一種新型人工頸椎間盤的生物力學(xué)研究

張勇，朱悅，郝玉琳，李述軍，趙衛(wèi)東

（1.沈陽醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院骨二科，沈陽110024；2.中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，沈陽110001；3.中國科學(xué)院金屬研究所鈦合金研究部，沈陽110016；4.南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實驗室，廣州510515）

·技術(shù)方法·

一種新型人工頸椎間盤的生物力學(xué)研究

張勇1，朱悅2，郝玉琳3，李述軍3，趙衛(wèi)東4

（1.沈陽醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院骨二科，沈陽110024；2.中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，沈陽110001；3.中國科學(xué)院金屬研究所鈦合金研究部，沈陽110016；4.南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實驗室，廣州510515）

目的研制一種新型人工頸椎間盤并評價其生物力學(xué)特點。方法設(shè)計一種新型4部件球窩關(guān)節(jié)人工頸椎間盤，使用新型低彈性模量鈦合金（40 Gpa）及醫(yī)用聚醚醚酮制造，應(yīng)用生物材料試驗機(jī)分別進(jìn)行軸向壓縮剛度及疲勞檢測，并對植入人工頸椎間盤后的羊頸椎標(biāo)本進(jìn)行運動學(xué)檢測。結(jié)果新型人工頸椎間盤具備前屈、后伸、側(cè)彎功能，經(jīng)過生物力學(xué)檢測，人工頸椎間盤符合人體力學(xué)要求，疲勞試驗進(jìn)行1×107次，未發(fā)生明顯的損壞及變形。運動學(xué)研究表明植入羊頸椎標(biāo)本后可以維持羊頸椎標(biāo)本的運動學(xué)要求。結(jié)論新型人工頸椎間盤符合人體力學(xué)要求。

假體；椎間盤；生物力學(xué)

頸椎前路減壓植骨融合術(shù)（anterior cervical discectomy and fusion，ACDF）已廣泛應(yīng)用于頸椎病、頸椎間盤突出癥患者的手術(shù)治療。近年來，由于頸椎融合，特別是多節(jié)段頸椎融合，引起頸椎活動度減退，相鄰節(jié)段生物應(yīng)力發(fā)生改變，從而加速相鄰節(jié)段椎間盤退變的現(xiàn)象引起了廣泛的關(guān)注。為解決異常應(yīng)力作用于融合鄰近節(jié)段的問題，頸椎人工椎間盤置換技術(shù)（artificial disc replacement，ADR或total disc arthroplasty，TDA）應(yīng)運而生，該技術(shù)作為當(dāng)今脊柱外科領(lǐng)域最具代表性的頸椎前路非融合技術(shù)。本研究采用新型鈦合金及聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）制成新型人工頸椎間盤并進(jìn)行生物力學(xué)及運動學(xué)檢測，判定其是否符合人體力學(xué)及運動學(xué)需求。

1 材料與方法

1.1 材料來源

新型低彈性模量高強(qiáng)度鈦合金（Ti-Nb-Zr-Sn）由中國科學(xué)院金屬研究所提供。醫(yī)用PEEK購自英國Invibio公司。人工頸椎間盤由山東威高骨科股份有限公司協(xié)助生產(chǎn)加工。

1.2 新型人工頸椎間盤的設(shè)計特點

整體設(shè)計為外形“蘋果型”設(shè)計，分4部件，上下蓋板采用低彈性模量高強(qiáng)度的特殊鈦合金制成，接觸件為上下球窩關(guān)節(jié)設(shè)計，材質(zhì)為PEEK。蓋板與接觸件整合采用嵌入技術(shù)（圖1）。

圖1 新型人工頸椎間盤Fig.1 Representitive picture of the new artificial cervical disc

假體活動度設(shè)計為6°，即前屈、后伸、側(cè)彎均為6°，基本滿足人體頸椎間盤活動需要。設(shè)計尺寸參照人體頸椎間盤尺寸，設(shè)計3種規(guī)格，高度分別為6、7、8 mm，本研究用間盤規(guī)格為14 mm×18 mm×6 mm。

1.3 動物標(biāo)本制備

收集9具1年齡左右宰殺的羊頸椎（C2～C4）標(biāo)本，采用2層保鮮膜包裹后-20℃凍存。實驗前在室溫下解凍16～18 h，解凍時使用生理鹽水保持標(biāo)本濕潤。剔除椎體周圍的肌肉、脂肪和結(jié)締組織等軟組織，保證其韌帶完整性，不損傷其骨結(jié)構(gòu)，并通過攝片排除其骨性結(jié)構(gòu)異常。標(biāo)本的兩端以聚甲基丙烯酸甲酯包埋制成加載平臺，平行度＜1°。在測試節(jié)段固定標(biāo)尺，用于記錄脊柱椎間盤的活動范圍。測試過程中所有標(biāo)本噴灑生理鹽水以保持濕潤。

