颈椎椎间融合器研究进展

2019-03-18张剑冯新民张亮

国际骨科学杂志 2019年6期

张剑冯新民张亮

颈椎前路椎间盘摘除植骨融合术(ACDF)由Cloward[1]和Smith等[2]在20世纪50年代提出。Cloward在减压后于椎间隙植入植骨材料，早期植骨材料主要从患者髂嵴或通过同种异体骨库获取，然后将之修剪至合适大小植入减压间隙。Smith等则在减压后通过植入直接取自患者髂嵴的马蹄形骨块实现植骨融合。虽然自体骨移植的设计不断改进，但每种方法都有其局限性[3]。自体骨移植的常见并发症有疼痛、感染、血肿、神经损伤及骨折等[4]，因此亟需寻求替代移植材料。椎间融合器技术最早由Bagby[5]于1988年提出，最初的椎间融合器为一圆柱形装置，由中空的不锈钢制成，是不可压缩的容器。自此以后，椎间融合器在材料和工艺上得到不断进步，目前已成为颈椎及腰椎椎间植骨融合的首选装置[6]。本文就颈椎椎间融合器的研发进展作一综述。

1 椎间融合器类型

椎间融合器的基本设计是1个小的空心植入物，其侧面、上部和(或)下部是可填充自体骨、异体骨或骨诱导材料的中心腔。椎间融合器一般可分为螺纹型(螺钉)和非螺纹型(垂直环型和箱型)，可根据具体情况决定是否附加前路钛板。

1.1 螺纹型椎间融合器

螺纹型椎间融合器基于Cloward研发的椎间融合器设计而成。1994年发布的 BAK融合器为一可以填充自体骨的多孔钛合金圆柱体[7]，其安全性和即刻稳定性使该装置获得了巨大成功，与非螺纹型椎间融合器和髂骨移植模型相比，该装置具有更高的刚度且可以促进融合。然而，螺纹型椎间融合器存在设计缺陷，即相邻椎体的椎间隙宽度受限，椎体终板强度变弱，从而使得椎间融合器下沉发生率增加。有体外生物力学研究将螺纹型椎间融合器与带3面皮质骨的髂骨移植物进行比较，发现前者在屈曲、伸展和侧弯时稳定性较差[8]。近年来，螺纹型椎间融合器已逐渐被淘汰。

1.2 非螺纹型椎间融合器

1.2.1 箱型椎间融合器

箱型和垂直环型椎间融合器最初的设计是一带有粗糙接触面的矩形容器[9]。与带3面皮质骨的髂骨移植物相比，这种设计表现出更高的椎体节段刚度。2000年初，开始涌现箱型椎间融合器梯形和楔形设计，其目的是模拟正常颈椎解剖结构，同时增加椎体节段刚度和表面接触面积[10]。梯形椎间融合器与椎体终板反向匹配，从而增加融合器在侧弯、屈曲和轴向旋转时的稳定性；楔形椎间融合器则利用前斜坡，使前高度比后高度高1～2 mm，从而更好地恢复颈椎生理前凸[11]。这种非螺纹结构的梯形和楔形设计也成为当今椎间融合器设计的主流。

1.2.2 垂直环型椎间融合器

研究发现，垂直环型椎间融合器有利于颈椎的拉伸和弯曲，但这种设计会导致终板-移植物界面接触面积减小，从而导致颈椎刚度减小[12]。从生物力学角度来看，非螺纹型椎间融合器能模拟颈椎正常解剖结构，从而在保持初始稳定性的同时较螺纹型椎间融合器增加融合器与椎体表面接触。

虽然目前比较不同类型椎间融合器的文献研究有限，但大体趋势是非螺纹的楔形、梯形融合器更受欢迎，其主要原因是非螺纹型椎间融合器植入容易，节段刚度较强，有利于颈椎前凸的恢复。

2 椎间融合器材料演变

目前椎间融合器主要有3种材料：碳纤维增强聚合物(CFRP)、钛及聚醚醚酮(PEEK)。CFRP椎间融合器具有较高的融合率和良好的临床效果[13]，但PEEK椎间融合器弹性模量更优，CFRP椎间融合器在大部分情况下已被PEEK椎间融合器所取代。钛及其合金是20世纪80年代第一批被用于椎间融合器的材料之一，钛具有良好的耐腐蚀性，可通过表面修饰来改善骨整合和细胞黏附[14]。PEEK在20世纪90年代引入，作为钛的替代品，PEEK椎间融合器可进行X线透视，且具有接近正常骨弹性模量的优点，从而避免了应力屏蔽[15]。目前钛椎间融合器和PEEK椎间融合器的优劣仍存争议。PEEK椎间融合器虽然具有理论上的各种优势，但仍存在难以确定和控制的因素，如终板准备、接触面积和过度牵张等。多研究认为，在融合率、沉降率及射线透射性等方面，PEEK椎间融合器与钛椎间融合器无明显差异[16-17]。Chen等[18]研究发现，PEEK椎间融合器与钛椎间融合器术后早期临床效果差异有限，但PEEK椎间融合器能更好地维持椎间高度和颈椎曲度。

