非融合技術(shù)人工椎間盤在山羊體內(nèi)模型建立的效果研究

孫晉保，王永清*，熊慶廣，張慶杰，趙志輝，畢紅賓，李毅

(1.天津醫(yī)科大學(xué)第四中心臨床學(xué)院骨科，天津 300140；2.天津中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，天津 300193)

實(shí)驗(yàn)研究

非融合技術(shù)人工椎間盤在山羊體內(nèi)模型建立的效果研究

孫晉保1，王永清1*，熊慶廣1，張慶杰2，趙志輝1，畢紅賓2，李毅1

(1.天津醫(yī)科大學(xué)第四中心臨床學(xué)院骨科，天津 300140；2.天津中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，天津 300193)

目的 通過建立非融合技術(shù)人工椎間盤(artificial disk of non-fusion technology，ADNFT)的山羊體內(nèi)模型，研究其噴鈦涂層骨長入、固定效果及非融合技術(shù)，為臨床應(yīng)用提供可行性證據(jù)。方法 選擇10只成年健康山羊作為實(shí)驗(yàn)對象，體重35～55 kg，羊齡10～24個月，隨機(jī)分成A、B兩組，每組各5只，經(jīng)腰椎前外側(cè)入路，行非融合技術(shù)人工椎間盤置換術(shù)，A、B組分別在術(shù)后3、6個月行腰椎正側(cè)位的影像學(xué)檢查，并分別在術(shù)后3、6個月取出包括假體在內(nèi)的周圍骨組織和軟組織，常規(guī)制作標(biāo)本后分別行病理、掃描電鏡檢查。通過腰椎影像學(xué)、病理及掃描電鏡評價假體的固定效果、噴鈦涂層骨長入及人工椎間盤的活動度。結(jié)果 10只山羊均建模成功，術(shù)后取出假體及周圍組織的病理結(jié)果及電鏡下可見假體噴鈦涂層骨組織長入良好，人工椎間盤的鈷鉻鉬合金、硅膠及噴鈦涂層與周圍組織相容性良好，腰椎X線片示假體位置良好，無松動，人工椎間盤有一定的活動度。結(jié)論 非融合技術(shù)人工椎間盤的噴鈦涂層骨長入良好，與椎體的固定效果可靠，材料的組織相容性好，具有非融合技術(shù)的效果。

內(nèi)固定器；人工椎間盤；非融合術(shù)；羊模型；術(shù)后評價

腰腿痛常見病因是腰椎間盤病變，傳統(tǒng)外科治療手段是椎間盤摘除術(shù)和脊柱融合術(shù)。脊柱融合后可導(dǎo)致融合節(jié)段運(yùn)動功能的喪失、生物力學(xué)的改變，并引起或加快鄰近節(jié)段退變[1-2]，同時易發(fā)生植骨不融合、假關(guān)節(jié)形成、取骨部位疼痛、感染等并發(fā)癥[3-4]。與之相比，非融合技術(shù)可維持或恢復(fù)節(jié)段間運(yùn)動，減少鄰近節(jié)段退變，達(dá)到保護(hù)脊柱運(yùn)動功能的效果[5-7]。但椎間盤假體在臨床應(yīng)用過程中存在假體下沉、移位或脫出、位置不良、椎間盤假體無運(yùn)動等問題[8-12]。為此，我們結(jié)合骨組織工程學(xué)、脊柱生物力學(xué)、材料學(xué)等原理設(shè)計(jì)了ADNFT，通過建立山羊ADNFT體內(nèi)模型，觀察研究其效果。

1 資料與方法

1.1 非融合技術(shù)人工椎間盤(artificial disc of non-fusion technology，ADNFT) ADNFT：由上下托板A(分為無側(cè)板型和有側(cè)板型)、一個硅膠人工間盤B組成。托板和硅膠軸心由鎖定螺釘D固定，側(cè)板型的螺釘孔供松質(zhì)骨螺釘固定假體至椎體。人工椎間盤采用硅膠材料制作；托板采用鈷鉻鉬材料制作，與骨組織接觸的區(qū)域有噴鈦涂層。人工椎間盤單元萬向彎曲活動范圍±5°(見圖1)。

