颈椎椎间融合器的应用

栾继耀 梅伟 苏锴

与年龄相关的颈椎退变在中年人群中占50%以上，是神经功能障碍最常见的原因之一[1]，如颈椎间盘突出、骨赘形成和韧带肥厚，可压迫颈神经或脊髓导致神经根型颈椎病或脊髓型颈椎病；严重者常需手术干预，手术分为前路、后路以及前后路联合入路。目前常用的前路手术有前路颈椎间盘切除减压融合术(anterior cervical discectomy and fusion，ACDF)和前路颈椎体次全切除减压融合术(anterior cervical corpectomy decompression and fusion，ACCF)。20世纪50年代，Smith和Robinson[2]首次报道了ACDF，近年来，ACDF虽然历经各种改良，但因其显露容易，创伤小，能直接去除致压物，减压彻底，术后康复快，临床疗效满意，仍然是颈椎前路手术的金标准[3]。在ACDF中减压是核心技术，融合是手术成功的标志，减压的终极目的是为了获得骨性融合。自体骨融合虽然效果可靠、融合率高，但存在移植骨脱出、塌陷等风险，同时也可能引发供骨区的并发症。为了解决这些问题，椎间融合器(cage)应运而生。为了提高融合率和临床疗效，cage的设计和材料也得到了不断的发展和提高。其设计经历了BAK、螺纹式、钛网、自锁式零切迹等的发展，材料也有自体骨、增强涂层以及可吸收材料等。

一、cage的设计

1.BAK cage：将不锈钢材料的中空带孔的柱状体用于马的颈椎椎间融合术中，取得了良好的效果，称之为Bagby融合器。此后又成功研制了BAK融合器[4]。BAK的材料是钛合金，是一种圆柱状中空椎间融合器，融合器的上下表面含有大量孔隙以促进骨长入，同时其形态设计可与上下终板进行咬合，从而达到自稳的效果。这项技术很快被应用于腰椎和颈椎融合术中。由于操作简便，具有良好的安全性、稳定性和融合率，这样的cage逐渐成为ACDF融合的主体。

2.螺纹状cage：经过改造的Bagby融合器，在融合器表面增添螺纹结构，并研制出了Ray-TFC融合器，增强了机械强度，具有较高的安全性、即刻稳定性以及融合率[5]。但在生物力学上，螺纹状cage在前屈后伸活动度较差[6]，并且在减压过程中使用环踞，可能会对上下椎体的骨性终板造成破坏，导致术后短时间内就可能出现融合器下沉，并且存在融合器脱出、塌陷等并发症，无法有效纠正颈椎生理曲度。

3.钛网cage(titanium mesh cage，TMC)：传统cage设计在单节段的ACDF中具有很好的融合率，但在多节段的ACDF中有高达40%的非融合率[7]。TMC具有不同直径、长短可剪裁以调整高度，具有良好的纵向承载能力，可以同时固定多个节段，增强稳定性[8]。目前，临床应用最为广泛的是Harms-mesh钛笼。有实验表明，钛及其合金可以通过等离子束和电子喷涂技术进行改造以提高其表面粗糙度，提高机体总蛋白和碱性磷酸酶的水平，从而增加成骨细胞分化[9]。但由于TMC高切迹设计对食管干扰大，容易出现术后吞咽困难；其并发症有：内固定失败，如钛板移位，螺钉松动或退出，应力遮挡，加速邻近节段的退变，导致假关节形成，以致骨性不融合率增高；术后患者的颈椎活动度较单纯使用融合器者差[10]。

