頸椎椎間融合器的應(yīng)用

欒繼耀 梅偉 蘇鍇

與年齡相關(guān)的頸椎退變在中年人群中占50%以上，是神經(jīng)功能障礙最常見的原因之一[1]，如頸椎間盤突出、骨贅形成和韌帶肥厚，可壓迫頸神經(jīng)或脊髓導(dǎo)致神經(jīng)根型頸椎病或脊髓型頸椎??；嚴(yán)重者常需手術(shù)干預(yù)，手術(shù)分為前路、后路以及前后路聯(lián)合入路。目前常用的前路手術(shù)有前路頸椎間盤切除減壓融合術(shù)(anterior cervical discectomy and fusion，ACDF)和前路頸椎體次全切除減壓融合術(shù)(anterior cervical corpectomy decompression and fusion，ACCF)。20世紀(jì)50年代，Smith和Robinson[2]首次報道了ACDF，近年來，ACDF雖然歷經(jīng)各種改良，但因其顯露容易，創(chuàng)傷小，能直接去除致壓物，減壓徹底，術(shù)后康復(fù)快，臨床療效滿意，仍然是頸椎前路手術(shù)的金標(biāo)準(zhǔn)[3]。在ACDF中減壓是核心技術(shù)，融合是手術(shù)成功的標(biāo)志，減壓的終極目的是為了獲得骨性融合。自體骨融合雖然效果可靠、融合率高，但存在移植骨脫出、塌陷等風(fēng)險，同時也可能引發(fā)供骨區(qū)的并發(fā)癥。為了解決這些問題，椎間融合器(cage)應(yīng)運而生。為了提高融合率和臨床療效，cage的設(shè)計和材料也得到了不斷的發(fā)展和提高。其設(shè)計經(jīng)歷了BAK、螺紋式、鈦網(wǎng)、自鎖式零切跡等的發(fā)展，材料也有自體骨、增強(qiáng)涂層以及可吸收材料等。

一、cage的設(shè)計

1.BAK cage：將不銹鋼材料的中空帶孔的柱狀體用于馬的頸椎椎間融合術(shù)中，取得了良好的效果，稱之為Bagby融合器。此后又成功研制了BAK融合器[4]。BAK的材料是鈦合金，是一種圓柱狀中空椎間融合器，融合器的上下表面含有大量孔隙以促進(jìn)骨長入，同時其形態(tài)設(shè)計可與上下終板進(jìn)行咬合，從而達(dá)到自穩(wěn)的效果。這項技術(shù)很快被應(yīng)用于腰椎和頸椎融合術(shù)中。由于操作簡便，具有良好的安全性、穩(wěn)定性和融合率，這樣的cage逐漸成為ACDF融合的主體。

2.螺紋狀cage：經(jīng)過改造的Bagby融合器，在融合器表面增添螺紋結(jié)構(gòu)，并研制出了Ray-TFC融合器，增強(qiáng)了機(jī)械強(qiáng)度，具有較高的安全性、即刻穩(wěn)定性以及融合率[5]。但在生物力學(xué)上，螺紋狀cage在前屈后伸活動度較差[6]，并且在減壓過程中使用環(huán)踞，可能會對上下椎體的骨性終板造成破壞，導(dǎo)致術(shù)后短時間內(nèi)就可能出現(xiàn)融合器下沉，并且存在融合器脫出、塌陷等并發(fā)癥，無法有效糾正頸椎生理曲度。

3.鈦網(wǎng)cage(titanium mesh cage，TMC)：傳統(tǒng)cage設(shè)計在單節(jié)段的ACDF中具有很好的融合率，但在多節(jié)段的ACDF中有高達(dá)40%的非融合率[7]。TMC具有不同直徑、長短可剪裁以調(diào)整高度，具有良好的縱向承載能力，可以同時固定多個節(jié)段，增強(qiáng)穩(wěn)定性[8]。目前，臨床應(yīng)用最為廣泛的是Harms-mesh鈦籠。有實驗表明，鈦及其合金可以通過等離子束和電子噴涂技術(shù)進(jìn)行改造以提高其表面粗糙度，提高機(jī)體總蛋白和堿性磷酸酶的水平，從而增加成骨細(xì)胞分化[9]。但由于TMC高切跡設(shè)計對食管干擾大，容易出現(xiàn)術(shù)后吞咽困難；其并發(fā)癥有：內(nèi)固定失敗，如鈦板移位，螺釘松動或退出，應(yīng)力遮擋，加速鄰近節(jié)段的退變，導(dǎo)致假關(guān)節(jié)形成，以致骨性不融合率增高；術(shù)后患者的頸椎活動度較單純使用融合器者差[10]。

