腰椎椎间融合器研究进展

朱学进 刘杨 徐佳元 王挽涛 高博 赵磊 柏长青 祁全

腰椎退行性疾病(LDD)是骨科常见病和多发病，每年全球出现LDD和腰背痛的人数占总人口的3.63%。LDD主要包括腰椎不稳、腰椎滑脱、腰椎椎管狭窄、腰椎间盘突出等，严重影响患者的生活和工作。腰椎椎间融合术是治疗LDD常用且有效的方法，腰椎椎间融合器作为腰椎椎间融合术的重要组成部分，其主要作用是恢复椎间隙高度及生理曲度，实现术后即刻稳定，减少椎弓根螺钉断裂发生，促进椎间骨性融合，并在一定程度上减少自体骨用量，从而减少由此引发的一系列并发症发生。自腰椎椎间融合术提出以来，各种手术入路随着不同种类的腰椎退行性疾病治疗需求相继产生，腰椎椎间融合器也得到发展。随着微创观念的深入，腰椎椎间融合术也在向微创化发展，微创腰椎椎间融合术包括微创经椎间孔入路腰椎椎间融合术(MIS-TLIF)、ZELIF经皮内镜腰椎椎间融合术、侧路腰椎椎间融合术(LLIF)和斜外侧入路腰椎椎间融合术(OLIF)等。

1 外形和结构

最初腰椎椎间融合器外形为水平圆柱型，形似加粗的螺钉，其运用了“撑开-压缩”原理[1]。临床上由于它与终板接触面积小、植骨量少、椎间高度不能维持、融合器易发生下沉及植骨融合率低等原因，目前临床已很少使用。随后出现的立方型椎间融合器外形似方形的箱子，有直型、弧形等。立方型椎间融合器能提供很大的松质骨填充空间，融合面积大，负荷承载能力很好，但抗旋转应力和自稳性能差，尚需联合后路椎弓根钉棒内固定加强力学性能，是临床上最为常用的腰椎椎间融合器。

近年来，微创手术由于创伤小、出血量少、术后恢复快等特点，得到飞速发展，临床上对微型腰椎椎间融合器有了较大需求，该种融合器在通过工作通道时体积较小，进入椎间隙后利用特殊方法撑开，并保持一定高度以维持椎间隙高度。Gepstein等[2]首次将直径5 mm 的B-Twin可膨胀椎间融合器用于微创后路腰椎椎间融合术(MIS-PLIF)，并与开放式入路腰椎椎间融合术(OPLIF)进行对比，结果显示其可缩短手术时间，减少出血量，减轻术后即时疼痛，所有参数均符合微创手术概念。丁一等[3]将Pango可撑开椎间融合器联合微创螺钉内固定系统用于治疗退变性腰椎管狭窄症，与B-Twin可膨胀椎间融合器相比，其能耐受更大的压缩力，恢复生理前凸，耐磨且防移位，但要求工作通道直径较大(8 mm)，该融合器的推广尚有待进行更详尽的临床观察和研究。

2 应用材料

椎间融合材料起先取自患者髂嵴或同种异体骨，修剪后放置于椎间隙，自体骨移植在所有植骨术中融合效果最佳，自体髂骨植骨融合可称为融合效果的“金标准“，但存在术后取骨区血肿形成、疼痛、失血量较多、易感染及椎间高度不能恢复等缺点[4]。钛合金属于惰性金属，具有不可降解性，不易对人体产生影响，具有耐腐蚀性强、组织相容性好等特点。Cuzzocrea等[5]研究发现，钛金属融合器融合率高，周围骨溶解发生率较低，可使椎间融合稳定。钛合金椎间融合器机械强度和力学性能较优，故可达到即刻稳定，但其弹性模量与皮质骨弹性模量相差较大，易导致应力遮挡，该材料对X线可产生遮挡，但对CT、MRI检查影响较小，目前临床上较为常用。聚醚醚酮(PEEK)是一种惰性全芳香族半结晶热塑性聚合物，毒性极小，耐高温、耐化学腐蚀，具有良好的生物安全性。PEEK椎间融合器弹性模量介于椎体皮质骨与松质骨之间，力学性能与天然骨相似，植入人体后可有效降低应力屏蔽效应[6-8]。但它生物活性和成骨效能均较低。PEEK是射线可透材料，它在CT和MRI检查中产生的伪像相对较少，因此与金属材料相比具有影像学优势。目前涌现许多以纳米羟基磷灰石为基础的复合材料, 纳米羟基磷灰石生物活性良好，弹性模量与骨质相当，且具有可降解性，该类复合材料制成的椎间融合器仍处于基础研究阶段。

未来需科研人员和医护人员共同努力，寻找出符合以下条件的腰椎椎间融合器材料：具有良好的生物安全性、组织相容性，以及良好的骨诱导、促进骨生长能力，向融合“金标准”靠拢；有足够的硬度，以保证术后即刻稳定，且弹性模量与椎体骨相当，减少融合器应力遮挡，尽可能减少术后椎间隙高度和生理曲度丢失；保证椎体之间达到骨融合后才能降解，且降解产物对人体无害。

3 细节性结构

腰椎椎间融合器制作上有许多细节性结构，包括涂层、孔隙、双凸形状、凸起防退结构、前凸角度等。这些细节性结构主要目的是使融合器具有稳定的结构、接近于骨松质的弹性模量、较高的抗拔出力、较好的生物学性质，可促进椎间快速骨性融合。