1.4 生物力學(xué)及運動學(xué)檢測

1.4.1 軸向壓縮剛度測試：隨機(jī)選取6個人工頸椎間盤假體進(jìn)行測試。將試件安放于特制的壓縮用夾具中，安置在INSTRON-8871材料試驗機(jī)（中國科學(xué)院金屬研究所提供）上，軸向緩慢加載，加載范圍0～9 000 N，加載速率為4 mm/min，記錄數(shù)據(jù)前進(jìn)行3次加載/卸載，第4次加載開始記錄數(shù)據(jù)，位移傳感器自動記錄每次位移與載荷變化，分析結(jié)果并繪制載荷—位移曲線。

1.4.2 軸向壓縮疲勞測試：隨機(jī)選取6個人工頸椎間盤進(jìn)行軸向壓縮疲勞測試。將試件安放于特制的壓縮用夾具中，安置在INSTRON-8871材料試驗機(jī)上，疲勞載荷采用靜態(tài)抗壓載荷的24%、34%、44%、40%、44%、64%進(jìn)行加載，載荷比為10，加載頻率10 Hz，反復(fù)進(jìn)行1×107次。每種載荷條件更換新假體，假體出現(xiàn)變形或損壞時終止測試，循環(huán)次數(shù)未達(dá)到1×107次為未通過該條件下疲勞測試，觀察記錄結(jié)果。

1.4.3 羊頸椎標(biāo)本運動學(xué)測試及實驗分組：將制備好的新鮮羊頸椎標(biāo)本固定于脊柱三維試驗機(jī)（南方醫(yī)科大學(xué)提供）上，其實驗原理是通過標(biāo)記物對脊柱的活動進(jìn)行三維掃描，并將圖像傳入電腦進(jìn)行三維運動分析。依據(jù)Wilke等［1］提出的標(biāo)準(zhǔn)，采集數(shù)據(jù)前對標(biāo)本進(jìn)行2次預(yù)加載/卸載，以消除標(biāo)本的黏彈性影響，第3次加載時記錄數(shù)據(jù)。實驗分組：（1）正常組：通過試驗機(jī)的加載裝置加載24 N（羊頭的平均重量），測定9具羊頸椎標(biāo)本C2/3、C3/4、C4/4正常活動范圍與中性區(qū)（ROM1、NZ1），記錄數(shù)據(jù)；（2）間盤組：將9具羊頸椎C3/4椎間盤切除后植入研究用人工頸椎間盤，測定C2/3、C3/4、C4/4活動范圍與中性區(qū)（ROM2、NZ2），記錄數(shù)據(jù)；（3）融合組：將9具切除C3/4椎間盤的頸椎標(biāo)本采用螺釘交叉固定，模擬融合C3/4節(jié)段，測定鄰近節(jié)段（C2/3、C4/4）活動范圍與中性區(qū)（ROM3、NZ3），記錄數(shù)據(jù)。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

利用SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。并經(jīng)過配對t檢驗驗證ROM1、NZ1與ROM2、NZ2；ROM2、NZ2與ROM3、NZ3差異。P＜0.04為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 壓縮剛度測試結(jié)果

在試驗加載范圍內(nèi)，壓縮曲線呈線性變化，全部假體未發(fā)生明顯的變形及損壞（圖2）。

圖2 壓縮載荷-位移曲線Fig.2 Curve of load-displacement

2.2 疲勞測試結(jié)果（表1）

假體在6種不同循環(huán)載荷加載模式下進(jìn)行疲勞測試，所有假體經(jīng)過軸向壓縮疲勞測試1×107次，未發(fā)生明顯損壞及變形。

2.3 羊頸椎標(biāo)本運動范圍測試結(jié)果（表2）

分別獲得9例羊頸椎各組運動范圍及中性區(qū)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果表明正常組與間盤組C3/4節(jié)段ROM、NZ相比，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.04）。

比較間盤組與融合組C2/3、C4/4節(jié)段ROM和NZ，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.04）（表3、4）。

表1 軸向壓縮疲勞實驗Tab.1 Axial compression fatigue test

表2 正常組與間盤組C3/4節(jié)段的比較Tab.2 Comparison of segment C3/4between normal group and prosthesis group

表3 間盤組與融合組C2/3節(jié)段比較Tab.3 Comparison of segment C2/3between normal group and fuse group

表4 間盤組與融合組的C4/5節(jié)段比較Tab.4 Comparison of segment C4/5between normal group and fuse group