4.自鎖式零切跡cage：自鎖式cage即是自身帶有鎖定裝置的cage，所謂零切跡是指cage的設(shè)計是容納于減壓后的椎間隙內(nèi)，而并不像普通頸前路鋼板高于椎體前緣，從而避免了頸前路鋼板對食管的刺激，減少了吞咽障礙和相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生，保持了良好的融合率和臨床療效，相比鈦板，減少了鄰近節(jié)段退變，避免了鈦板再次手術(shù)的取出。目前臨床上常用的自鎖式零切跡cage有Zero-Profile cage(Synthes公司，瑞士)、Prevail cage(Medtronic公司，美國)、MC+ cage、ROI-C cage(LDR公司，法國)。(1)Zero-Profile( Zero-P) cage。它由1塊固定板和4枚固定螺釘組成，固定板預(yù)先組裝，螺釘是錐形頭設(shè)計，一步鎖緊機(jī)制(即擰緊螺釘)即可固定于固定板上。彭愛明等[11]報道，對于單節(jié)段脊髓型頸椎病，頸椎前路減壓cage椎間植骨融合鈦板內(nèi)固定與Zero-p椎間植骨融合內(nèi)固定均可取得滿意的臨床療效，Zero-p組術(shù)后吞咽困難發(fā)生率較低。Barbagallo等[12]報道了Zero-P在多節(jié)段ACDF中的應(yīng)用，與鈦網(wǎng)內(nèi)固定相比，Zero-P可以有效地降低沉降率，減少了術(shù)后吞咽困難的發(fā)生，獲得良好臨床療效。Shen等[13]觀察Zero-P較傳統(tǒng)鈦板在治療頸椎鄰近節(jié)段退變疾病方面有較好的生物力學(xué)特性與臨床療效。但此類cage對局部穩(wěn)定性要求高，有屈曲牽張損傷的患者則不適用，同時也存在金屬內(nèi)固定物多、操作繁瑣、術(shù)后影像檢查金屬偽影多、固定不牢靠等不足。Zero-Profile Variable-Angle(Zero-P VA)cage，是Zero-P內(nèi)固定系統(tǒng)中新一代產(chǎn)品。與Zero-P cage裝置不同的是，Zero-P VA cage前路鈦板上增加了對角線限深設(shè)計，使鈦板平面與椎體前緣處于同一水平，在前方減少與鄰近組織的接觸，同時也避免裝置過度植入椎間隙。其螺釘從4枚減少為2枚，進(jìn)釘?shù)慕嵌确秶草^之前有所增大，從而減少潛在的應(yīng)力遮擋。較Zero-P簡化了操作，增強(qiáng)了穩(wěn)定性，提高了融合率和患者的滿意度。但此類cage同樣不適用于有屈曲牽張損傷的患者。(2)Prevail cage。此類cage由1塊固定板和2枚螺釘組成，其前方嵌有2根鎳鈦諾金屬絲。該裝置有零步鎖緊機(jī)制，即擰入螺釘時鎳鈦諾金屬絲可彎曲回彈鎖緊螺釘，縮短了操作時間，可獲得良好的即刻穩(wěn)定性。同時該裝置“工”字型設(shè)計，強(qiáng)化了螺釘?shù)慕佑|面積，cage的橫截面積較大，較適合人體解剖結(jié)構(gòu)。王敏等[14]在ACDF中應(yīng)用Prevail cage，認(rèn)為該系統(tǒng)操作簡單、固定牢靠、出血少、手術(shù)時間短、并發(fā)癥少，并且可降低鄰近節(jié)段骨化和術(shù)后吞咽困難的發(fā)生率，近期臨床療效滿意。