腰椎椎間融合材料研究進(jìn)展

王華強(qiáng)　滕勇

830000　烏魯木齊，　　新疆醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院(王華強(qiáng))； 830000， 　　蘭州軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院骨科中心(滕勇)

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腰椎椎間融合材料研究進(jìn)展

王華強(qiáng)滕勇

830000烏魯木齊，新疆醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院(王華強(qiáng))； 830000， 蘭州軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院骨科中心(滕勇)

摘要目前臨床上應(yīng)用較多的椎間融合器為鈦網(wǎng)融合器(TMC)、聚醚醚酮(PEEK)融合器等，融合器中可采用的移植物有自體骨、異體骨、合成骨、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，各種新型高分子材料及復(fù)合材料也不斷應(yīng)用于臨床。該文就腰椎椎間融合材料的臨床研究及應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

關(guān)鍵詞腰椎；椎間融合；腰椎退行性變；材料

我國(guó)已逐步進(jìn)入老齡化社會(huì)，脊柱退變性疾病的發(fā)病率日益增高，椎體融合術(shù)是目前治療脊柱退變性疾病的主要方法之一[1]。椎間融合器聯(lián)合椎弓根螺釘系統(tǒng)可穩(wěn)定上下椎體、撐開椎間隙及椎間孔，上下椎體對(duì)融合器加壓可誘導(dǎo)骨細(xì)胞增殖，加速融合，明顯提高融合率。腰椎椎間融合材料按成分可分為鈦網(wǎng)融合器(TMC)、聚醚醚酮(PEEK)融合器等，融合器中可采用的移植物有自體骨、異體骨、合成骨、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)等，按外形功能其主要分為圓柱螺紋融合器、箱形融合器、垂直網(wǎng)環(huán)狀融合器和解剖型融合器等。

1椎間融合器

在材料方面，傳統(tǒng)材質(zhì)(如鈦合金等)腰椎融合器在制作工藝及構(gòu)造上不斷更新，例如研制出楔形前路融合器、具有撐開自鎖功能的融合器等，但金屬融合器彈性模量較大，植入后會(huì)造成椎間應(yīng)力遮擋和鄰近節(jié)段退變[2]。在設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)圓柱狀融合器由于與上下椎體接觸面積較小，切割、塌陷發(fā)生率較高，臨床使用率逐漸降低。在固定方式上，Sapkas等[3]研究認(rèn)為，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定融合系統(tǒng)可有效分擔(dān)腰椎應(yīng)力，但其并發(fā)癥如螺釘松動(dòng)、感染、長(zhǎng)期腰背痛和終板骨折等發(fā)生率高達(dá)25%。目前臨床應(yīng)用較多的腰椎融合器有TMC和PEEK融合器等[4]。

1.1TMC

TMC是一種垂直放置的鈦制網(wǎng)狀融合器(又稱鈦籠)，可根據(jù)需要裁剪，中間可填入自體骨促進(jìn)融合，常用于因椎體結(jié)核、腫瘤、畸形等需行椎體次全切除術(shù)的患者,聯(lián)合釘-棒系統(tǒng)可重建脊柱穩(wěn)定性,但其邊緣較銳利，植入后存在下沉、傾斜的可能[5]。Suzuki等[6]研究認(rèn)為，對(duì)于不穩(wěn)定性腰椎爆裂骨折，行后路減壓、TMC椎間融合聯(lián)合經(jīng)椎弓根內(nèi)固定為一種可行的手術(shù)方法。