3 討論

目前廣泛應(yīng)用的人工頸椎間盤主要包括Bryan、Prestige、ProDisc、PCM、Cervicore以及Mobi-C等類型。與前路椎體間融合術(shù)比較，在保留置換節(jié)段運動范圍與降低相鄰節(jié)段退變方面均具有明顯優(yōu)勢［2，3］。但人工頸椎間盤也出現(xiàn)了假體沉陷、異位骨化、運動范圍改變以及生理曲度消失等臨床并發(fā)癥［4］，主要是假體材料學(xué)及設(shè)計學(xué)缺陷所致。本研究研發(fā)的新型人工頸椎間盤的設(shè)計充分考慮到現(xiàn)有人工頸椎間盤的缺點，采用新型低彈性模量（40 Gpa）相對高剛度的鈦合金制成上下蓋板，與現(xiàn)有產(chǎn)品材料相比（鈦合金110 Gpa，鈷鉻鉬223 Gpa），模量更加接近椎骨，避免了應(yīng)力集中及遮擋。新型設(shè)計在上下蓋板偏向后方各設(shè)計了1個突出于假體表面1.4 mm的圓形突起，可以更好地適應(yīng)終板形狀，增大受力面積，減小了陷入的危險。在圓形突起的兩側(cè)分別設(shè)計了3枚高約1.4 mm的椎狀突起，可使人工假體牢固的固定于上下位椎體間，減少假體滑出的危險，獲得穩(wěn)定的暫時固定。而上下蓋板表面進(jìn)行的鈦砂涂層在椎體骨質(zhì)的長入后則提供了長期固定。Fong等［4］對Bryan假體的研究發(fā)現(xiàn)，由于Bryan假體前后高度一致的設(shè)計使植入后的頸椎喪失了正常的生理曲度，從而導(dǎo)致正常應(yīng)力傳導(dǎo)發(fā)生改變，進(jìn)一步使頸椎的活動度改變。針對這一設(shè)計缺陷，本研究研發(fā)的新型人工頸椎間盤采用前高后低的楔形設(shè)計，傾斜角度約為7°，在保證穩(wěn)定性的前提下保留了頸椎的生理前凸，降低了術(shù)后生理曲度發(fā)生改變的幾率。椎骨松質(zhì)骨的壓縮強(qiáng)度為1.44～4.6 MPa，因此，在椎骨未發(fā)生破壞前，可以施加到本研究用假體之上最大的強(qiáng)度為4.6 MPa。本研究設(shè)計的假體表面積約為270 mm2，據(jù)此計算，軸向最大載荷應(yīng)不超過1 242 N，否則就會引起椎骨的破壞。軸向壓縮載荷-位移曲線顯示，在消除起始階段的預(yù)加力和誤差等因素的影響后，本研究采用的新型人工頸椎間盤在材質(zhì)上具有明顯的性能優(yōu)越性。軸向壓縮試驗結(jié)果表明，在壓縮載荷范圍內(nèi)（0～9 000 N），材料呈彈性變形測試最大載荷超過引起椎骨破壞承受力7倍以上，假體未出現(xiàn)明顯變形及損壞。說明本材料組合具有足夠的強(qiáng)度滿足人體力學(xué)活動需要。而所有假體均通過了按照美國ASTM F2346標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的力學(xué)測試，說明該假體材料及設(shè)計安全可靠。PEEK是一種新型特種熱塑性工程塑料，具有彈性模量與皮質(zhì)骨相近、摩擦性能優(yōu)異、可透X線、蠕變量低、惰性高等特點，且生物相容性出色。醫(yī)用植入級PEEK最早由英國Invibio公司于1999年開發(fā)，并于20世紀(jì)80年代末首先應(yīng)用于骨科創(chuàng)傷內(nèi)固定器械及股骨柄假體的研究，20世紀(jì)90年代中后期各廠商開始將其應(yīng)用于脊柱椎間融合器。目前已經(jīng)有2種人工椎間盤的PEEK產(chǎn)品研發(fā)，其中NUBAC人工間盤［6］（Pioneer Surgical Technology公司，美國）的設(shè)計中帶有PEEK-on-PEEK的球-臼關(guān)節(jié)，該設(shè)備經(jīng)過全面評估，包括單向測試、耦合運動，結(jié)果顯示該假體具備優(yōu)異的耐磨損性能。Grupp等［7］通過體外摩擦實驗比較3種用于頸人工椎間盤摩擦界面材料的摩擦數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：PEEK對PEEK界面的磨損量明顯低于聚乙烯對鈷鉻界面，而碳纖維增強(qiáng)型PEEK的磨損率更低。有研究表明，由于磨損形成的微小顆粒是引起異位骨化的重要原因之一。鈦合金具有較高的強(qiáng)度，但磨損性能較差；PEEK磨損性能優(yōu)越，強(qiáng)度卻不及鈦合金，因此本研究采用的新型材料組合減少了由于材料因素而引起的并發(fā)癥。與金屬材料相比，PEEK具備更佳的黏彈性行為，更加接近正常髓核組織。與金屬結(jié)構(gòu)相比，可以更加均勻的分散應(yīng)力，降低載荷，這與正常椎間盤可以減少震蕩的功能類似，說明該材料組合模式具備一定優(yōu)勢。