4.自锁式零切迹cage：自锁式cage即是自身带有锁定装置的cage，所谓零切迹是指cage的设计是容纳于减压后的椎间隙内，而并不像普通颈前路钢板高于椎体前缘，从而避免了颈前路钢板对食管的刺激，减少了吞咽障碍和相关并发症的发生，保持了良好的融合率和临床疗效，相比钛板，减少了邻近节段退变，避免了钛板再次手术的取出。目前临床上常用的自锁式零切迹cage有Zero-Profile cage(Synthes公司，瑞士)、Prevail cage(Medtronic公司，美国)、MC+ cage、ROI-C cage(LDR公司，法国)。(1)Zero-Profile( Zero-P) cage。它由1块固定板和4枚固定螺钉组成，固定板预先组装，螺钉是锥形头设计，一步锁紧机制(即拧紧螺钉)即可固定于固定板上。彭爱明等[11]报道，对于单节段脊髓型颈椎病，颈椎前路减压cage椎间植骨融合钛板内固定与Zero-p椎间植骨融合内固定均可取得满意的临床疗效，Zero-p组术后吞咽困难发生率较低。Barbagallo等[12]报道了Zero-P在多节段ACDF中的应用，与钛网内固定相比，Zero-P可以有效地降低沉降率，减少了术后吞咽困难的发生，获得良好临床疗效。Shen等[13]观察Zero-P较传统钛板在治疗颈椎邻近节段退变疾病方面有较好的生物力学特性与临床疗效。但此类cage对局部稳定性要求高，有屈曲牵张损伤的患者则不适用，同时也存在金属内固定物多、操作繁琐、术后影像检查金属伪影多、固定不牢靠等不足。Zero-Profile Variable-Angle(Zero-P VA)cage，是Zero-P内固定系统中新一代产品。与Zero-P cage装置不同的是，Zero-P VA cage前路钛板上增加了对角线限深设计，使钛板平面与椎体前缘处于同一水平，在前方减少与邻近组织的接触，同时也避免装置过度植入椎间隙。其螺钉从4枚减少为2枚，进钉的角度范围也较之前有所增大，从而减少潜在的应力遮挡。较Zero-P简化了操作，增强了稳定性，提高了融合率和患者的满意度。但此类cage同样不适用于有屈曲牵张损伤的患者。(2)Prevail cage。此类cage由1块固定板和2枚螺钉组成，其前方嵌有2根镍钛诺金属丝。该装置有零步锁紧机制，即拧入螺钉时镍钛诺金属丝可弯曲回弹锁紧螺钉，缩短了操作时间，可获得良好的即刻稳定性。同时该装置“工”字型设计，强化了螺钉的接触面积，cage的横截面积较大，较适合人体解剖结构。王敏等[14]在ACDF中应用Prevail cage，认为该系统操作简单、固定牢靠、出血少、手术时间短、并发症少，并且可降低邻近节段骨化和术后吞咽困难的发生率，近期临床疗效满意。Nemoto等[15]在一项单中心的前瞻性研究中报道，Peek Prevail的吞咽困难早期发生率为38%，并且其发生率与钛板+cage对照组相比无明显差异。(3)MC+ cage。MC+ cage是由聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)材料制成，配有可插入下位椎体上终板的嵌片，有专用器械，适用于单节段或多节段颈椎椎间融合，术后可获得即刻稳定，有利于椎间隙高度的撑开和维持，促进融合。Pechlivanis 等[16]认为使用MC+ cage 创伤小，出血少，操作简单，在术中通过垫片防止cage的位移，节省手术时间和费用。(4)ROI-C cage。ROI-C cage是在MC+原有的设计基础上，将锁定系统改进为预弯型的双嵌片，可保证椎体向间盘方向的内聚效应，增强融合效果，进一步提高融合器的初期稳定性。ROI-C嵌片的植入方向与融合器的植入方向在同一轴向上，在上位颈椎手术时，避免了患者下颌对工具的阻挡。Grasso等[17]认为ROI-C是一种安全有效的脊髓型颈椎病的减压装置，有助于恢复颈椎的生理前凸和椎间盘的高度。但是这项研究是在没有对照组的情况下进行的，且随访时间较短。杨洋等[18]报道，在双节段ACDF中，ROI-C与MC+两种融合器都可恢复手术节段椎间隙的高度、角度和颈椎曲度，ROI-C较MC+对维持术后手术节段角度及颈椎前凸更具优势。(5)Perfect-C cage。Park等[19]报道了一种新型cage Perfect-C，由1块钢板和2枚螺钉组成，钢板放置在椎前1 mm处，它与椎体在椎前形成一个间隔，在椎间盘水平突出于椎体平面。用2个3.5～3.9 mm粗的螺钉，以(40±10)°头倾或尾倾的角度插入钢板内，螺钉的设计是为了穿透椎体角部皮质骨和终板。Noh等[20]比较了Perfect-C、Zero-P和钛板cage，认为Perfect-C操作简便，术中出血少，把持力更牢靠，降低了沉降率，能更好地促进骨愈合，有较好的临床疗效和较少的并发症。但是此研究不是随机对照设计，纳入样本量较少，随访时间也较短。(6)设计的优化。cage在设计时需要考虑长度、宽度和高度的参数。从解剖的角度讲，C2～C7的椎间盘高度约占椎体高度的1/3，这种生理特点不受年龄影响[21]，在颈椎椎体后方的椎间盘比前方的薄，最大高度在椎间盘的中心。从生物力学的角度考虑，在设计时，需要尽可能地匹配颈椎解剖特点，选择最适宜的参数范围，尽可能地保持颈椎的生理曲度。另外，cage的植入方式也可做改进，争取最大限度地减少对组织结构的影响，同时简化操作，即好又快地完成植入。理想的cage设计是通过对骨性结构的调整和椎间盘高度的恢复，从而达到术后即刻稳定性，并且具有较高的融合率和较低的并发症发生率。

