧采用DBM与自体髂骨混合物，结果显示混合骨侧与自体髂骨侧融合率相当(52% vs 54%)。Schizas等[26]对59例将DBM与自体髂骨混合物或自体髂骨用于单或双节段后外侧融合术患者进行研究，平均随访12个月发现，DBM组融合率(69.7%)与自体髂骨组(76.9%)相当，临床疗效也无统计学差异。笔者认为，DBM行单或双节段后外侧融合术是一种安全有效的腰椎融合方法，其缺点为随访时间较短、样本量小且植骨未量化。

2.3合成骨

合成骨移植物主要包含珊瑚状羟基磷灰石、β-磷酸三钙、硅酸盐、硫酸钙等。它们可以制造出不同结晶度、孔隙率、机械强度和吸收率的合成材料。这些化合物具有理想的组织相容性、原材料供应上不受限制、易消毒及储藏等优点。其缺点包括化合物脆性大、弹性强度差、降解或吸收所需要时间较长等[27]。大量基础研究证实，可吸收聚合物材料椎间融合器有较好的融合效果，术后常见并发症为无菌性炎症。然而，可吸收聚合物在机械强度、孔隙率、促进融合速度及自身降解速度等方面仍需改进。近年来，可吸收聚合物逐渐应用于临床，最常见的为聚乳酸(PLA)和聚乙醇酸(PGA)。其中PLA的最大优势为可根据需要灵活改变参数，支架孔隙率和其他关键参数均可影响融合器的机械强度，使其既能承受必要的机械压力，又能有足够的空间供细胞及血管生长，从而加速骨融合，目前最大的挑战是找出个性化的最优参数组合以制备出理想材料。聚合物的结晶度、相对分子质量及玻璃化转换温度的变化可影响其机械强度及降解速率。Ergun等[28]通过改变聚己内酯混合羟基磷灰石与磷酸三钙的比例来改变复合物的降解率和弹性模量，牛体外生物力学实验表明其具有良好的组织相容性及可调节性。Frost等[29]回顾性分析了9例采用聚左旋消旋乳酸融合器实施后路腰椎椎间融合术患者，结果发现4例患者出现骨质溶解，其中1例需行再次手术取出融合器。目前可吸收材料融合器的研究尚处于起步阶段，未来仍需要更多的前瞻性、大样本随机研究。

2.4BMP

关于BMP应用于椎间融合器目前尚存争议，临床常用重组人骨形态发生蛋白(rhBMP)-2[30]。自BMP发现以来，其用于引导骨形成的研究越来越多。2002年美国食品药品监督管理局(FDA)允许rhBMP-2应用于腹腔镜锥形融合技术的前路腰椎融合术。随后，多种BMP术式被允许使用，但一些术式又逐渐被FDA取缔。学者们对BMP应用于椎体融合器的担忧主要包括椎体炎症、异位骨化及是否符合经济要求[31]。Haid等[32]进行一项多中心前瞻性随机对照试验，将67例使用rhBMP-2/明胶海绵或自体髂骨行椎间融合术的单节段椎间盘退行性疾病患者进行分组，平均随访2年，随访率高于89.6%，结果显示rhBMP-2/明胶海绵组2年融合率为92.3%，而自体髂骨组为77.8%，两组术后2年均获得良好的临床疗效，而rhBMP-2/明胶海绵组在腰背痛评分上更具优势，认为rhBMP-2应用于椎间融合有积极意义。Dimar等[33]报道了一项单节段腰椎后外侧融合术中使用rhBMP-2混合物(含牛Ⅰ型胶原和15%羟基磷灰石、85%β-磷酸三钙)与自体髂骨的多中心前瞻性随机对照试验，研究共纳入463例患者，融合评估采用CT及盲法，临床疗效采用Oswestry功能障碍指数(ODI)及生活质量调查问卷(SF-36)，2年随访率为89%，结果显示两组临床疗效无差异，术后6个月及2年融合率rhBMP-2混合物组均高于自体髂骨组(分别为79% vs 65%和96% vs 89%)，末次随访时自体髂骨组髂部疼痛发生率为60%，认为rhBMP-2混合物适用于单节段后外侧融合术。2003～2007年美国每年使用BMP行椎间融合病例数从23 900例增长到103 194例，融合率高达93%[34]。但临床医师应时刻警惕使用BMP行椎间融合术后并发症。Rihn等[31]对于单侧经椎间孔腰椎间融合术中使用rhBMP-2和自体髂骨的并发症进行研究，认为两者在并发症发生率上无统计学差异，但rhBMP-2组脊神经根炎发病率明显高于自体髂骨组。此外，rhBMP-2较自体骨价格昂贵，现有文献均未提及其融合率能否平衡其高价，远期价值仍需评估。

