粘弹性人工颈椎间盘假体的设计与思考

黄鑫怡，雷 伟

0 引 言

目前，治疗颈椎椎间盘退行性疾病的标准外科术式仍是颈前路椎间盘切除融合术(anterior cervical discectomy and fusion，ACDF)[1]。尽管该治疗能够恢复病变椎间隙高度以及缓解患者神经压迫症状，但是这种牺牲病变节段活动度的手术方式会使得邻近节段应力增加从而加剧退变[2-3]。为了解决这一临床问题，颈椎人工椎间盘置换术(artificial cervical disc arthroplasty，ACDA)应运而生，希望通过该术式在保留颈椎运动功能的同时减少相邻节段退变性疾病的发生[4]。如今已有大量随访研究报道了ACDA良好的临床和影像学结果[5-7]，然而现有的人工颈椎间盘假体的机械性和功能性仍有许多改善空间。

至今已经研发出两代人工颈椎间盘假体。第1代经典假体设计理念来源于膝关节和髋关节置换的假体植入物，采用金属、陶瓷等材质的球窝关节设计[8-9]。基于关节滑动，第1代假体植入物能够实现特定方向的活动，但是选用的刚性材料仅能够轴向传递应力而无耗散作用。考虑到这一不足，第2代假体开始增加使用具有弹性的聚合物材料，强调模仿天然椎间盘的粘弹性行为[10]。研究者希望这样的粘弹性颈椎间盘假体能够通过弹性形变在一定程度上实现吸能减震效果，并且更加灵活地提供各个方向的活动度来恢复颈椎正常的生理运动[11-12]。近20年来，粘弹性颈椎间盘假体开始尝试各类设计，目前更多特色的假体正持续开发中，它们在材料应用、结构设计和临床效果方面各不相同。本文主要对现有的粘弹性人工颈椎间盘假体进行总结分类，并讨论分析各式设计特点以评估其应用发展潜力，希望有助于促进粘弹性假体的改进优化，同时对新一代人工颈椎间盘假体的未来发展有所启发。

1 粘弹性人工颈椎间盘假体的分类

区别于传统关节式椎间盘假体的上下两个适配部件的分体设计，粘弹性椎间盘假体的多部件通常组装成一体。根据有无终板结构设计，可将粘弹性椎间盘假体分为两大类：一类是具有上下两个高强度材料终板，中间复合软性弹性核(即硬终板-软弹性核)的三层结构多部件设计，包括Bryan、Freedom、CP-ESP代表的多款假体。其中，根据弹性核是否与终板粘合，还可进一步区分为移动核和固定核两种类别。另一类是采用无终板结构的主体单块式设计，除了3DF假体，此类设计均选用本身具有一定粘弹性的材料，包括NeoDisc、Cadisc-C和UFO假体。

1.1硬终板-软弹性核对此类具有终板结构设计的椎间盘假体而言，其最明显的优势在于可以借助上下两个硬材料终板将假体即刻固定到相邻的椎体上，部分假体还通过终板厚度或结构的设计达到限制假体过度活动的目的[13]。在材料选择上，目前多使用生物医用金属，如不锈钢、钛及钛合金、钴基合金等，主要是由于生物安全性、耐腐蚀性及耐磨性能优良。在结构设计上，考虑了假体的整合固定问题。除了传统的螺钉固定，终板外表面排列有龙骨、倒齿、锚钉等各种结构用于实现假体即时稳定[13-15]。同时，覆盖羟基磷灰石、多孔钛等表面涂层来改善假体终板和椎体骨界面之间的骨长入以提供长期的稳定性[14,16]。从椎间盘假体正式诞生起，这样的硬终板部件就占据不可替代的作用地位。不仅是因为其能够提供足够的硬度来维持椎间隙的高度，更主要的是借助这样的终板固定能够较好地实现假体植入即刻和长久的稳定。而且目前尚未有其他替代方式足以达到令人满意的效果，因此“硬终板”设计一直保留使用至今，仍然是现在假体的主流设计。