二、融合器中的移植物

1.自体骨：自体骨移植在当前所有移植术中融合效果最佳，是目前椎间融合术中的金标准。自体骨可以加快骨诱导，避免移植物的排斥反应，降低疾病的传播风险。但自体骨移植存在供骨区疼痛、伤口感染、血肿、神经损伤等缺点[22]。

2.同种异体骨：同种异体骨主要来源于尸体的骨组织，是自体骨较好的替代品。它的益处是方便易得，免除了自体移植的痛苦。Faldini等[23]报道使用同种异体骨能降低手术风险，提高患者生活质量。Choi等[24]认为与自体骨相比，使用同种异体骨在多节段颈椎融合中优势明显，能更好地维持颈椎的生理曲度。但与自体骨相比，同种异体骨的强度和融合率较低，同时也增加了疾病传播和免疫排斥的风险[25]。

3.PEEK:随着cage设计的演变，植入物的材料也随之变化。目前主要有3种材料，碳纤维增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CF-P)、钛和PEEK。CF-P的优点是能透光，可观察植骨的情况，缺点是脆性较大，cage易碎裂。CF-P很快被具有更高弹性模量的PEEK材料所取代。法国Scient’X公司研制出PEEK cage，并应用于临床。PEEK是一种热塑性聚合物，具有高强度、耐腐蚀以及很好的生物相容性。但相反由于PEEK材料的理化性质稳定，造成了骨长入缓慢。Kurtz和Devine[26]报道，与钛相比，PEEK材料不对放射性检查产生干扰，它更接近骨的弹性模量，能够更好地避免应力遮挡。Chen等[27]随访长达7年的研究报道，与钛材料相比，PEEK材料能更好的维持椎间隙高度、颈椎生理曲度和临床疗效。至今，TMC与PEEK cage的选择仍存在争议，临床上可用复合垫片，如中国台湾的Combo cage，体部采用PEEK材料，终板处用钛材料。从理论上讲这种椎间融合器可以增加植骨融合率，但尚缺乏证据支持和长期临床报道[28]。Kotsias等[29]在一项前瞻性多中心研究中发现部分钛涂层的cage虽然能在术后短期内对患者生活质量有所改善，但在中远期比较时并无优势，而且也不能提高植骨融合率。

4.增强涂层：利用cage的表面涂层可以促进骨生长，加强与骨界面的贴合稳定。Gu等[30]观察了羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)涂层结合转化生长因子β1(transforming growth factor beta 1，TGF-β1)和胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor，IGF-1)对cage的影响。HA结晶胶原纤维诱导骨形成，而TGF-纤维诱导和IGF-1刺激成骨细胞的增加，从而促进成骨。在山羊脊柱融合的实验中，发现其与普通cage相比，这种涂层能增加成纤维细胞的数量，又能显著降低脊柱的屈伸范围。但TGF-β1和IGF-1有剂量依赖的副作用，如果过量会引起低血糖和以及电解质的变化。TGF-β1和IGF-1涂层在人体实验时，安全性是应该进行评估的。

