人工椎板的研究进展 *

尹煜超 黎松波(通讯作者) 黎建文

( 1 广东医科大学 ， 广东 湛江 524023 ； 2 东莞市人民医院 )

椎板切除术是治疗椎管狭窄症的有效方法之一[1]，其具有脊髓减压充分的优势，但是破坏了脊柱后方结构，改变脊柱的生物力学表现，从而容易造成医源性脊柱失稳[2]，。而且椎板切除术后脊髓和神经根失去椎板的保护，容易被创伤修复过程产生的瘢痕组织粘连、压迫，从而引起手术失败，发生率高达10%-40%[3]。许多研究表明，人工椎板既可填补椎板的缺损处，防止硬膜粘连，又可重建椎管及脊柱后方结构，增加术后稳定性，已被不少脊柱外科医生应用于临床治疗中。本文对人工椎板目前的研究进展综述如下。

1 人工椎板的研究背景：学者们曾提出过许多不同的学说解释椎板切除术后硬膜粘连形成的机制。最早由Key等[4]提出“前源学说”，认为瘢痕来源于椎管前方损伤的纤维环。随后LaRocea等[5]认为纤维化主要是由骶脊肌损伤形成的成纤维细胞侵入肌间血肿所致，并形成覆盖在椎板切除部位及向椎管内延伸的纤维粘连膜，提出“后源学说”和“椎板切除膜理论”。Songer等[6]在前者基础上提出“三维立体学说”，认为纤维化既可来前方损伤的纤维环和后纵韧带，也可来自后方损伤的骶棘肌，同时瘢痕会包绕神经根而导致侧方受累。施洪臣等[7]认为手术创伤导致的椎板缺损是引起硬膜及神经根粘连发生的必要条件。目前预防椎板切术术后硬膜粘连的方法多种多样，包括腰椎微创切除术、放射治疗、药物治疗和植入治疗，但效果并不理想[8]。脊柱不稳是椎板切除术后另一个重要的并发症。研究表明，双侧关节突和脊柱后方结构的破坏是脊柱术后失稳的主要原因。目前脊柱外科医生提出许多脊柱后路减压的改良术式，如单侧椎切除术、双侧椎板切除术等，取得了与传统椎板切除术式相似的临床效果，并有效地提高了术后脊柱的稳定性[11-12]。但单侧或双侧椎板切除术存在术中操作视野和空间有限的困难及减压不完全的风险。联合融合技术或者内固定技术也可明显提高术后脊柱稳定性[13]，然而存在加速邻椎退变、限制脊柱活动度等可能。因此传统的椎板切除术式仍不可取代，如何预防椎板切除术后失稳仍是脊柱外科医生研究的重点。人工椎板修补了椎板缺损并形成完整的椎板，既防止硬膜粘连受压，又提高术后稳定性，并且更加接近生理解剖，成为了传统椎板切除术的重要补充，自出现起就引发了研究者们的广泛关注。