Nemoto等[15]在一項單中心的前瞻性研究中報道，Peek Prevail的吞咽困難早期發(fā)生率為38%，并且其發(fā)生率與鈦板+cage對照組相比無明顯差異。(3)MC+ cage。MC+ cage是由聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)材料制成，配有可插入下位椎體上終板的嵌片，有專用器械，適用于單節(jié)段或多節(jié)段頸椎椎間融合，術(shù)后可獲得即刻穩(wěn)定，有利于椎間隙高度的撐開和維持，促進(jìn)融合。Pechlivanis 等[16]認(rèn)為使用MC+ cage 創(chuàng)傷小，出血少，操作簡單，在術(shù)中通過墊片防止cage的位移，節(jié)省手術(shù)時間和費用。(4)ROI-C cage。ROI-C cage是在MC+原有的設(shè)計基礎(chǔ)上，將鎖定系統(tǒng)改進(jìn)為預(yù)彎型的雙嵌片，可保證椎體向間盤方向的內(nèi)聚效應(yīng)，增強(qiáng)融合效果，進(jìn)一步提高融合器的初期穩(wěn)定性。ROI-C嵌片的植入方向與融合器的植入方向在同一軸向上，在上位頸椎手術(shù)時，避免了患者下頜對工具的阻擋。Grasso等[17]認(rèn)為ROI-C是一種安全有效的脊髓型頸椎病的減壓裝置，有助于恢復(fù)頸椎的生理前凸和椎間盤的高度。但是這項研究是在沒有對照組的情況下進(jìn)行的，且隨訪時間較短。楊洋等[18]報道，在雙節(jié)段ACDF中，ROI-C與MC+兩種融合器都可恢復(fù)手術(shù)節(jié)段椎間隙的高度、角度和頸椎曲度，ROI-C較MC+對維持術(shù)后手術(shù)節(jié)段角度及頸椎前凸更具優(yōu)勢。(5)Perfect-C cage。Park等[19]報道了一種新型cage Perfect-C，由1塊鋼板和2枚螺釘組成，鋼板放置在椎前1 mm處，它與椎體在椎前形成一個間隔，在椎間盤水平突出于椎體平面。用2個3.5～3.9 mm粗的螺釘，以(40±10)°頭傾或尾傾的角度插入鋼板內(nèi)，螺釘?shù)脑O(shè)計是為了穿透椎體角部皮質(zhì)骨和終板。Noh等[20]比較了Perfect-C、Zero-P和鈦板cage，認(rèn)為Perfect-C操作簡便，術(shù)中出血少，把持力更牢靠，降低了沉降率，能更好地促進(jìn)骨愈合，有較好的臨床療效和較少的并發(fā)癥。但是此研究不是隨機(jī)對照設(shè)計，納入樣本量較少，隨訪時間也較短。(6)設(shè)計的優(yōu)化。cage在設(shè)計時需要考慮長度、寬度和高度的參數(shù)。從解剖的角度講，C2～C7的椎間盤高度約占椎體高度的1/3，這種生理特點不受年齡影響[21]，在頸椎椎體后方的椎間盤比前方的薄，最大高度在椎間盤的中心。從生物力學(xué)的角度考慮，在設(shè)計時，需要盡可能地匹配頸椎解剖特點，選擇最適宜的參數(shù)范圍，盡可能地保持頸椎的生理曲度。另外，cage的植入方式也可做改進(jìn)，爭取最大限度地減少對組織結(jié)構(gòu)的影響，同時簡化操作，即好又快地完成植入。理想的cage設(shè)計是通過對骨性結(jié)構(gòu)的調(diào)整和椎間盤高度的恢復(fù)，從而達(dá)到術(shù)后即刻穩(wěn)定性，并且具有較高的融合率和較低的并發(fā)癥發(fā)生率。