5.可吸收材料：羊模型的多项研究表明，70/30聚乳酸(polylactic acid，PLD-LLA)cage、聚合物磷酸钙(polymer calcium phosphate，PCC)cage(50%磷酸钙+聚合物的复合材料)在脊柱融合术中表现出较好的生物学特性和安全性[31]。镁对成骨的益处已有报道，但有学者认为过量镁的释放会阻碍干细胞的成骨分化，抑制其增殖，甚至出现细胞毒性[32]。Zhang等[33]研究表明，镁在椎间盘过度积聚可能是椎间融合失败的主要原因。目前镁作为颈椎椎间融合器的可吸收材料尚未见较为成功的报道。3D打印技术也被应用于颈椎可吸收融合器的研制。山羊颈椎模型体外实验表明，3D打印PLA/纳米级β米磷酸三钙(β-TCP)具有较好的生物相容性，并在屈伸活动度方面与常规cage无明显差异[34]。Yan等[35]将β-TCP作为一种人工合成的骨替代材料，发现其可以促进脊柱的稳定和提高融合率。但不幸的是在脊柱稳定融合初期就会出现沉降。值得注意的是，Cao等[36]在山羊颈椎模型中比较了采用PLA/Nβ-TCP生物可吸收材料的颈椎椎间融合器(bioabsorbable cervical fusion cage，BCFC)与自体骨以及PEEK材料的疗效，发现BCFC能维持更好的椎间隙高度，有更小的轴向旋转范围，在组织学上有更好的椎间融合表现。可吸收材料具有更接近骨质的弹性模量、较小的应力遮挡、较好的透光性等优点，但也存在骨溶解率高、免疫排斥反应、椎间隙塌陷等缺点。故仍需高质量的研究证实其可行性和临床疗效。

6.重组人骨形态发生蛋白(rhBMP-2)：rhBMP-2是TGF-P超家族的成员之一，因其能诱导骨和软骨的形成而得名，对骨骼的胚胎发育和再生修复有重要作用。rhBMP-2具备可溶性，在椎间融合中能快速溶解。但rhBMP-2在单独使用时容易失去活性，需要在载体上缓慢释放。Boden等[37]将rhBMP-2复合物用于椎间融合，发现rhBMP-2复合物椎间融合率高于自体骨移植，但椎间植入rhBMP-2能否提高融合率一直存在争议。rhBMP-2在促进骨吸收和骨融合方面起着积极的作用，但在体内具体的作用机制还不是很清楚。其与自体骨移植相比仍有较多的并发症出现，如破裂、降解产物引发免疫排斥反应、促进骨溶解，椎间高度塌陷等[38]。

三﹑总结与展望

ACDF经过多年的革新与发展，取得了长足的进步。颈椎cage的设计和材料也不断地更新。目前的cage虽然各具优势，但仍有许多问题需要克服。ACDF术后cage的沉降率约为21%[39]。虽然钛合金的稳定性强，但弹性模量较大，容易出现应力遮挡。而PEEK材料的弹性模量与椎体相近，但由于其理化性质极其稳定，所以不易降解，骨长入困难。现有的PLD、PCC、rhBMP-2等可吸收材料的融合器，代谢降解的机制和产物还不清楚，生物稳定性和材料的刚度不够强。

今后的发展方向仍是增强颈椎cage可吸收材料的生物稳定性、提高其强度、研究其代谢机制和产物、控制好降解速度，在促进融合的同时不对机体产生干扰，真正做到功成身退。如何简化操作，保护正常组织结构，减小对机体的损伤，更好地促进融合，减少cage植入的并发症，保持良好的中长期效果，是当前研究的课题。目前使用的cage的型号都是批量生产的，而临床上疾病的责任节段都有其特异性，怎样针对患者做到个体化选择，精准地进行治疗是当前研究的热点问题。

与腰椎不同的是，颈椎神经根的游离度明显小于腰椎神经根，其致压因素主要来自于钩椎关节的骨性增生和椎间盘突出。因此在设计cage时需要考虑宽度和深度的匹配。由于椎间隙的撑开与维持，对颈椎曲度的恢复有重要作用，cage 高度的设计需要考虑生物力学的特性，尽可能地满足颈椎的解剖需求。利用3D打印技术可以模拟出患者的各项参数，做好术前规划[40]。随着基因工程技术的不断突破，甚至有人提出通过颈前路注射的方法消解退变的致压物，无需椎间融合。当然该方法需要更多的技术支撑以及临床试验。

未来的cage需要满足患者个性化需要，恢复椎间隙的高度和保持颈椎的正常生理曲度，并且疗效可靠、并发症少、操作简便、性价比高，更好地适应临床。相信随着生物力学、材料工程学、数字化信息技术以及基因工程技术的发展以及各学科的交叉渗透，cage将会有得到更好更快的发展。