2 人工椎板的基础研究

2.1 不同材料制作的人工椎板：早期人们制造的人工椎板都是单纯由材料构成，所使用的材料包括金属、陶瓷、同种异体骨及高分子材料等。钛合金是医学用金属材料中的首选，具有良好的生物相容性及生物力学性能。胡军等[14]以成年杂种犬为实验对象行椎板减压术，分别将单纯钛合金和表面烧结羟基磷灰石的钛合金制成人工椎板并植入椎板缺损处，结果显示单纯的多孔钛合金人工椎板具有预防术后硬膜黏连的作用，但假体和骨组织无愈合，表面烧结羟基磷灰石的钛合金人工椎板成骨现象明显且与骨组织结合紧密，具有更好的生物活性及稳定脊柱的作用。同种异体骨具有人骨的生物力学性能以及良好的生物活性，常用以修复骨缺损。唐欣等[15]将雄性绵羊胫骨做成同种异体骨板，放于同组绵羊的椎板缺损部位，设立对照组，行大体、影像学及组织学观察发现，术后4周人工骨板无移位，椎管形态及容积无改变，硬膜无受压，术后8-12周人工骨板逐渐降解，同时大量新生骨小梁形成，并逐步爬行替代整个骨板，术后24周椎管重建基本完成，椎管形态完好，硬膜外未见瘢痕组织，认为冻干辐照骨板具有“骨诱导”、“骨传导”作用，可重建椎管，满足阻隔瘢痕向椎管内长入的需求。生物陶瓷具有较佳的生物相容性及耐蚀性，目前在医学上得到广泛研究和应用，其中磷酸三钙(TCP)和羟基磷灰石(HA)因和骨的成分和结构相近，植入体内后可部分降解并游离出骨生成所需的钙和磷，对骨代谢过程中钙盐的沉积起到支架作用，是公认较优良的骨置换材料。但是单纯陶瓷材料在强度低、韧性差的缺点。学者们通过材料的复合以及应用纳米技术一定程度上改善了生物陶瓷的力学性能。唐文胜等[16]将22只雄性家犬行腰5椎板切除，其中13只植入纳米羟基磷灰石/聚酰胺66(- HA/PA66)人工椎板，9只作为空白对照组，分别于术后4、6、8、16、24周行电镜、组织学、影像学观察，结果显示人工椎板从术后4周开始周围出现原始骨小梁，术后16周与周围骨组织连接紧密，术后24周完全愈合，且自身未见明显降解，全程未见明显排斥反应和硬膜粘连，认为n- HA/PA66人工椎板具有良好的生物相容性、生物活性和良好的机械性能，可作为一种屏障阻止瘢痕向缺损处生长，并可诱导骨生成重建椎管。Ran等[17]通过动物实验发现新型α-TCP多元氨基酸共聚物复合人工椎板具有良好的生物相容性性及成骨作用，能促进骨缺损处新骨形成与功能重建。Lv等[18]通将可降解生物陶瓷MACCP/n-HA人工椎板用于动物实验中，发现生生物陶瓷人工椎板降解缓慢，可在体内长久维持生物力学稳定性，对周围肌肉瘢痕向椎板缺损处生长有良好的机械阻隔作用，并且可促进骨缺损处新骨形成并与自体骨达到键性结合，重建正常的骨性椎管。

2.2 组织工程人工椎板：骨组织工程学是一门新兴的学科，其核心内容是即将体外培养的成骨细胞种植到支架材料上，然后将支架材料植入骨缺损处，辅以细胞因子促进成骨细胞增殖分化，以达到修复骨缺损目的[19]。近年来，骨组织工程学得到了飞速的发展，也为人工椎板的构建提供了一个新的方向—材料+细胞的组织工程人工椎板。陈绪君等[20]将兔骨髓间充质干细胞(MSCs)体外诱导为成骨细胞并定植在胶原蛋白海绵上，并成功在全椎板切除减压兔模型上构建人工椎板。Dong[21]等将兔骨髓间充质干细胞植入β-TCP生物陶瓷构建成组织工程骨，并分别将β-TCP组织工程骨、单纯β-TCP生物陶瓷应用在全椎板切除减压兔模型，结果显示MSCs复合β-TCP生物陶瓷可成功重建人工椎板，且成骨效果比单纯植入β-TCP生物陶瓷好，认为。陈绪君等[22]进一步通过动物实验对比β-TCP组织工程骨和胶原蛋白海绵组织工程骨构建人工椎板的能力，结果显示胶原蛋白组织工程骨具有更好的生物相容性和更强骨诱导能力，且其贴附性和可塑形性让其更容易固定，但降解速率过快，机械性能不足，不能用于承重部位。林荣强等[23]将同种异体兔脐带间充质干细胞分别植入羟基磷灰石-壳聚糖支架和壳聚糖支架构建组织工程化骨，尝试在兔模型上构建人工椎板，并设立单纯支架材料组和空白组作为对照，结果2种组织工程化骨均能重建人工椎板，且细胞+支架材料组重建能力优于单纯支架组，含羟基磷灰石的支架材料重建能力优于不含羟基磷灰石材料，其中同种异体兔脐带间充质干细胞复合羟基磷灰石-壳聚糖支架组成骨能力最强。Li等[24]开发了一种类似于椎板形状的生物可吸收多孔聚己内酯 (polycaprolactone，PCL)笼状支架，他们将切除的椎板制成骨屑并装入PCL笼状支架，然后植入兔的椎板切缺损处，结果显示可成功重建椎管，认为PCL笼状支架可作为自体骨移植的替代方案，有巨大前景。