二、融合器中的移植物

1.自體骨：自體骨移植在當(dāng)前所有移植術(shù)中融合效果最佳，是目前椎間融合術(shù)中的金標(biāo)準(zhǔn)。自體骨可以加快骨誘導(dǎo)，避免移植物的排斥反應(yīng)，降低疾病的傳播風(fēng)險。但自體骨移植存在供骨區(qū)疼痛、傷口感染、血腫、神經(jīng)損傷等缺點[22]。

2.同種異體骨：同種異體骨主要來源于尸體的骨組織，是自體骨較好的替代品。它的益處是方便易得，免除了自體移植的痛苦。Faldini等[23]報道使用同種異體骨能降低手術(shù)風(fēng)險，提高患者生活質(zhì)量。Choi等[24]認(rèn)為與自體骨相比，使用同種異體骨在多節(jié)段頸椎融合中優(yōu)勢明顯，能更好地維持頸椎的生理曲度。但與自體骨相比，同種異體骨的強(qiáng)度和融合率較低，同時也增加了疾病傳播和免疫排斥的風(fēng)險[25]。

3.PEEK:隨著cage設(shè)計的演變，植入物的材料也隨之變化。目前主要有3種材料，碳纖維增強(qiáng)聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CF-P)、鈦和PEEK。CF-P的優(yōu)點是能透光，可觀察植骨的情況，缺點是脆性較大，cage易碎裂。CF-P很快被具有更高彈性模量的PEEK材料所取代。法國Scient’X公司研制出PEEK cage，并應(yīng)用于臨床。PEEK是一種熱塑性聚合物，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕以及很好的生物相容性。但相反由于PEEK材料的理化性質(zhì)穩(wěn)定，造成了骨長入緩慢。Kurtz和Devine[26]報道，與鈦相比，PEEK材料不對放射性檢查產(chǎn)生干擾，它更接近骨的彈性模量，能夠更好地避免應(yīng)力遮擋。Chen等[27]隨訪長達(dá)7年的研究報道，與鈦材料相比，PEEK材料能更好的維持椎間隙高度、頸椎生理曲度和臨床療效。至今，TMC與PEEK cage的選擇仍存在爭議，臨床上可用復(fù)合墊片，如中國臺灣的Combo cage，體部采用PEEK材料，終板處用鈦材料。從理論上講這種椎間融合器可以增加植骨融合率，但尚缺乏證據(jù)支持和長期臨床報道[28]。Kotsias等[29]在一項前瞻性多中心研究中發(fā)現(xiàn)部分鈦涂層的cage雖然能在術(shù)后短期內(nèi)對患者生活質(zhì)量有所改善，但在中遠(yuǎn)期比較時并無優(yōu)勢，而且也不能提高植骨融合率。

4.增強(qiáng)涂層：利用cage的表面涂層可以促進(jìn)骨生長，加強(qiáng)與骨界面的貼合穩(wěn)定。Gu等[30]觀察了羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)涂層結(jié)合轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor beta 1，TGF-β1)和胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor，IGF-1)對cage的影響。HA結(jié)晶膠原纖維誘導(dǎo)骨形成，而TGF-纖維誘導(dǎo)和IGF-1刺激成骨細(xì)胞的增加，從而促進(jìn)成骨。在山羊脊柱融合的實驗中，發(fā)現(xiàn)其與普通cage相比，這種涂層能增加成纖維細(xì)胞的數(shù)量，又能顯著降低脊柱的屈伸范圍。但TGF-β1和IGF-1有劑量依賴的副作用，如果過量會引起低血糖和以及電解質(zhì)的變化。TGF-β1和IGF-1涂層在人體實驗時，安全性是應(yīng)該進(jìn)行評估的。

5.可吸收材料：羊模型的多項研究表明，70/30聚乳酸(polylactic acid，PLD-LLA)cage、聚合物磷酸鈣(polymer calcium phosphate，PCC)cage(50%磷酸鈣+聚合物的復(fù)合材料)在脊柱融合術(shù)中表現(xiàn)出較好的生物學(xué)特性和安全性[31]。鎂對成骨的益處已有報道，但有學(xué)者認(rèn)為過量鎂的釋放會阻礙干細(xì)胞的成骨分化，抑制其增殖，甚至出現(xiàn)細(xì)胞毒性[32]。Zhang等[33]研究表明，鎂在椎間盤過度積聚可能是椎間融合失敗的主要原因。目前鎂作為頸椎椎間融合器的可吸收材料尚未見較為成功的報道。3D打印技術(shù)也被應(yīng)用于頸椎可吸收融合器的研制。山羊頸椎模型體外實驗表明，3D打印PLA/納米級β米磷酸三鈣(β-TCP)具有較好的生物相容性，并在屈伸活動度方面與常規(guī)cage無明顯差異[34]。Yan等[35]將β-TCP作為一種人工合成的骨替代材料，發(fā)現(xiàn)其可以促進(jìn)脊柱的穩(wěn)定和提高融合率。但不幸的是在脊柱穩(wěn)定融合初期就會出現(xiàn)沉降。值得注意的是，Cao等[36]在山羊頸椎模型中比較了采用PLA/Nβ-TCP生物可吸收材料的頸椎椎間融合器(bioabsorbable cervical fusion cage，BCFC)與自體骨以及PEEK材料的療效，發(fā)現(xiàn)BCFC能維持更好的椎間隙高度，有更小的軸向旋轉(zhuǎn)范圍，在組織學(xué)上有更好的椎間融合表現(xiàn)?？晌詹牧暇哂懈咏琴|(zhì)的彈性模量、較小的應(yīng)力遮擋、較好的透光性等優(yōu)點，但也存在骨溶解率高、免疫排斥反應(yīng)、椎間隙塌陷等缺點。故仍需高質(zhì)量的研究證實其可行性和臨床療效。