國內(nèi)外的學(xué)者通過X線測量發(fā)現(xiàn)羊頸椎的椎間隙高度與人體頸椎椎間隙高度相近，C3/4節(jié)段的運動范圍與人體接近。因此，采用羊頸椎作為動物模型進(jìn)行力學(xué)及運動學(xué)研究可以獲得滿意結(jié)論。本研究采用羊頸椎標(biāo)本進(jìn)行測定，正常組C3/4節(jié)段活動度范圍ROM分別為前屈7.76°±0.96°，后伸4.47°± 0.31°，側(cè)彎10.13°±0.44°，旋轉(zhuǎn)6.41°±0.89°，與國外文獻(xiàn)報道接近［8］?？紤]到動物品種差異及人為因素影響（如肌肉韌帶保留程度等），本研究采用的羊頸椎標(biāo)本測定結(jié)果基本可靠。該運動范圍測定結(jié)果可以與人體頸椎運動范圍進(jìn)行比較研究。本研究設(shè)計的假體未限制旋轉(zhuǎn)，然而結(jié)果顯示間盤組旋轉(zhuǎn)角度與正常組無統(tǒng)計學(xué)差異，提示間盤周圍軟組織及骨性結(jié)構(gòu)對限制旋轉(zhuǎn)起到一定作用。除此之外，正常組與間盤組的C3/4節(jié)段其他各向運動范圍比較無統(tǒng)計學(xué)差異，證實了本研究設(shè)計的人工頸椎間盤的活動度基本滿足羊頸椎運動范圍需要，植入前后相鄰C2/3、C4/4節(jié)段的運動范圍并沒有發(fā)生明顯改變，說明人工頸椎間盤同時保留了相鄰節(jié)段運動范圍，與國外文獻(xiàn)報道結(jié)果一致［9］。而正常組的運動范圍與C3/4節(jié)段融合組相比較，C2/3、C4/4節(jié)段的運動范圍也沒有發(fā)生明顯改變，這與文獻(xiàn)大量報道的融合后鄰近節(jié)段運動范圍減少不符合，然而文獻(xiàn)報道的融合后相鄰節(jié)段運動范圍減少大多為長期隨訪結(jié)果，近期融合后鄰近節(jié)段運動范圍變化情況鮮有報道。本研究的測定結(jié)果為體外瞬時研究，故該結(jié)果的測定只能從側(cè)面證實本研究所用人工頸椎間盤的運動范圍設(shè)計安全可靠，短期內(nèi)不會引起相鄰節(jié)段因運動范圍發(fā)生改變而引起潛在的退行性改變。

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（編輯 王又冬）

BiomechanicalEvaluation ofa NovelDesigned ArtificialCervicalIntervertebralDisc

ZHANGYong1，ZHUYue2，HAOYu-lin3，LIShu-jun3，ZHAOWei-dong4
（1.2nd Division，Department of Orthopedics，Shenyang Medical College，Shenyang 110024，China；2.Department of Orthopedics，The First Hospital，China Medical University，Shenyang 110001，China；3.Titanium Research Department，Institute of Metal Research Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China；4.Biomechanics Laboratory ofSouthern MedicalUniversity，Guangzhou 410414，China）

ObjectiveTo develop a new type of artificial cervical intervertebral disc and investigate the biomechanical characteristics.MethodsA new type of four-part ball and socket joint artificial cervical disc was developed using a new low elastic modulus titanium（40 Gpa）and PEEK. Axialcompression testing and fatigue testing was performed.In addition，kinematics analysis was carried outin sheep cervicalspecimens afterreceiving artificial cervical disc implantation.ResultsThe results showed that the new artificial cervical disc meets the ergonomic requirements with flexion，extension，and lateral bending functions.After 1×107times of fatigue tests，no obvious damage or deformation was observed.Kinematics study also suggested that the cervical spine kinematics can be maintained in these sheep received cervical specimens implantation.ConclusionThe new artificialcervicaldisc can satisfied the requirements in clinicalapplications.

disc prosthesis；intervertebral disc；biomechanics

R681.4

B

0248-4646（2014）04-0341-04

遼寧省醫(yī)學(xué)高峰建設(shè)工程項目（2010012）；遼寧省科學(xué)技術(shù)計劃（2011224041）

張勇（1978-），男，主治醫(yī)師，博士.

朱悅，E-mail：zhuyuedr@163.com

2014-02-24

網(wǎng)絡(luò)出版時間：