但对于粘弹性人工颈椎间盘假体而言，设计上最为关键的是硬终板之间的弹性核，这也是与其他刚性类型假体最主要的区别所在[17-18]。弹性核能够保留类似天然椎间盘灵活可变的旋转活动中心，不仅力学模式更相近，对术中假体置入位置的要求也相对宽松[12]；此外，弹性核通过发生形变保证各向运动，使得假体能够满足所有的颈椎活动；同时其还能够提供缓冲减震的能力，避免小关节和韧带受到异常的应力负荷，从而降低了关节突关节退变的风险[13]。在材料选择上，目前粘弹性颈椎间盘假体的弹性核均采用聚合物材料，包括聚氨酯(Polyurethane，PU)、聚碳酸酯聚氨酯(Polycarbonate Urethane，PCU)、合成硅胶等。在结构设计上，主要有移动核和固定核两种类型，区别在于弹性核是否可以移动。

1.1.1移动核在移动核设计的粘弹性人工颈椎间盘假体中，弹性核和终板没有粘合固定从而可以相对移动。这样设计的好处在于应力可以分布在假体的多个部件之间，避免了在弹性核和终板之间的界面上产生应力峰值[11]。然而，与不可移动的固定核相比，移动的弹性核会不断与终板内表面接触和碰撞，导致产生磨损颗粒及碎片的风险更高。因此，为了限制核的移动范围以及防止磨损颗粒进入周围的组织环境，这种类型的假体通常会在弹性核周围增设一个外壳，连接并固定于上下终板形成封闭整体[14,19]。相对而言，其使用的部件较多，制作工艺也较复杂，只有早期开发的Bryan和M6-C两款粘弹性颈椎间盘假体为移动核设计，见图1。

图 1 粘弹性颈椎间盘假体-移动核设计

Bryan假体是最早采用金属终板-聚合物核设计的粘弹性假体，也是第一款采用类似人工关节囊设计的假体，主要由一个PU外壳包围可移动PU弹性核和上下两个钛合金终板组成，内部空腔还注入无菌等渗盐水，整体具有较好的震动吸收能力。而基于天然椎间盘的解剖结构，M6-C假体开创性地采用仿生结构设计，除了由PCU制备的可移动核，其外周还有由超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE)纤维编织的纤维结构，旨在模拟天然纤维环以提供渐进阻力从而约束节段的过度运动，同时也能够分散部分应力。特别的，这两款假体都创新地采用了仿生人体天然结构的设计思路，虽然结构部件多，但组合整体都较好地实现了假体的目标效果，证实了结构仿生的可行性。而这也给假体发展提供了新的探索方向，从仿生天然椎间盘结构入手，追求达到接近天然椎间盘的功能。

1.1.2固定核在不可移动的固定核设计的颈椎间盘假体中，弹性核与上下终板粘合成一体。这种设计的优点是主要依靠弹性核的变形进行运动，因此与使用可滑动关节或移动核的椎间盘假体相比，降低了产生磨损颗粒的风险[11]。然而，这样的假体运动模式同时也对粘弹性材料本身的性能提出了更高的要求。粘合一体的设计造成弹性核不得不跟随颈椎活动发生压缩拉伸剪切各向运动，特别是在较大屈伸时，会增加对弹性核施加破坏性拉伸载荷的风险。此设计同时也带来一个潜在弱点：弹性核和上下终板之间存在界面分层的风险，因为这两种材料软硬性质十分不同且模量差距大，即使粘合固定，在长期的循环运动下也具有疲劳断裂的可能性。总之，固定核在结构设计和制作工艺上相对简化，但其对弹性核与上下终板间粘合稳固性提出了严峻的考验。目前多数假体倾向于采用此类一体式结构设计，包括Freedom、CP-ESP、Rhine、NEO-phytos、D-flex假体，见图2。

