可动人工颈椎假体的研制及生物力学研究

董　军，陆　梦，刁　攀，梁宝宝，贺西京

(西安交通大学第二附属医院：1. 骨科；2. 整形外科，陕西西安　710004)



◇基础研究◇

可动人工颈椎假体的研制及生物力学研究

董军1，陆梦1，刁攀1，梁宝宝2，贺西京1

(西安交通大学第二附属医院：1. 骨科；2. 整形外科，陕西西安710004)

目的研制一种既能重建颈椎体高度又能保留相应椎间隙运动功能的可动人工颈椎假体并研究其生物力学特性。方法10具新鲜颈椎标本(C4～T1)先后作为完整组、融合组(C4～C6)和非融合组(假体植入在C5)，在1.5Nm扭矩下进行初步生物力学活动度测试，记录C4-5、C5-6、C6-7、C4-7的运动范围，并进行单因素方差分析和多重比较。结果与融合组相比，非融合组标本能显著保留C4-5和C5-6的运动范围、降低C6-7的运动范围。与完整组相比，非融合组各椎间隙的运动范围无显著性差异。结论可动人工颈椎在植入颈椎标本后能重建相应颈椎节段的稳定性且能保留相应椎间隙的活动度。

颈椎；次全切除术；融合；非融合；可动颈椎；生物力学

前路颈椎次全切除融合术(anteriorcervicalcorpectomyandfusion,ACCF)是治疗多节段脊髓型颈椎、后纵韧带骨化等疾病的常见术式[1]。该术式在经颈前入路充分暴露椎体后，首先将两侧钩椎关节之内部分椎体切除并对相应脊髓节段进行充分减压，其次在脊髓及神经根得到保护的情况下，在减压槽内植入合适长度的移植骨块(自体/异体)或钛笼(填充松质骨)，最后选择合适长度的颈前路板固定于上下椎体。上述通过椎体的融合来重建颈椎稳定性的手段在一定程度上为术后脊髓及神经功能的恢复提供了良好的生物力学环境[2]。但该术式在多数情况下需将包含3个及以上的颈椎体进行融合，这种融合不可避免地导致了原有颈椎的运动功能的丧失。生物力学研究表明，融合术后相应椎体单元运动功能丧失，邻近节段椎间盘内、关节突关节内压力增加及应力转移[3]。有研究认为上述颈椎生物力学的改变使得邻近节段退变(adjacentsegmentdegeneration,ASD)进展更为迅速[4]。

为有效避免植入物塌陷、松动等问题，有学者开始对部分患者植入人工椎体来维持或重建脊柱的稳定性，以获得长期稳定的生物力学环境[5-9]。然而，人工椎体并没有突破融合术所致邻近节段退变这一局限。脊柱可动固定技术的出现在理念上解决了融合术后邻近节段退变的问题。它既能保持脊柱的运动功能和生物力学特征，还能恢复椎间隙高度和脊柱序列。目前，人工颈椎间盘置换术已在国内外广泛应用，大量的临床观察发现人工颈椎间盘置换治疗颈椎病能取得满意效果。由于人工颈椎间盘置换的手术适应证较局限：单节段或双节段颈椎间盘突出压迫脊髓或神经根，其他类型的颈椎融合术如颈椎椎体次全切除减压融合术仍无法被人工颈椎间盘置换术替代。鉴于人工椎间盘无法重建椎体高度，我们设想通过设计一种集重建椎体高度和保留椎间运动功能于一体的可动人工颈椎体，以解决颈前路次全切除后必须通过融合固定而重建相应节段生物力学稳定性的问题。

1 材料与方法

1.1研究设计本研究在严格遵守西安交通大学医学伦理委员会要求的条件下完成。首先于西安交通大学第二附属医院采集正常颈椎解剖数据，通过计算机辅助设计软件SolidWorks(2013，DassaultSystemesS.A，USA)根据上述参数设计一种可动人工颈椎假体，并由西安铂力特金属激光3D打印公司利用Ti6Al4V材料加工成型。由西安交通大学医学部解剖学与组织胚胎学教研室提供10具新鲜成人颈椎标本 (C4～T1)。该10具标本首先作为空白对照组于香港大学李嘉诚医学院生物力学实验室进行生物力学测试(空白组)。然后将C4-6进行钢板融合固定，进行生物力学测试(融合组)。将上述假体植入C5椎体节段建立体外模型后再行生物力学测试(非融合组)。