3 椎间融合器优化

3.1 椎间融合器形状改进

现代椎间融合器设计已开始针对个体特点设计尺寸，以确保最优的临床效果和最大限度的融合。由于颈椎不同水平及不同个体间存在椎间隙高度差异，椎间融合器有多种尺寸可选。

椎间融合器通过恢复椎间隙高度来增加椎间孔高度和椎管容积，从而减轻脊髓及神经根受压[19-20]，但过度撑开也会带来一系列并发症，如骨不连、术后颈部疼痛及由移植物与颈椎终板接触压力增加导致的移植物下沉等。早年推荐移植物高度为10～15 mm[2]。研究证实，理想的撑开高度依赖于基线椎间隙高度，在基线以上撑开2 mm时椎间孔高度变化最大[18]。现代椎间融合器仍坚持这一观点，目前一般椎间融合器高度在5～8 mm，术中一般通过使用试模确定理想的椎间融合器高度。

椎间融合器宽度和长度决定椎体与融合器最大接触表面积和颈椎稳定性，具体由颈椎解剖学参数决定。椎间融合器过小，则稳定性不佳；椎间融合器过大，则会对周围结构造成损伤。虽然横向椎间隙的空间宽度在颈椎可达20～30 mm，但椎间融合器宽度受椎间关节限制，理想的放置位置是融合器两侧与椎体钩突接触[21]。Smith等[2]推荐椎间融合器宽度和长度均为14 mm，但需根据个体差异进行调整。现代椎间融合器设计的宽度为12～20 mm，长度为12～16 mm[22]。

3.2 椎间融合器材料改进

理想的椎间融合器应恢复颈椎正常曲度和椎间高度，并实现术后即刻稳定、高度融合，具有较低的并发症发生率。近年来学者们试图通过改变椎间融合器表面属性来促进早期骨融合，从而降低并发症发生率，例如采用等离子体束和电子喷雾技术对钛及其合金进行改性以提高表面粗糙度。体外研究表明，通过对椎间融合器材料表面改性可增加椎体表面的总蛋白及碱性磷酸酶水平，从而促进成骨细胞分化[23]。通过将改性的生物活性钛及PEEK的弹性模量结合起来合成钛/PEEK椎间融合器[24-25]，理论上可促进椎间融合器的植骨融合效果，但目前对其有效性还缺乏进一步研究。Gu等[26]在椎间融合器表面加上羟磷灰石(HA)和胰岛素样生长因子(IGF)-1、转化生长因子(TGF)-β1涂层以进行改性，结果椎间融合效果较好。

近年来，临床上椎间融合器研究热点向可吸收方向发展。聚乳酸(PLA)椎间融合器和氨基酸共聚物(AACP)椎间融合器都是可吸收聚合物融合器[27]。PLA为白色半晶体，熔点175°C～185°C，拉伸强度40～60 MPa，弹性模量3～4 GPa。AACP是新型可降解医用高分子材料，由6-氨基己酸和甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸等组成。可吸收椎间融合器在植入时具有一定的刚性，并逐渐降解，以促进骨形成和融合固定。然而，Daentzer等[28]利用镁合金和聚己内酯(PCL)研制了一种生物可吸收椎间融合器，并将其作为绵羊颈椎融合模型中颈椎前路椎间盘切除融合的装置，发现与移植骨相比，生物可吸收椎间融合器的刚度和融合性能较差。目前可吸收椎间融合器的疗效尚需大规模的长期临床研究来验证[29]。

3.3 椎间融合器设计改进

近年来，零切迹自锁式椎间融合器应用渐多。零切迹是指椎间融合器并不像普通颈前路钛板突出于椎体前方，而是置于减压后的椎间隙内，从而避免颈前路钛板对椎前软组织及食管的损伤，降低术后颈部不适及吞咽困难等并发症发生率[30]。零切迹自锁式椎间融合器于2008年获得美国食品药品监督管理局批准。它的设计为1个PEEK材质的主体连接到1个前板上，前板上有4个孔，通过长度14 mm或16 mm的螺钉经4个孔固定于椎间隙。前期研究发现零切迹自锁式椎间融合器不仅具有即刻稳定的作用，还能避免器械挤压椎体前缘的软组织，从而有效减少术后吞咽困难及食道损伤等并发症[31]。新一代产品可变角度零切迹颈前路椎间融合固定系统螺钉从4枚减少为2枚，进钉角度范围也较之前有所增大，从而减少潜在的应力遮挡。

前路颈椎桥形锁定椎间融合器采用了另一种零切迹方法，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。它将PEEK材质的主体与自锁导向系统结合在一起，允许钢板通过椎间隙直接插入相邻椎体。此类椎间融合器有零步锁紧机制，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[32]。叶永胜等[33]研究发现，行颈前路减压植骨融合术治疗颈椎病时，前路颈椎桥形锁定椎间融合器与零切迹自锁式椎间融合器术后早中期吞咽困难发生率无明显差异。

随着3D打印技术的迅猛发展，个性化定制椎间融合器应运而生，可根据患者自身实际情况进行定制，以满足在人体工程学、生物力学等多方面的具体要求[34]。3D打印材料主要分为金属类(钛合金、钽金属及记忆金属镍钛合金等)、非金属类(PEEK、PLA、碳纤维)等。3D打印技术结合新型材料定制个性化椎间融合器，可能是今后的发展方向。