1.2 動物選擇和分組實(shí)驗(yàn) 選擇10只健康、四肢脊柱無畸形、活動良好的成年山羊，體重35～55 kg，年齡10～24個月，均為雄性，隨機(jī)分成A、B兩組，每組各5只，均切除L3～4或L4～5椎間盤，植入無側(cè)板型ADNFT。

1.2.1 山羊體內(nèi)ADNFT模型建立 靜脈麻醉成功后，山羊右側(cè)臥于手術(shù)臺上，其頸部及四肢固定于手術(shù)臺上，脫毛機(jī)脫去術(shù)野羊毛，常規(guī)碘伏消毒術(shù)區(qū)，鋪無菌巾單。取后外側(cè)長約10 cm斜行切口，起自髂骨上緣，斜向后外上的肋部，依次切開皮膚、淺深筋膜，切開腹外斜肌、腹內(nèi)斜肌、腹橫肌及腹橫筋膜，暴露后腹膜，見其完整，其內(nèi)腸管蠕動正常；壓腸板、大S拉鉤將后腹膜及其內(nèi)容物拉向前內(nèi)側(cè)，顯露腰大肌，仔細(xì)分離腰大肌與腰椎側(cè)面，顯露腰椎椎體及椎間盤，在椎體側(cè)面顯露分離腰橫動脈，予以鉗夾、切斷、結(jié)扎。定位確定L3～4或L4～5椎間盤，尖刀切開椎間盤，髓核鉗咬除腰椎椎間盤，刮匙徹底刮除髓核組織至上下終板，保留前、后縱韌帶，撐開椎間隙，測量椎間隙高度和寬度，選擇大小合適的ADNFT植入，將假體置于椎間隙中心位置。無菌生理鹽水沖洗傷口，徹底止血后，于切口下方放置橡膠引流管1根，固定后接無菌袋。清點(diǎn)器械敷料無誤后，依次縫合腹橫筋膜、腹橫肌、腹內(nèi)斜肌、腹外斜肌、深筋膜、皮下組織及皮膚，無菌紗布及棉墊包扎傷口，帆布帶固定傷口及四肢。

a 無側(cè)板型 b 有側(cè)板型

圖1 改進(jìn)的ADNFT

1.2.2 圍手術(shù)期管理 術(shù)前山羊禁食36～48 h，禁水12 h，預(yù)防術(shù)中胃腸脹氣；術(shù)前30 min靜滴頭孢替唑鈉2.0 g，預(yù)防感染；術(shù)中觀察山羊的呼吸、脈搏及體溫，保持呼吸道、輸液通道暢通，術(shù)中根據(jù)出血量適當(dāng)補(bǔ)液。術(shù)后觀察山羊的生命體征、飲食、大小便、腹部及四肢活動情況，傷口定期換藥，術(shù)后連續(xù)3 d給予頭孢替唑鈉2.0 g肌肉注射預(yù)防感染。

1.3 骨長入、固定效果和非融合技術(shù)評價 分別在術(shù)后3、6個月行腰椎X線影像學(xué)檢查。A、B兩組分別在術(shù)后3個月和6個月處死，取出假體和周圍組織，觀察假體周圍的組織反應(yīng)情況，并行病理、掃描電鏡檢查，通過腰椎影像學(xué)、病理及掃描電鏡結(jié)果評價假體的固定效果、噴鈦涂層骨長入情況，通過腰椎正側(cè)位、左右側(cè)屈正位、過伸過屈側(cè)位的影像學(xué)結(jié)果，應(yīng)用AutoCAD制圖軟件測量人工椎間盤的活動度。

2 結(jié) 果

2.1 一般情況 10只山羊均建模成功，術(shù)后第1天可正常行走，術(shù)后四肢肌力正常，感覺運(yùn)動功能正常，大小便正常，截癱指數(shù)為0，切口無感染，I/甲愈合。

2.2 影像學(xué)結(jié)果 術(shù)后3個月、6個月腰椎X線片示：ADNFT固定良好，上下托板位置良好，無移位及松動表現(xiàn)，假體周圍無骨壞死及骨吸收(見圖2～3)。

圖2 術(shù)后3個月腰椎正側(cè)位X線片示假體固定及位置良好，無移位及松動表現(xiàn)