1.2解剖数据采集50例健康志愿者(男女比例1∶1，平均年龄(21±1.4)岁；无头颈部外伤，手术或其它疾病史；体格检查示颈椎活动度正常)，在西安交通大学第二附属医院影像科摄取X线颈椎正侧位片。通过PictureArchivingCommunicationSystem(PACS)软件测量C5椎体上、中、下矢状径，C4终板下缘至C6终板上缘的前、中、后距离(图1)。

1.3可动颈椎体设计根据测量的C5颈椎体解剖数据，设计可动人工颈椎假体。该假体由椎体、上下椎间盘部以及4枚椎体自攻钉组成(国家发明专利号：201410072192.7)。其中椎间盘部和椎体部之间由浅球窝关节连接。两部之间在前屈、后伸、左右侧屈方向上有6°的运动范围，在轴向上有360°范围的旋转。椎体部侧面设有若干直径不等、左右贯穿的植骨孔。椎间盘部由终板结构和位于前方的固定板两部分组成。固定板上设有两个直径为4mm、钉道方向为斜向上20°角。该假体的椎间盘部前后有特殊的“L”型防脱位结构。假体与椎间盘的组成过程：首先将椎间盘部的“L”型结构通过椎体部侧面嵌入使得椎间盘部的关节头和椎体部的关节窝相配，然后旋转椎间盘部90°，使得椎间盘固定板位于前方。椎体自攻钉直径设为3.3～3.5mm，长度为13～15mm(图2)。

图1C5椎体测量参数

Fig.1MeasurementparametersofC5vertebralbody

1：C4终板下缘至C6终板上缘的前高度；2：C4终板下缘至C6终板上缘的中高度；3：C4终板下缘至C6终板上缘的后高度；4：C5椎体上矢状径；5：C5椎体中矢状径；6：C5椎体下矢状径。

1.4标本生物力学测试10具新鲜颈椎标本由西安交通大学医学部基础学院解剖学与组织胚胎学系提供[平均年龄(46.3±15.6)岁]。将上述标本的肌肉及软组织小心剥离，完整保留韧带、关节囊及骨质，并保存在-20 ℃条件下。在行生物力学测试之前将上述新鲜标本于室温条件下融化，将包埋剂N-(3-二甲基氨基丙基)-1，3-丙二胺与双酚A-(环聚氯丙烷)环氧树脂以1∶1均匀混合，分别将C4和T1节段包埋于标本固定缸内。包埋过程中保持标本直立且位于固定缸的正中央。待包埋剂完全凝固后，分别将含有4个发光二极管的标记点紧密固定于C4、C5、C6和C7(共16个发光二极管)。将标本安放于双杠液压伺服控制的生物材料测试机上(MTS858Bionixmachine,MTSSystemInc.,Minneapolis,MN,USA)，在标本头端施加1.5Nm扭矩实现标本的前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转运动(图3)。固定于C4-7椎体的标记点的运动由光电子三维运动捕捉系统(OPTOTRAKCERTUS,NorthernDigitalInc.,Waterloo,Canada)精确记录。上述系统的空间精度为0.1mm，测量误差为0.01mm，频率为100Hz。标记物的空间瞬时位置由上述设备记录后经Matlab程序转换为椎体的运动范围。MTS测试机施加5个循环，选取每具标本后3个循环平均值作为测量结果。在测试过程中用湿盐水纱布包裹标本，保持标本湿润。

图2可动人工颈椎体组成

Fig.2Compositionofartificialcervicaldiscandvertebrasystem

A：椎体部；B：椎间盘部正面观；C：椎间盘部侧面观；D：固定螺钉；E：假体系统正面观；F：假体系统后面观；G：假体系统侧面观；H：假体系统等轴视图。

图3人工颈椎假体植入后生物力学测试图

Fig.3Photographofbiomechanicaltestingonfreshcervicalspinespecimenimplantedwithartificialcervicaldiscandvertebrasystem

1.5统计学方法采用SPSS19.0软件进行统计学分析。运动范围以均值±标准差表示，各椎间隙运动范围采用单因素方差分析和LSD多重比较。P<0.05为差异有统计学意义。

2　结　　果

2.1解剖数据测量结果经测量50例志愿者C5椎体上、中、下矢状径均值分别为(14.24±1.21)mm、(15.6±1.34)mm、(16.63±1.22)mm。C4-5～C5-6椎间盘之间前、中、后高度分别为(22.73±0.51)mm、(24.45±0.54)mm、(19.98±0.58)mm。