6.重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白(rhBMP-2)：rhBMP-2是TGF-P超家族的成員之一，因其能誘導(dǎo)骨和軟骨的形成而得名，對骨骼的胚胎發(fā)育和再生修復(fù)有重要作用。rhBMP-2具備可溶性，在椎間融合中能快速溶解。但rhBMP-2在單獨使用時容易失去活性，需要在載體上緩慢釋放。Boden等[37]將rhBMP-2復(fù)合物用于椎間融合，發(fā)現(xiàn)rhBMP-2復(fù)合物椎間融合率高于自體骨移植，但椎間植入rhBMP-2能否提高融合率一直存在爭議。rhBMP-2在促進(jìn)骨吸收和骨融合方面起著積極的作用，但在體內(nèi)具體的作用機(jī)制還不是很清楚。其與自體骨移植相比仍有較多的并發(fā)癥出現(xiàn)，如破裂、降解產(chǎn)物引發(fā)免疫排斥反應(yīng)、促進(jìn)骨溶解，椎間高度塌陷等[38]。

三﹑總結(jié)與展望

ACDF經(jīng)過多年的革新與發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步。頸椎cage的設(shè)計和材料也不斷地更新。目前的cage雖然各具優(yōu)勢，但仍有許多問題需要克服。ACDF術(shù)后cage的沉降率約為21%[39]。雖然鈦合金的穩(wěn)定性強(qiáng)，但彈性模量較大，容易出現(xiàn)應(yīng)力遮擋。而PEEK材料的彈性模量與椎體相近，但由于其理化性質(zhì)極其穩(wěn)定，所以不易降解，骨長入困難?，F(xiàn)有的PLD、PCC、rhBMP-2等可吸收材料的融合器，代謝降解的機(jī)制和產(chǎn)物還不清楚，生物穩(wěn)定性和材料的剛度不夠強(qiáng)。

今后的發(fā)展方向仍是增強(qiáng)頸椎cage可吸收材料的生物穩(wěn)定性、提高其強(qiáng)度、研究其代謝機(jī)制和產(chǎn)物、控制好降解速度，在促進(jìn)融合的同時不對機(jī)體產(chǎn)生干擾，真正做到功成身退。如何簡化操作，保護(hù)正常組織結(jié)構(gòu)，減小對機(jī)體的損傷，更好地促進(jìn)融合，減少cage植入的并發(fā)癥，保持良好的中長期效果，是當(dāng)前研究的課題。目前使用的cage的型號都是批量生產(chǎn)的，而臨床上疾病的責(zé)任節(jié)段都有其特異性，怎樣針對患者做到個體化選擇，精準(zhǔn)地進(jìn)行治療是當(dāng)前研究的熱點問題。

與腰椎不同的是，頸椎神經(jīng)根的游離度明顯小于腰椎神經(jīng)根，其致壓因素主要來自于鉤椎關(guān)節(jié)的骨性增生和椎間盤突出。因此在設(shè)計cage時需要考慮寬度和深度的匹配。由于椎間隙的撐開與維持，對頸椎曲度的恢復(fù)有重要作用，cage 高度的設(shè)計需要考慮生物力學(xué)的特性，盡可能地滿足頸椎的解剖需求。利用3D打印技術(shù)可以模擬出患者的各項參數(shù)，做好術(shù)前規(guī)劃[40]。隨著基因工程技術(shù)的不斷突破，甚至有人提出通過頸前路注射的方法消解退變的致壓物，無需椎間融合。當(dāng)然該方法需要更多的技術(shù)支撐以及臨床試驗。

未來的cage需要滿足患者個性化需要，恢復(fù)椎間隙的高度和保持頸椎的正常生理曲度，并且療效可靠、并發(fā)癥少、操作簡便、性價比高，更好地適應(yīng)臨床。相信隨著生物力學(xué)、材料工程學(xué)、數(shù)字化信息技術(shù)以及基因工程技術(shù)的發(fā)展以及各學(xué)科的交叉滲透，cage將會有得到更好更快的發(fā)展。