1.2PEEK融合器

PEEK是一種無毒半結(jié)晶質(zhì)熱塑聚合物，具有組織相容性，可透過X線，其彈性模量介于皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨之間(3.2 GPA)，但遠(yuǎn)低于鈦合金(114 GPA)，更易促使椎間融合[7-8]。Setzer等[9]研究認(rèn)為，PEEK融合器為目前椎間融合中使用最普遍的融合器，其聯(lián)合椎弓根螺釘及鈦鏈接棒可達(dá)到既具有彈性模量又有效固定的效果。Boissiere等[10]研究認(rèn)為，經(jīng)前路植入PEEK融合器聯(lián)合后路椎弓根內(nèi)固定術(shù)在術(shù)后功能恢復(fù)、融合率、節(jié)段前凸角等方面均可取得滿意結(jié)果。但Nemoto等[11]研究認(rèn)為，經(jīng)單側(cè)椎間孔入路摘除髓核聯(lián)合雙側(cè)椎弓根釘-棒系統(tǒng)植入鈦合金融合器組的融合率比植入PEEK融合器組高。Rao等[12]研究認(rèn)為， 在PEEK材料表面添加羥基磷灰石或鈦可改善其生物活性，增強(qiáng)融合率。PEEK融合器的并發(fā)癥主要包括椎間融合失敗、融合器松動(dòng)、多方向移位、神經(jīng)根損傷等[13]。此外，PEEK融合器價(jià)格相對(duì)較高，會(huì)對(duì)患者造成一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[14]。PEEK及鈦合金材料一般為中空設(shè)計(jì)，中間可添加自體骨、異體骨、可吸收化合物等促進(jìn)椎間融合。

2融合器中可采用的移植物

2.1自體骨

自體髂骨可作為理想的骨支架，雖存在取骨區(qū)疼痛、失血量較多、易感染、手術(shù)時(shí)間與住院天數(shù)較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，但自體髂骨融合仍為腰椎融合效果的金標(biāo)準(zhǔn)[15-17]。伴有多種并發(fā)癥的老年人一般骨質(zhì)較差，不適合進(jìn)行自體髂骨移植。

腰椎后路切除的棘突、椎板、關(guān)節(jié)突等具有與髂骨相似的生物特性，也可作為骨移植物，并且可避免取骨處并發(fā)癥的發(fā)生，其缺點(diǎn)為含有較多的皮質(zhì)骨及硬化骨。局部取骨也曾作為植骨融合的金標(biāo)準(zhǔn)[18]。Ohtori等[19]進(jìn)行前瞻性隨機(jī)研究，對(duì)比椎板、棘突骨與自體髂骨用于單節(jié)段后外側(cè)融合效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)局部棘突、椎板骨能達(dá)到與髂骨相同的融合效果，術(shù)后9個(gè)月就達(dá)到了90%的融合率。Hu等[20]研究認(rèn)為，采用自體骨進(jìn)行后路腰椎融合術(shù)是一種安全、有效且無嚴(yán)重并發(fā)癥的治療腰椎退行性疾病方法。France等[21]研究認(rèn)為,棘突、椎板骨與髂骨在腰椎融合中具有相同融合率、術(shù)后并發(fā)癥(腰腿痛等)發(fā)生率和臨床效果，但髂骨移植并發(fā)癥如局部疼痛、感覺缺失等發(fā)生率更高。是否需使用融合器也存爭(zhēng)議。有學(xué)者[22]研究認(rèn)為，單獨(dú)利用棘突、椎板骨對(duì)超過2個(gè)節(jié)段的腰椎進(jìn)行融合植骨量不足，可能發(fā)生較多并發(fā)癥(如椎間隙塌陷等)。

2.2異體骨

同種異體骨主要來自于尸體組織，包括冷凍干燥骨、新鮮冷凍骨、松質(zhì)骨條骨、脫鈣骨基質(zhì)(DBM)等。其優(yōu)點(diǎn)為價(jià)格低廉且容易獲得。異體骨與自體骨彈性模量相當(dāng)，形狀易控制，但骨誘導(dǎo)及與自體骨質(zhì)相容性較差，同時(shí)還有傳播疾病及免疫排斥的風(fēng)險(xiǎn)。An等[23]在一項(xiàng)對(duì)比自體髂骨和凍干異體骨用于腰椎后外側(cè)融合術(shù)的前瞻性隊(duì)列研究中發(fā)現(xiàn)，凍干異體骨組24個(gè)月融合率為0%，自體髂骨組為80%。Goldberg等[24]研究認(rèn)為，異體骨單獨(dú)使用時(shí)存在很高的假關(guān)節(jié)形成風(fēng)險(xiǎn)。