2.2C4-5运动范围C4-5椎间隙屈伸平均运动范围见图4、图5A，其中融合组较完整组和非融合组显著降低(P<0.05)。C4-5椎间隙左右侧屈平均运动范围见图5B，其中融合组较完整组和非融合组显著降低(P=0.041 25)。C4-5椎间隙左右旋转平均运动范围见图5C，其中融合组较完整组和非融合组显著降低(P=0.017 81)。

2.3C5-6运动范围C5-6椎间隙屈伸平均运动范围见图5A，其中融合组较完整组和非融合组显著降低(P=0.041 29)。C5-6椎间隙左右侧屈平均运动范围见图5B，其中融合组较完整组和非融合组显著降低(P=0.027 14)。C5-6椎间隙左右旋转平均运动范围见图5C，其中融合组较完整组和非融合组显著降低(P=0.021 13)。非融合组和完整组在屈伸、左右侧屈、左右旋转运动范围均无显著性差异(P>0.05)。

图4C4-5椎间隙屈伸运动范围曲线图

Fig.4C4-5rangeofmotioncurveofspecimen

2.4C6-7运动范围C6-7椎间隙屈伸平均运动范围见图5A，其中融合组较完整组和非融合组显著增加(P<0.001)。C6-7椎间隙左右侧屈平均运动范围见图5B，其中融合组较完整组和非融合组显著增加(P<0.001)。C6-7椎间隙左右旋转平均运动范围见图5C，其中融合组较完整组和非融合组显著增加(P<0.001)。

图5颈椎运动范围统计图

Fig.5Statisticalgraphofrangeofmotion

A：前屈-后伸运动范围；B：左右侧屈运动范围；C：左右旋转运动范围。*P<0.05。

非融合组和完整组在屈伸、左右侧屈、左右旋转运动范围均无显著性差异(P>0.05)。

2.5C4-7运动范围C4-7椎间隙屈伸平均运动范围见图5A，完整组、融合组和非融合组之间比较无统计学差异(P>0.05)。C4-7椎间隙左右侧屈平均运动范围见图5B，完整组、融合组和非融合组之间比较无统计学差异(P>0.05)。C4-7椎间隙左右旋转平均运动范围见图5C，3组之间比较无统计学差异(P>0.05)。

3　讨　　论

颈前路椎体融合术是目前治疗各种颈椎疾病的有效方式，在临床上广泛开展已有60余年[10]。其中ACCF已经成为手术治疗颈椎的主要方式之一。在随访过程中，人们发现一部分患者出现了与邻近节段退变相关的临床症状[11]，如：颈部疼痛，活动受限等，这些症状被称为症状性邻近节段疾病。还有一部分患者于融合椎体的上下节段出现了一系列影像学的改变[12]，如：颈椎畸形、不稳、颈椎管狭窄以及新出现的骨赘或原有骨赘的增加、新出现的前纵韧带钙化、椎间盘间隙变窄和小关节退变等，这些被众多学者称为影像学邻近节段的退变。影像学邻近节段退变和症状性邻近节段疾病统称为邻近节段退变(ASD)[11,13-14]。在HILIBRAND等[15]的一项随访研究发现，ASD的年发生率为2.9%，患病率为14.2%；而BABA等[16]报道的术后ASD患病率为25%。

为明确ASD的病因，人们首先将注意力集中在融合后颈椎的生物力学的研究上。基于大量的动物及人体标本生物力学研究结果发现，颈椎的活动度在颈椎融合术后重新分配，即原有椎体的活动度由邻近未融合节段代偿，颈椎活动时邻近节段椎体的活动度较前明显增加[17-18]。

基于此，我们设计了一种可动人工颈椎假体，该假体在理论上能保留重建并长期维持椎体高度，同时还能最大程度地保留椎间隙的运动功能。该假体的椎间盘部具有特殊“L”结构能大大降低在颈椎的过度屈曲或伸展时带来椎间盘部和椎体部脱位的风险。与已在临床上广泛应用的CerviCore、Prestige、Kineflex-C等人工颈椎间盘类似[19-20]，本课题中可动人工颈椎体同样为金属-金属接触面设计。该假体的运动范围在理论上能完全满足正常颈椎间盘在各个方向上的活动度要求。与临床上广泛使用的人工椎间盘、人工髓核和后路动态稳定系统相比，该假体不仅保留相应节段的椎间运动，还具备重建颈椎高度的优势。本假体材料为Ti6Al4V，是临床上一种常见的医用金属材料，具有良好的组织相容性。