3 人工椎板的临床应用

3.1 同种异体骨人工椎板：同种异体骨早期因严重的免疫反应未能广泛使用，随着冷冻技术、辐射灭菌技术的出现，同种异体骨的免疫原性得到明显下降，而力学性能和生物活性都得到一定的保留，目前已广泛应用于临床。徐少文[25]等对18例腰椎管狭窄患者行椎板切除减压术，并将同种异体半脱钙股骨片做成适当大小的“H”型以修补椎板缺损处，术后患者症状均明显缓解，CT及MRI结果显示椎管较术前扩大，脊髓无压迫，周围无明显排异反应，且术后3年人工椎板几乎被自身骨质爬行替代。杨述华等[26]用同样的方法将冻干辐照骨板应用于58例患者中，术后半年随访，临床疗效均优良，术后1年半随访，CT显示人工骨板与周围骨组织愈合，硬膜无明显受压，认为同种异体骨人工椎板可减少腰椎切除术术后并发症的发生。虽然同种异体骨人工椎板具有良好的初步临床疗效，但仍存在一定的问题需要解决：材料来源有限；大段骨移植的免疫反应仍需进一步解决；无法任意改变形状，能重建椎管但无法重建棘突及后方韧带系统，稳定脊柱的作用尚需进一步研究；固定不牢靠，通过丝线与关节囊或上下棘突缝合固定，无法获得术后及时稳定性，术后仍需卧床6-8周。

3.2 金属材料人工椎板：医用金属材料具有高强度、耐疲劳、易加工成形的优良性能，被广泛应用在临床中，特别是作为骨植入材料应用在骨科领域。钛合金是医学用金属材料中的首选，具有较佳的耐腐蚀性及良好的生物相容性，其制成的钛网广泛被应用于填补椎板切除术后的椎板缺损。练克俭团队[27]将钛网人工椎板应用在椎板切除术中，他们根据椎板缺损范围将钛网折弯、裁剪制成适当大小的“Ω”型人工椎板，并配合自体骨和异体骨植骨完成40例椎板切除术后的椎管重建，术后随访1年半，影像学检查显示钛网位置良好，椎管内无骨碎块进入，硬膜无粘连、受压，且半年内均完成钛网与周围骨质的融合。翟文亮等[28]进一步对28例腰椎管狭窄症并行椎板切除减压联合钛网椎管成型术的患者进行了3-4年的随访，发现患者术后1年及最后1次随访时的椎管体积无明显变化，腰腿痛评分较术前提高并保持稳定，认为椎板切除术联合应用钛网椎板可在充分减压的同时保持脊柱的稳定性。但也有报道椎管狭窄全椎板减压术中应用颅骨钛网重建椎管后壁存在术后腰椎失稳概率增大、长时间卧床等不足[29]。另外钛网也有自身的缺点，如无法降解，X片透光性差，弹性模量高于人骨，可能产生应力遮挡，以及有产生金属疲劳导致钛网局部断裂的风险。