DBM是一種經(jīng)化學(xué)處理的尸體骨，保留了凍干異體骨的特性，含有Ⅰ型膠原成分但無誘導(dǎo)合成膠原的蛋白，不含礦物質(zhì)成分，因其含有少量骨生長(zhǎng)因子而具有骨誘導(dǎo)性。DBM的主要缺點(diǎn)為骨誘導(dǎo)特性較差，且動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示DBM具有腎毒性。Gammisa等[25]對(duì)120例退變性腰椎紊亂患者采用DBM替代自體髂骨實(shí)施后外側(cè)融合術(shù)，植骨方法為一側(cè)用自體髂骨、另一側(cè)采用DBM與自體髂骨混合物，結(jié)果顯示混合骨側(cè)與自體髂骨側(cè)融合率相當(dāng)(52% vs 54%)。Schizas等[26]對(duì)59例將DBM與自體髂骨混合物或自體髂骨用于單或雙節(jié)段后外側(cè)融合術(shù)患者進(jìn)行研究，平均隨訪12個(gè)月發(fā)現(xiàn)，DBM組融合率(69.7%)與自體髂骨組(76.9%)相當(dāng)，臨床療效也無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。筆者認(rèn)為，DBM行單或雙節(jié)段后外側(cè)融合術(shù)是一種安全有效的腰椎融合方法，其缺點(diǎn)為隨訪時(shí)間較短、樣本量小且植骨未量化。

2.3合成骨

合成骨移植物主要包含珊瑚狀羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、硅酸鹽、硫酸鈣等。它們可以制造出不同結(jié)晶度、孔隙率、機(jī)械強(qiáng)度和吸收率的合成材料。這些化合物具有理想的組織相容性、原材料供應(yīng)上不受限制、易消毒及儲(chǔ)藏等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)包括化合物脆性大、彈性強(qiáng)度差、降解或吸收所需要時(shí)間較長(zhǎng)等[27]。大量基礎(chǔ)研究證實(shí)，可吸收聚合物材料椎間融合器有較好的融合效果，術(shù)后常見并發(fā)癥為無菌性炎癥。然而，可吸收聚合物在機(jī)械強(qiáng)度、孔隙率、促進(jìn)融合速度及自身降解速度等方面仍需改進(jìn)。近年來，可吸收聚合物逐漸應(yīng)用于臨床，最常見的為聚乳酸(PLA)和聚乙醇酸(PGA)。其中PLA的最大優(yōu)勢(shì)為可根據(jù)需要靈活改變參數(shù)，支架孔隙率和其他關(guān)鍵參數(shù)均可影響融合器的機(jī)械強(qiáng)度，使其既能承受必要的機(jī)械壓力，又能有足夠的空間供細(xì)胞及血管生長(zhǎng)，從而加速骨融合，目前最大的挑戰(zhàn)是找出個(gè)性化的最優(yōu)參數(shù)組合以制備出理想材料。聚合物的結(jié)晶度、相對(duì)分子質(zhì)量及玻璃化轉(zhuǎn)換溫度的變化可影響其機(jī)械強(qiáng)度及降解速率。Ergun等[28]通過改變聚己內(nèi)酯混合羥基磷灰石與磷酸三鈣的比例來改變復(fù)合物的降解率和彈性模量，牛體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明其具有良好的組織相容性及可調(diào)節(jié)性。Frost等[29]回顧性分析了9例采用聚左旋消旋乳酸融合器實(shí)施后路腰椎椎間融合術(shù)患者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4例患者出現(xiàn)骨質(zhì)溶解，其中1例需行再次手術(shù)取出融合器。目前可吸收材料融合器的研究尚處于起步階段，未來仍需要更多的前瞻性、大樣本隨機(jī)研究。