随着材料学、生物力学及临床外科固定技术的飞速发展，腰椎融合材料将会达到更好的组织相容性、骨传导性、骨诱导性及更少的并发症发生率，融合的临床效果将会越来越满意。临床医师需综合考虑患者各方面因素，个性化定制适合患者的材料。

参考文献

[1]Wang SJ, Han YC, Liu XM， et al. Fusion techniques for adult isthmic spondylolisthesis: a systematic review[J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2014, 134(6):777-784.

[2]Emstad E, Del-Monaco DC, Fielding LC， et al. The variLift(○R) interbody fusion system: expandable, standalone interbody fusion[J]. Med Devices (Auckl), 2015, 8:219-230.

[3]Sapkas G, Mavrogenis AF, Starantzis KA， et al. Outcome of a dynamic neutralization system for the spine[J]. Orthopedics, 2012, 35(10):e1497-e1502.

[4]石岩,崔文岗,肖德明. 腰椎椎间融合器临床研究进展[J]. 国际骨科学杂志, 2013, 34(1):45-48.

[5]Wang SJ, Liu XM, Zhao WD， et al. Titanium mesh cage fracture after lumbar reconstruction surgery: a case report and literature review[J]. Int J Clin Exp Med, 2015, 8(4):5559-5564.

[6]Suzuki T, Abe E, Miyakoshi N， et al. Anterior decompression and shortening reconstruction with a titanium mesh cage through a posterior approach alone for the treatment of lumbar burst fractures[J]. Asian Spine J, 2012, 6(2):123-130.

[7]Mavrogenis AF, Vottis C, Triantafyllopoulos G， et al. PEEK rod systems for the spine[J]. Eur J Orthop Surg Traumatol, 2014, 24(Suppl 1):S111-S116.

[8]Ahn YH, Chen WM, Lee KY， et al. Comparison of the load-sharing characteristics between pedicle-based dynamic and rigid rod devices[J]. Biomed Mater, 2008, 3(4):044101.

[9]Setzer M, Eleraky M, Johnson WM， et al. Biomechanical comparison of anterior cervical spine instrumentation techniques with and without supplemental posterior fusion after different corpectomy and discectomy combinations: laboratory investigation[J]. J Neurosurg Spine, 2012, 16(6):579-584.

[10]Boissiere L, Perrin G, Rigal J， et al. Lumbar-sacral fusion by a combined approach using interbody PEEK cage and posterior pedicle-screw fixation: clinical and radiological results from a prospective study[J]. Orthop Traumatol Surg Res, 2013, 99(8):945-951.

[11]Nemoto O, Asazuma T, Yato Y， et al. Comparison of fusion rates following transforaminal lumbar interbody fusion using polyetheretherketone cages or titanium cages with transpedicular instrumentation[J]. Eur Spine J, 2014, 23(10):2150-2155.

[12]Rao PJ, Pelletier MH, Walsh WR， et al. Spine interbody implants: material selection and modification, functionalization and bioactivation of surfaces to improve osseointegration[J]. Orthop Surg, 2014, 6(2):81-89.

[13]Corniola MV, Jagersberg M, Stienen MN， et al. Complete cage migration/subsidence into the adjacent vertebral body after posterior lumbar interbody fusion[J]. J Clin Neurosci, 2015, 22(3):597-598.

[14]Athanasakopoulos M, Mavrogenis AF, Triantafyllopoulos G， et al. Posterior spinal fusion using pedicle screws[J]. Orthopedics, 2013, 36(7):e951-e957.

[15]杨文成,董有海. 腰椎椎间融合研究进展[J]. 国际骨科学杂志, 2011, 32(1):37-39.

[16]Noshchenko A, Hoffecker L, Lindley EM， et al. Perioperative and long-term clinical outcomes for bone morphogenetic protein versus iliac crest bone graft for lumbar fusion in degenerative disk disease: systematic review with meta-analysis[J]. J Spinal Disord Tech, 2014, 27(3):117-135.