圖3 術(shù)后6個月腰椎正側(cè)位X線片示假體固定及位置良好，無移位及松動表現(xiàn)，假體周圍無骨壞死及骨吸收

2.3 人工椎間盤活動度的測量 通過腰椎正側(cè)位、左右側(cè)屈正位、過伸過屈側(cè)位的X線片，應(yīng)用AutoCAD制圖軟件分別測量假體上下終板切線的夾角，測量的活動度見表1。

2.4 骨長入結(jié)果 術(shù)后3個月和6個月取出羊脊柱標(biāo)本見假體固定良好，無松動及移位。病理及掃描電鏡結(jié)果示術(shù)后3個月假體的噴鈦涂層界面有少量骨細(xì)胞和骨基質(zhì)長入，術(shù)后6個月有明顯的骨細(xì)胞和骨基質(zhì)長入(見圖4～7)，術(shù)后6個月骨長入較術(shù)后3個月明顯。肉眼見術(shù)后3個月和6個月的假體周圍組織正常，無炎性反應(yīng)表現(xiàn)。病理及掃描電鏡結(jié)果示周圍組織結(jié)構(gòu)正常，無炎性細(xì)胞浸潤。

表1 測量的左右側(cè)屈正位、過伸過屈側(cè)位的活動度

圖4 術(shù)后3個月噴鈦涂層界面組織HE染色病理結(jié)果：噴鈦涂層界面有少量骨細(xì)胞和骨基質(zhì)長入(×200)

圖5 術(shù)后6個月噴鈦涂層界面組織HE染色病理結(jié)果：噴鈦涂層界面骨細(xì)胞基質(zhì)和骨長入明顯(×200)

圖6 術(shù)后3個月噴鈦涂層界面組織掃描電鏡結(jié)果：界面骨細(xì)胞和骨基質(zhì)長入，骨細(xì)胞表面多突起的連接(×10 000)

圖7 術(shù)后6個月噴鈦涂層界面組織掃描電鏡結(jié)果： 界面骨細(xì)胞和骨基質(zhì)長入明顯(×1 000)

3 討 論

3.1 關(guān)于ADNFT 脊柱的功能單位是由相鄰的脊椎骨及其間的軟組織構(gòu)成，是能顯示與整個脊柱相似的生物力學(xué)特性的最小功能單位，即支撐、緩沖、萬向彎曲和旋轉(zhuǎn)功能。理想的人工椎間盤可恢復(fù)退變椎間盤的運(yùn)動學(xué)、負(fù)載能力，達(dá)到節(jié)段性穩(wěn)定、分擔(dān)載荷和節(jié)段性運(yùn)動的目的。目前人工椎間盤在臨床應(yīng)用中仍存在較多問題，需要進(jìn)一步深入研究。

ADNFT的托板采用鈷鉻鉬合金制造，其耐腐蝕性、耐磨損性、抗疲勞強(qiáng)度、生物相容性和機(jī)械性能均良好。噴鈦涂層可以促進(jìn)良好的骨長入，獲得假體的長期穩(wěn)定性。人工椎間盤采用硬度為60HA的醫(yī)用硅膠，可以使假體具有對應(yīng)力的彈性傳導(dǎo)、緩沖和吸收振蕩功能，模擬生理椎間盤的萬向彎曲、旋轉(zhuǎn)和減震功能，有益于保護(hù)與假體接觸的骨面。硅膠具有耐老化、耐熱、耐寒、無毒、生物惰性、對人體組織反應(yīng)小及較好的物理機(jī)械性能等特點(diǎn)，符合醫(yī)用高分子材料的要求[13-14]。鈷鉻鉬合金、純鈦和硅膠的生物相容性良好。人工硅膠間盤與上下托板采用球面接觸，鑲嵌在托板內(nèi)，通過硅膠的變形來實(shí)現(xiàn)椎間盤的各項(xiàng)生理功能，避免了使用滑動核容易脫出的問題。

ADNFT主要的適應(yīng)證為椎間盤源性腰痛和椎間盤摘除術(shù)后失敗綜合征，具體包括：單節(jié)段或多節(jié)段椎間盤退變性疾病及其所致的椎間盤源性腰痛，嚴(yán)重的腰椎間盤突出癥，脊柱融合術(shù)后所致的鄰近節(jié)段退變性不穩(wěn)，椎間盤髓核摘除術(shù)后復(fù)發(fā)及其所致的節(jié)段性腰椎不穩(wěn)。禁忌證包括：手術(shù)節(jié)段存在脊柱畸形，60 歲以上并有中度以上骨質(zhì)疏松癥或代謝性骨病，感染性病變，腫瘤，Ⅱ度以上的腰椎滑脫癥，骨性腰椎椎管狹窄癥，患者對金屬過敏，手術(shù)節(jié)段已行腰椎融合術(shù)，肥胖(體重指數(shù)大于40或體重大于100 kg)，患者不適合行腰椎前路手術(shù)。