2.4BMP

關(guān)于BMP應(yīng)用于椎間融合器目前尚存爭(zhēng)議，臨床常用重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白(rhBMP)-2[30]。自BMP發(fā)現(xiàn)以來，其用于引導(dǎo)骨形成的研究越來越多。2002年美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)允許rhBMP-2應(yīng)用于腹腔鏡錐形融合技術(shù)的前路腰椎融合術(shù)。隨后，多種BMP術(shù)式被允許使用，但一些術(shù)式又逐漸被FDA取締。學(xué)者們對(duì)BMP應(yīng)用于椎體融合器的擔(dān)憂主要包括椎體炎癥、異位骨化及是否符合經(jīng)濟(jì)要求[31]。Haid等[32]進(jìn)行一項(xiàng)多中心前瞻性隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)，將67例使用rhBMP-2/明膠海綿或自體髂骨行椎間融合術(shù)的單節(jié)段椎間盤退行性疾病患者進(jìn)行分組，平均隨訪2年，隨訪率高于89.6%，結(jié)果顯示rhBMP-2/明膠海綿組2年融合率為92.3%，而自體髂骨組為77.8%，兩組術(shù)后2年均獲得良好的臨床療效，而rhBMP-2/明膠海綿組在腰背痛評(píng)分上更具優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為rhBMP-2應(yīng)用于椎間融合有積極意義。Dimar等[33]報(bào)道了一項(xiàng)單節(jié)段腰椎后外側(cè)融合術(shù)中使用rhBMP-2混合物(含牛Ⅰ型膠原和15%羥基磷灰石、85%β-磷酸三鈣)與自體髂骨的多中心前瞻性隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)，研究共納入463例患者，融合評(píng)估采用CT及盲法，臨床療效采用Oswestry功能障礙指數(shù)(ODI)及生活質(zhì)量調(diào)查問卷(SF-36)，2年隨訪率為89%，結(jié)果顯示兩組臨床療效無差異，術(shù)后6個(gè)月及2年融合率rhBMP-2混合物組均高于自體髂骨組(分別為79% vs 65%和96% vs 89%)，末次隨訪時(shí)自體髂骨組髂部疼痛發(fā)生率為60%，認(rèn)為rhBMP-2混合物適用于單節(jié)段后外側(cè)融合術(shù)。2003～2007年美國(guó)每年使用BMP行椎間融合病例數(shù)從23 900例增長(zhǎng)到103 194例，融合率高達(dá)93%[34]。但臨床醫(yī)師應(yīng)時(shí)刻警惕使用BMP行椎間融合術(shù)后并發(fā)癥。Rihn等[31]對(duì)于單側(cè)經(jīng)椎間孔腰椎間融合術(shù)中使用rhBMP-2和自體髂骨的并發(fā)癥進(jìn)行研究，認(rèn)為兩者在并發(fā)癥發(fā)生率上無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但rhBMP-2組脊神經(jīng)根炎發(fā)病率明顯高于自體髂骨組。此外，rhBMP-2較自體骨價(jià)格昂貴，現(xiàn)有文獻(xiàn)均未提及其融合率能否平衡其高價(jià)，遠(yuǎn)期價(jià)值仍需評(píng)估。

隨著材料學(xué)、生物力學(xué)及臨床外科固定技術(shù)的飛速發(fā)展，腰椎融合材料將會(huì)達(dá)到更好的組織相容性、骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性及更少的并發(fā)癥發(fā)生率，融合的臨床效果將會(huì)越來越滿意。臨床醫(yī)師需綜合考慮患者各方面因素，個(gè)性化定制適合患者的材料。

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(收稿：2015-07-14；修回：2015-11-02)

(本文編輯：李圓圓)

DOI：10.3969/j.issn.1673-7083.2016.01.004

通信作者：滕勇E-mail: orthtengyong@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(31360229、51165044)、全軍醫(yī)學(xué)科研“十二五”面上課題(CWS11J011)