[17]Kim HJ, Buchowski JM, Zebala LP， et al. RhBMP-2 is superior to iliac crest bone graft for long fusions to the sacrum in adult spinal deformity: 4-to 14-year follow-up[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2013, 38(14):1209-1215.

[18]李涛,张永刚. 腰椎后路椎体间融合研究进展[J]. 国际骨科学杂志, 2008, 29(2)：117-119．

[19]Ohtori S, Suzuki M, Koshi T， et al. Single-level instrumented posterolateral fusion of the lumbar spine with a local bone graft versus an iliac crest bone graft: a prospective, randomized study with a 2-year follow-up[J]. Eur Spine J, 2011, 20(4):635-639.

[20]Hu MW, Liu ZL, Zhou Y， et al. Posterior lumbar interbody fusion using spinous process and laminae[J]. J Bone Joint Surg Br, 2012, 94(3):373-377.

[21]France JC, Schuster JM, Moran K， et al. Iliac crest bone graft in lumbar fusion: the effectiveness and safety compared with local bone graft, and graft site morbidity comparing a single-incision midline approach with a two-incision traditional approach[J]. Global Spine J, 2015, 5(3):195-206.

[22]Sengupta DK, Truumees E, Patel CK， et al. Outcome of local bone versus autogenous iliac crest bone graft in the instrumented posterolateral fusion of the lumbar spine[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2006, 31(9):985-991.

[23]An HS, Lynch K, Toth J. Prospective comparison of autograft vs. allograft for adult posterolateral lumbar spine fusion: differences among freeze-dried, frozen, and mixed grafts[J]. J Spinal Disord, 1995, 8(2):131-135.

[24]Goldberg VM, Stevenson S. Natural history of autografts and allografts[J]. Clin Orthop Relat Res, 1987, (225):7-16.

[25]Cammisa FP Jr, Lowery G, Garfin SR， et al. Two-year fusion rate equivalency between Grafton DBM gel and autograft in posterolateral spine fusion: a prospective controlled trial employing a side-by-side comparison in the same patient[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2004, 29(6):660-666.

[26]Schizas C, Triantafyllopoulos D, Kosmopoulos V， et al. Posterolateral lumbar spine fusion using a novel demineralized bone matrix: a controlled case pilot study[J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2008, 128(6):621-625.

[27]Park JJ, Hershman SH, Kim YH. Updates in the use of bone grafts in the lumbar spine[J]. Bull Hosp Jt Dis, 2013, 71(1):39-48.

[28]Ergun A, Chung R, Ward D， et al. Unitary bioresorbable cage/core bone graft substitutes for spinal arthrodesis coextruded from polycaprolactone biocomposites[J]. Ann Biomed Eng, 2012, 40(5):1073-1087.

[29]Frost A, Bagouri E, Brown M， et al. Osteolysis following resorbable poly-L-lactide-co-D, L-lactide PLIF cage use: a review of cases[J]. Eur Spine J, 2012, 21(3):449-454.

[30]Kaiser MG, Groff MW, Watters WC 3rd， et al. Guideline update for the performance of fusion procedures for degenerative disease of the lumbar spine. Part 16: bone graft extenders and substitutes as an adjunct for lumbar fusion[J]. J Neurosurg Spine, 2014, 21(1):106-132.

[31]Rihn JA, Patel R, Makda J， et al. Complications associated with single-level transforaminal lumbar interbody fusion[J]. Spine J, 2009, 9(8):623-629.

[32]Haid RW Jr, Branch CL Jr, Alexander JT， et al. Posterior lumbar interbody fusion using recombinant human bone morphogenetic protein type 2 with cylindrical interbody cages[J]. Spine J, 2004, 4(5):527-538.

[33]Dimar JR 2nd, Glassman SD, Burkus JK， et al. Clinical and radiographic analysis of an optimized rhBMP-2 formulation as an autograft replacement in posterolateral lumbar spine arthrodesis[J]. J Bone Joint Surg Am, 2009, 91(6):1377-1386.

[34]Ong KL, Villarraga ML, Lau E， et al. Off-label use of bone morphogenetic proteins in the United States using administrative data[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2010, 35(19):1794-1800.

(收稿：2015-07-14；修回：2015-11-02)

(本文编辑：李圆圆)

DOI：10.3969/j.issn.1673-7083.2016.01.004

通信作者：滕勇E-mail: orthtengyong@163.com

基金项目：国家自然科学基金(31360229、51165044)、全军医学科研“十二五”面上课题(CWS11J011)