理论上，可动人工颈椎能在屈、伸、侧屈方向上有6°的活动范围。但本研究中发现无论是完整组标本还是非融合组标本，单个椎间隙的单侧运动范围都无法达到6°。其可能的原因为在剥离软组织的过程中，部分软组织未彻底清除。而在融合组标本中，我们发现即使C4-6节段进行了钢板固定，在C4-5、C5-6椎间隙仍有轻微的运动迹象。产生这种现象的原因可能有以下3点：①融合组标本前路钢板仅仅只是将C4-6进行固定，与临床上椎体次全切除后植入骨块或钛笼后所形成的骨性融合有所区别，因为存在椎间隙的微动；②融合板在扭矩的作用下发生了少许形变；③前路长节段4枚螺钉固定易产生较大力臂引起融合区域出现一定范围的活动度，但通过对比发现，非融合组较融合组能显著保留C4-5、C5-6的运动功能，且与完整组标本相比运动范围无显著增加。在对邻近节段C6-7运动范围的测量后发现，融合组的运动范围较完整组和非融合组有所增加，但完整组和非融合组间无显著性差异。这一结果充分提示融合术后原有节段的活动度被重新分配至邻近节段，这也从侧面反映出可动人工颈椎体的优越性，即在保留原有节段的活动度的情况下并不增加邻近节段的运动范围。我们在设计时还考虑到可动人工颈椎假体要保留原有节段的活动度，但这种活动度不能过大，否则会人为造成颈椎不稳。颈椎假体置换术后颈椎不稳严重者可发生假体脱位。为避免假体脱位的发生，我们设计的“L”型结构可以防止假体的椎间盘部和椎体部过度的滑移。从本研究的数据来看，非融合组的椎间运动范围与同水平节段完整组并无显著性差异，提示植入该假体后的颈椎标本仍然具备良好的稳定性。

本研究还存在如下的局限性：①临床上患者的颈椎解剖参数存在一定的差异，未针对个体的解剖参数加工适宜于个体的颈椎假体；②仅对人工颈椎假体的体外生物力学特点进行研究，未进行针对该假体的体内动物实验；③仅对人颈椎标本进行了稳定性及活动度测试，后期需开展可动人工颈椎的活体动物实验以及相关临床研究。这些还有待进一步研究完善。

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(编辑邱芬)

Cervicalartificialdiscandvertebrasystemanditsbiomechanicalcharacteristics

DONGJun1,LUMeng1,DIAOPan1,LIANGBao-bao2,HEXi-jing1

(1.DepartmentofOrthopedics; 2.DepartmentofPlasticSurgery,theSecondAffiliatedHospitalofXi’anJiaotongUniversity,Xi’an710004,China)

ObjectiveTodesignacervicalartificialdiscandvertebrasystemandtoevaluateitsbiomechanicalcharacteristics.MethodsTenfreshhumancervicalspinespecimens(C4-T1)wereincludedinthisstudy.Thespecimensweretestedasinthestatusofintact,fusion(C4-C6)andnon-fusioninsequenceunder1.5NmtorquebyanMTS.RangesofmotionofC4-5,C5-6,C6-7andC4-7wererecordedandcompared.ResultsSignificantlyincreasedrangeofmotionofC4-5andC5-6,aswellasdecreasedrangeofmotionofC6-7ofthespecimensinnon-fusiongroupwereobservedcomparedwiththoseinthefusiongroup.Therewasnosignificantdifferenceintherangeofmotionbetweenthenon-fusionandintactgroups.ConclusionCervicalartificialdiscandvertebrasystemcanreconstructtheheightofvertebraandpreservetherangeofmotionoftheoperativelevelsafteritsimplantationintothecervicalspinespecimen.

cervicalspine;corpectomy;fusion;non-fusion;artificialvertebra;biomechanicsSupportedbytheResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducationofChina(No.20120201130009)andInnovationProjectFoundationofScienceandTechnologyofShaanxiProvince(No.2011KTCL03-17)

2016-01-22

2016-05-03

高等学校博士学科点专项科研基金(No.20120201130009)；陕西省科技统筹创新工程项目计划(No.2011KTCL03-17)

贺西京.E-mail:xijingh@sina.cn

R683.2

A

10.7652/jdyxb201605006

优先出版：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1399.R.20160802.1135.004.html(2016-08-02)