图 2 粘弹性颈椎间盘假体-固定核设计

Freedom假体是唯一设计恢复颈椎前凸的假体，其弹性核模压固定于上下钛合金终板之间，不同于其他假体的两个平行终板，Freedom假体的上终板前高后低，与水平的下终板成8°的楔形角，目的是重建局部的颈椎节段并恢复自然前凸，保证颈椎的正常序列[20]。NEO-phytos和D-flex 假体的硅胶核也粘接于上下终板，值得一提的是D-flex Carbon假体将原来D-flex Titanium假体的钛合金材质终板改进成聚醚醚酮(poly(ether-ether-ketone)，PEEK)碳纤维复合材料(见图2)，很好地提高了磁共振检查的兼容性，减少成像伪影，因而如今更多假体开始选用PEEK材料替代优化。考虑到界面分层的弱点，多种结合方式开始被采用以加强界面稳固性，如CP-ESP假体的弹性核通过粘合成型与上下钛合金终板固定，此外还在终板内表面设置了外围凹槽以强化稳定[13]。Rhine假体设计的固定方式也有异曲同工之妙，其聚氨酯弹性核浇筑于带有多个圆孔的上下金属板，粘合成型后再借助锁定装置将其固定于终板外壳。这样的制备工艺能够使弹性核分布至圆孔中充分与金属板结合成一体，巧妙地将界面固定难题转化为金属板和终板外壳的装置固定问题，有效避免了弹性核与金属终板之间发生磨损和疲劳。

总而言之，相比于移动核设计的粘弹性颈椎间盘假体，此类固定核假体粘合一体的设计离天然椎间盘的结构更近了一步。在功能性不改变的前提下，固定核设计表现出结构的优化和生产的简化，因而成为现在粘弹性假体发展的主要趋势。虽然对材料粘弹性、粘合牢固性等提出挑战，但是借助材料及制造工艺的发展，未来此类假体尚有进一步改进的空间，所以还将会有不断完善的固定核设计的粘弹性颈椎间盘假体被研发出来。

1.2无终板单块式此类设计与其他椎间盘假体最大的区别在于舍弃了上下硬终板结构部件，更倾向于选用单块粘弹性材料充当主体结构而不是由多个分体部件组装构成。这样设计带来的一个优点是无需再考虑金属材料对磁共振检查兼容性的问题[21]；另一个优点是假体活动度不再受到终板限制，因为通常具有一定厚度的终板会在颈椎达到较大屈伸或侧弯角度时相碰造成假体活动受限，而在没有终板的情况下，活动度只受到材料本身粘弹性以及周围韧带、肌肉和软组织作用的限制，更接近于天然椎间盘的实际情况[16]。因此也认为“无终板”假体植入后在体的力学模式与天然椎间盘趋于相似，反观“硬终板”假体在结构和刚度上却都与天然椎间盘不相匹配，相比之下“无终板”策略显示出更广阔的前景。不论是通过内部结构设计还是整体力学仿生，尽管达到目标效果的前提对粘弹性材料的生物性能和力学性能都提出了很高的要求，但是由于其具有更大的潜力实现颈椎间盘假体理想的应用效果，故值得未来重点研究和开发。

然而，与此同时，这样的“无终板”设计也带来一些问题：①此类非限制性假体更容易出现脱位和过度运动，造成节段不稳定及后部小关节的应力载荷增加，甚至是中长期潜在的后凸畸形的风险；②整体块状或纤维状的聚合物经常与相邻的椎体骨质直接接触，但许多聚合物的表面化学性质无骨传导性，所以往往需要进一步处理，有针对性地对各种材料使用各异的改性方法[22]；③而基于大型关节置换术的经验[23]，认为使用单块式的设计将使得运动时主要的剪切应力转移到椎体和假体的界面之间，更容易发生假体松动和移位，因此也对界面整合的稳定性提出了更高的要求；④长期仅依靠这些较软的粘弹性材料来负担应力载荷，可能会更容易造成假体高度的下降，经历蠕变失效的风险。不可否认，目前此类无终板设计的假体面临的问题和挑战尚且较多，有待在后续进一步设计开发中解决和完善。但是，倘若寻得方法攻克这些难题，则将是椎间盘假体发展上的一大突破，很有可能推进粘弹性假体进入新的研发设计阶段。目前无终板单块式的颈椎间盘假体为数不多，包括NeoDisc、Cadisc-c、3DF和UFO假体，见图3。