3.3 生物陶瓷人工椎板：纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料是近年来发展迅速的一种新型生物陶瓷材料，其制成的人工椎板是目前广泛应用在脊髓退变、骨折、肿瘤等引起的腰椎管狭窄症患者身上。温从游等[30]将纳米羟基磷灰石/聚酰胺人工椎板用于治疗12例患者椎板切除术后的椎板缺损，并进行了7-9年的长期随访，术后患者的临床症状均得到缓解，影像学检查显示术后椎管较前扩张，且硬膜无明显粘连。Zhao等[31]对植入纳米羟基磷灰石/聚酰胺人工椎板重建椎管的20例患者进行4-7年随访，发现术后3个月的JOA评分及椎管矢状径均较术前明显改善，最后1次随访结果与术后3个月无明显变化，且末次随访时影像学检测显示人工椎板位置良好，与周围骨质愈合，硬膜无受压，认为纳米羟基磷灰石/聚酰胺人工椎板具有良好的应用前景。李钦亮等[32]将纳米羟基磷灰石/聚酰胺人工椎板用于30例多节段脊髓型颈椎病患者的椎管重建中，并与38例颈椎后路双开门椎管扩大成形术作对照，结果显示两者拥有相同的疗效，而人工椎板的应用可以缩短手术时间、减少手术出血及术后并发症。随后不少学者先后将这种新型人工椎板投入临床应用，均取得良好的临床疗效[33-34]。纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料人工椎板形态上较为接近生理解剖，取得了良好的临床疗效，但其术中不易固定，用丝线固定在棘突或关节囊上稳定性较差，嵌于椎弓根钉-棒系之下则改变了钉棒系统的受力分布，其固定方式仍有待进一步改善。另外临床应用中曾出现伤口感染现象，其生物相容性仍有待进一步研究。自体骨颗粒具有很强的骨诱导能力，是公认骨移植的金标准，但其不容易形成椎板形状并停留在缺损部位。

4 总结与展望：理想的人工椎板应该具有良好的生物性能和力学性能，即满足以下条件：有良好的生物相容性，无明显排斥反应及毒副作用；可降解和适当的降解速率；有骨诱导能力，可重建自体椎管；足够的力学强度，既可阻挡瘢痕压迫硬膜，也可维持脊柱稳定性；适当的弹性模量，避免应力遮挡；较好的韧性和耐磨性。同时其形态及固定方式也应接近生理解剖以更好的发挥其生理功能。人工椎板从出现至今，取得了较大的进展，但仍具有各自的问题需解决。从材料来说，同种异体骨来源有限，加工困难，生物相容性有待提高，金属材料不可降解，生物活性差；陶瓷材料力学强度不足，耐磨性差。从加工方式来说，传统方式难以加工复杂的假体，且产品大小、形状难以与术中切除病灶契合。从固定方式来说，丝线固定无法获得术后及时稳定性，嵌压在钉棒系统下又改变钉棒系统的分布。

过往常以复合材料、表面处理等方式改进植入物材料，但随着骨组织工程学科的发展，更多以组织工程技术构建的新型材料被研制出来。而3D打印技术的发展也为人工椎板的加工提供了一个新的方向。3D打印可在三维数字模型的基础上将金属、塑料、粉末、陶瓷、液体，甚至是活细胞层逐层叠加来制造3D模型[35]，可根据患者的情况打印出特定形状和结构的内植物且制作时间相对较少，具有精确性、可重复性、安全性的优点。3D打印的人工椎板形态更接近患者自身椎板，也可设计螺钉固定的轨道，使人工椎板的固定更符合自身力学特性，同时可减少术中裁剪，缩短手术时间，减少术中出血，从而提升手术的安全性。目前已有研究者将3D打印的PEEK人工椎板应用于临床，并取得良好的疗效[36]。另外，利用 3D生物打印技术，可打印具有类似骨小梁的微孔结构的组织工程支架，甚至可以将细胞与支架一起打印[37]，在构建骨组织工程人工椎板上具有良好的发展前景。相信随着组织工程学、材料学等学科及3D打印技术的不断发展，一种由复合材料组成，采用3D打印技术的组织工程化人工椎板会在不久的将来被研制出来。