3.2 山羊模型建立的可行性 在動物世界里，尚未有與人脊椎生物力學(xué)特征相似的動物，即使是類人猿其直立時間也不足10%。Wilke等[15]通過生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，羊不同負(fù)載方向引出的運(yùn)動范圍與文獻(xiàn)報(bào)道的人類標(biāo)本在頭尾向的運(yùn)動有同質(zhì)性，他們認(rèn)為羊脊柱能夠模擬人類脊柱進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究。Smit等[16]認(rèn)為羊的脊柱在生物力學(xué)特征上與人類脊柱具有相似性，可作為人類腰椎研究的模型。我們在山羊體內(nèi)成功建立了ADNFT模型，創(chuàng)造了人工椎間盤的穩(wěn)定力學(xué)環(huán)境，恢復(fù)了節(jié)段間運(yùn)動，假體無機(jī)械性失敗或松動。

3.3 研究結(jié)果的評估 該實(shí)驗(yàn)顯示術(shù)后假體即刻穩(wěn)定性良好，實(shí)驗(yàn)動物可早期自由活動；假體生物力學(xué)環(huán)境合理，節(jié)段間運(yùn)動恢復(fù)良好；骨長入生物固定后，假體可達(dá)到長期穩(wěn)定。爬行動物脊柱較人直立脊柱承受更大的剪力負(fù)荷，而人主要為壓力負(fù)荷，剪力負(fù)荷不利于骨長入至假體內(nèi)；因此假體在爬行動物脊柱的骨長入和骨融合要比在人脊柱內(nèi)困難。ADNFT噴鈦涂層界面的骨長入良好，材料的生物相容性良好，在山羊體內(nèi)固定效果可靠，人工椎間盤在屈伸和左右側(cè)屈的活動度在±5°之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，具有非融合技術(shù)的效果，為下一步臨床應(yīng)用提供了可行性依據(jù)。

但是，我們的實(shí)驗(yàn)只是短期效果的研究，遠(yuǎn)期是否存在假體周圍異位骨化、自發(fā)融合，導(dǎo)致假體運(yùn)動功能喪失；假體彈性模量高于周圍骨質(zhì)是否會引起應(yīng)力遮擋、骨質(zhì)疏松，導(dǎo)致假體移位、松動；假體抗疲勞強(qiáng)度是否能夠允許假體在體內(nèi)長期存在。這些問題還需要更為長期的研究來做解答。

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The Evaluation of Artificial Disk of Non-Fusion Technology in Goat Models

Sun Jinbao，Wang Yongqing，Xiong Qingguang，etal

(The 4th Central Clinical College，Tianjin Medical University，Tianjin 300140)

Objective To evaluate artificial disk of non-fusion technology(ADNFT)fixation and non-fusion effect in goat models.Methods Ten healthy adult goat aged 10 to 24 months old and weight 25 to 35 kg were used in this experiment.Ten goat were divided into A and B equally，which operated total disc replacement using ADNFT through the anterolateral approach.Then these goat were examined the lumbar spine X-ray，pathology and scanning electron microscope of surrounding osseous and soft tissues after 3，6 months，which evaluated bone ingrowth，biocompatibility and mobility of ADNFT.Results The operation was successful in goat models.The results of pathology and scanning electron microscope showed well bone ingrowth and biocompatibility.The lumbar spine X-ray showed non-fusion.Conclusion ADNFT provide reliable fixation and non-fusion effect in goat models.

internal fixators；artificial disc；non-fusion；goat model；postoperative evaluation

天津市衛(wèi)生局科技基金(11kg145)；*本文通訊作者：王永清

1008-5572(2015)02-0130-04

R322.7+1

A

2014-09-09

孫晉保(1986- )，男，研究生在讀，天津醫(yī)科大學(xué)第四中心臨床學(xué)院骨科，300140。