图 3 粘弹性颈椎间盘假体-无终板单块式设计

NeoDisc假体主体为硅胶弹性体，表面包裹聚酯纤维套，套上设有双边轮缘可通过4个钛骨螺钉固定在相邻的两个椎体上，而长期的稳定声称由聚酯纤维套刺激软组织生长完成界面整合所实现。Cadisc-C假体由PCU单种材料制成，特别的是整个假体具有渐变的模量设计，包括内部较软的髓核低模量区域以及外部包围的较高模量区域。类似天然纤维环特性，假体外部由内到外区域模量逐渐增高，试图模拟天然椎间盘的力学性能。3DF假体是由UHMWPE连续长纤维三轴编织制成的三维编织物，虽然不含任何粘弹性成分，但特殊的仿生纤维编织结构使得其仍表现出粘弹性，开辟了独具特色的创新设计[22,24]。而这也为研究者们提供了一种新的转换思路，即在假体研发中凭借结构设计也能够很好地实现相似的粘弹性，而不单是只能依靠材料本身特性。

不同于常规设计，UFO假体尝试结合传统融合术及椎间盘置换术的设计理念，采用整块硅胶以及中央嵌入的一个钛笼。目的是让钛笼在假体植入后维持椎间隙的高度和承担主要的压缩应力载荷，而硅胶负责提供运动、缓冲颈椎屈伸和侧弯时的载荷。与天然椎间盘的中央髓核部分柔软而外部纤维环较硬的特点相反，UFO假体创新地尝试“内硬外软”设计，但是这样的设计是否能够产生颠覆性效果仍有待进一步验证。

2 粘弹性人工颈椎间盘假体的应用效果

目前市面上所有的粘弹性人工颈椎间盘假体都是在21世纪开始进入临床[25]，其中带终板结构设计的颈椎间盘假体开发时间相对早些，部分已经在临床中广泛大量使用，并有发表相关的随访研究。但是，近十余年才研发出的那些粘弹性颈椎间盘假体大部分尚在检验改进中，临床证据较为缺乏，仅有少量的实验研究。

硬终板-移动核设计的两款假体是最早开发出的粘弹性颈椎间盘假体，经历了超过20年的长期应用检验。其中，Bryan假体于2000年获得欧盟批准开始进入临床[26]，从此开启了Bryan假体在全世界的广泛应用[27]。至今多项临床随访研究已经验证了Bryan假体良好的临床和影像学结果[25,28]，因此成为目前应用时间最长、范围最广的一款粘弹性颈椎间盘假体。但遗憾的是期间也出现了假体破裂失效的个例报道，导致患者需要二次翻修手术，而这也是使用Bryan假体最大的潜在风险。另一款M6-C假体于2006年上市，直至2019年已经完成了超过5.5万例的临床应用。虽然3年内的短期随访显示患者疼痛、功能障碍等临床症状明显改善[6,29]，并且没有患者发生异位骨化或种植体失败[6]。然而，值得注意的是，在近期一项研究中发现[30]，UHMWPE纤维磨损会诱导骨溶解进而导致无菌性松动，使得34%的患者需要翻修手术，而且这样的骨溶解通常无症状而不容易被察觉。因此澳大利亚治疗管理局TGA(Therapeutic Goods Administration，TGA)2020年发布警示，建议对M6-C假体植入患者进行常规长期的临床和影像学监测[31]。由此看来，M6-C颈椎间盘假体的长期耐用性令人担忧。

硬终板-固定核式设计的Freedom、CP-ESP假体均于2012年获得欧盟CE批准开始植入人体，获得临床评价的时间尚且较短。其中，Freedom假体上市两年后的临床评价显示83%的患者对其应用效果较为满意[15]，但是这样的楔形设计是否会因为恢复了正确的颈椎序列和前凸而减缓退变过程仍有待长期的临床证实。对于CP-ESP假体，仅有1项临床研究对第一批62例植入患者进行了2年的随访[13]，也报告了令人满意的疼痛缓解和功能改善结果，但长期效果还需持续观察。Rhine假体于2016年首次临床植入，在此前一项体外生物力学研究表明其能够在屈伸时提供正常生理运动[12]，但是在侧方弯曲和轴向旋转中活动度均减小，说明该假体尚达不到天然椎间盘的运动学特性。此外，市场上还有NEO-phytos和D-flex Carbon两款粘弹性颈椎间盘假体，但尚未报道相关应用研究。