3.1 涂层和表面孔隙

融合器表面涂层技术可整合2种或更多种材料优势，从而使融合器性能达到最佳。将生物相容性、骨整合能力较强的钛或磷酸钙材料通过纳米涂层技术涂层到弹性模量较好的PEEK材料上，可使得PEEK融合器融合率增加，融合器下沉率降低。Willems等[9]临床研究表明，钛或磷酸钙纳米涂层PEEK融合器与未涂层PEEK融合器具有相同的安全性和有效性，但钛或磷酸钙纳米涂层PEEK融合器融合率更高。Kienle等[10]实验研究表明，钛等离子喷涂涂层PEEK融合器磨损量(2.02 mg)大于钛或磷酸钙纳米涂层PEEK融合器(分别为0.75 mg和0.57 mg)，且高于美国食品药品监督管理局(FDA)指导文件中允许的重量减轻极限(约1.7 mg)，而钛或磷酸钙纳米涂层PEEK融合器低于此极限。

Tsai等[11]的雌猪实验研究表明，孔隙率高尤其是孔隙率为60%和80%的结构可促进腰椎椎间融合器内骨形成。Lim等[12]经动物实验证实了骨融合与多孔结构之间的相关性，孔径为1.2 mm的腰椎椎间融合器具有最佳的骨融合性能。目前人体内腰椎椎间融合器表面孔隙率最佳数值尚未有报道，还有待于进一步的探索研究。

3.2 上下表面结构

研究报道，经腰椎CT影像上测量，L1～4上、下终板的主要类型为凹型,而L5上终板主要为凹型,下终板主要为凸型[13]。腰椎椎间融合器上下表面只有与腰椎终板更好贴合，才能减少应力集中，维持椎间高度。腰椎椎间融合器设计为双凸型结构，符合国人腰椎解剖结构，但具体数据尚较少报道，需进一步深入研究。此外，腰椎椎间融合器上下表面的凸起结构还能增大抗拔出力，具有防止融合器在椎间隙后退的功能。

3.3 前凸角度

腰椎属于脊柱中生理性前凸部分，在腰椎融合术中恢复腰椎生理曲度尤其重要。在腰椎椎间融合术中置入脊柱前凸融合器能显著增加节段性脊柱前凸及椎间隙前后高度，间接为椎间孔提供减压[14]。Walter等[15]临床研究表明，在经椎间孔入路腰椎椎间融合术(TLIF)中放置的脊柱前凸融合器具有很好的矫正脊柱前凸潜力，但具体手术效果还取决于患者站立时脊柱、韧带、肌肉之间的协调平衡。每个人的前凸角度都不相同，所以在手术选择融合器时也应因人而异，甚至在完善检查及设计好手术方案后，临时进行个体化定制。

4 临床效果

腰椎椎间融合器作为腰椎椎间融合术的重要组成部分，很大程度地影响腰椎融合效果，但腰椎融合效果影响因素不仅有融合器形状、材料、表面涂层、孔隙率、上下表面结构、前凸角度等自身情况，还包括椎体情况、融合器放置位置和植入方向、椎弓根螺钉松动等。研究表明，术前Modic改变对于TLIF术后椎间融合效果没有明显影响,但可显著增加融合器沉降风险，尤以ModicⅠ型和Ⅱ型改变为著[16]。但也有临床研究报道，对LDD患者行OLIF时不辅助椎弓根钉棒固定，结果表明Modic改变或硬化的椎体可减少融合器下沉率，这可能是预防融合器下沉的潜在预测因素[17]。这两种观点存在矛盾，说明Modic改变与腰椎椎间融合器的相互作用还有待进一步的探索研究。

梨形椎间盘、融合器在椎间隙内偏后放置和终板损伤被确定为腰椎椎间融合器后退的危险因素[18]。在后路腰椎椎间融合术(PLIF)后融合器脱出由多种因素所致，包括腰椎滑脱未完全复位、合并骨质疏松症、肥胖、融合器类型选择不当、融合器型号偏小、融合器植入深度不够、单个椎间隙植入2枚融合器、椎弓根钉棒系统不稳定、术后过早恢复体力劳动等。考虑到融合节段的活动度，在融合节段前方横向置入腰椎椎间融合器可有效提高融合节段刚度，从而有利于融合后腰椎稳定。此位置置入还可以产生较小的融合器和终板应力，从而避免融合器损伤或下沉。经皮内镜下经椎间孔腰椎椎间融合术(PE-TLIF)的生物力学性能优于TLIF，建议临床施行PE-TLIF时在L5椎体上终板前部横向置入腰椎椎间融合器[19]。Comer等[20]进行有限元分析研究，在模拟TLIF术中将肾形、铰接式和直弹式3种腰椎椎间融合器分别置入椎体间隙不同位置，探究生物力学效果，但并未寻找出具有明显优势的融合器形状及椎间隙内放置位置。研究报道，TLIF术中腰椎椎间融合器横行置入与斜行置入具有相同的临床疗效，但横行置入在改善矢状位(椎间隙前后高度)方面具有优势，因此建议TLIF术中采用融合器横向放置[21]。Wanderman等[22]研究认为，TLIF术后影响融合成功的因素有很多，但迄今为止融合器形状似乎不太重要。鉴于缺乏令人信服的证据表明新月形融合器具有临床或生物力学优势，而子弹型融合器易于术中置入且能减少神经组织损伤风险，因此目前首选子弹型融合器。

5 展望

在以后的腰椎椎间融合器研究中，需加强材料学研究，寻找更好的生物材料；利用涂层技术将材料的优势整合起来，减少融合器整体劣势；加强孔隙率研究，探索在人体内促进骨长入的最佳孔隙率；解剖型腰椎椎间融合器很难经TLIF或PLIF置入椎间隙，因此需加强解剖型腰椎椎间融合器设计，从而减少术区组织破坏的同时利于腰椎生理性前凸恢复。临床上针对不同的腰椎椎间融合术，选择不同的融合器也显得尤为重要，既要减少术中对周围组织的损伤，也要选择合适的融合器型号。