无终板的单块式设计目前仍在不断改进探索中，尚未有此类假体获得认证批准进入临床[32]。关于NeoDisc假体，美国IDE已中止其临床研究，说明该假体在设计上可能还存在较大缺陷会造成重大应用风险。Cadisc假体目前只发表了腰椎尸体标本实验研究[33-34]，结果显示该假体尚未能模拟天然椎间盘的力学性能，内部渐变模量设计仍需完善[34]。至于3DF假体，只有Kotani等[16]人的一项研究在7个人类尸体颈椎中植入假体并进行了离体实验，与完整对照组相比，3DF假体植入后手术节段的活动度在轴向旋转和侧方弯曲方面的结果相似，而屈伸增加了约45%。整体而言，在手术节段和相邻节段均显示接近生理性力学特征，表现出其良好的应用潜力，遗憾的是后续并无进一步临床研究。而关于UFO假体迄今为止还没有发布过相关的性能数据及应用研究报道。

纵观颈椎间盘假体的临床应用研究，发现早期医师和患者们多关注假体植入后颈椎病变节段活动度的恢复程度以及神经压迫症状是否得到良好改善。而待功能设计较为成熟，假体有效性后获得肯定后，其带来的远期并发症以及对周围其他组织结构的影响变化逐渐被重视[35-36]。从上述应用结果来看，现有的粘弹性人工颈椎间盘假体在结构设计上都还存在较大的提升进步空间，未来发展中需要针对不同类型假体存在的弱点，有的放矢地加以改进。同时还需要完善各款假体的长期临床疗效评估，以检验假体的有效性和安全性。

3 讨论与展望

20世纪90年代以来，伴随着prestige系列第1代人工颈椎间盘假体的出现，ACDA手术正式进入临床[37]。第1代假体经典的关节式设计仅能够为植入的病变节段提供有限的活动度，相比之下，第2代假体的粘弹性设计表现出明显的结构和功能改善，包括具有瞬时可变的旋转中心、允许六个自由度的所有运动以及增加减震吸能的缓冲能力，更趋向于接近天然椎间盘复杂的运动学特征和力学行为。到目前为止，总共发布了十多款粘弹性人工颈椎间盘假体，不同类型的假体设计各有特点，而这与制造工艺及材料的发展紧密相关。初期研发的硬终板-移动核设计的假体应用得最多，但是尚存在外壳破裂的风险。得益于粘合工艺的进步，硬终板-固定核逐渐成为主流设计，重要原因之一是减少了结构部件同时简化了生产制备过程。与此同时，粘弹性材料的大幅发展更是让研究者们进一步大胆尝试无终板的单块式设计，以期进一步向天然椎间盘的解剖结构和生理性运动靠近。而这似乎具有更大的潜力实现假体理想的应用效果，将是未来粘弹性椎间盘假体继续重点深入探索和研究的方向。

此外，与人工颈椎间盘假体相关尚存几个重要问题有待解决，今后研究可进一步展开：①虽然已经证实椎间盘假体的粘弹性设计可以有效减少相邻节段的椎体和椎间盘、后部关节突关节以及周围韧带的应力代偿，从而降低这些结构术后疼痛和加速退变的风险。然而，目前为止，这些粘弹性假体对小关节突和韧带运动学的影响尚未有足够详细的研究，因此在这一领域还需要进一步深入。②单纯粘弹性材料如何与上下椎体骨实现即刻固定与长期稳定，目前尚未有成熟的解决方法，因此也成为了该类型假体发展中面临的重大挑战之一。是否借助生物粘合剂或者结合生物组织工程的发展来提供策略，仍需跨学科合作尝试。③关于各款椎间盘假体的长期应用结局现有数据仍然有限，粘弹性假体的精确运动特性及其与天然椎间盘的相似程度也仍然未能准确衡量。因而还需对此进一步深入了解，并通过前瞻性的长期临床研究来提供最终的答案。

第2代粘弹性人工颈椎间盘假体追求更接近天然椎间盘的结构功能以及更良好的临床应用表现，如今已成为椎间盘假体领域的主要发展趋势。而继续改进“硬终板”假体的部件性能，大胆探索“无终板”假体的创新设计，将是未来粘弹性假体的重点研究方向。特别是采用粘弹性材料的单块式设计，更具有高度仿生的潜力值得深入研发。