頸椎椎間融合器研究進(jìn)展

張劍 馮新民 張亮

頸椎前路椎間盤摘除植骨融合術(shù)(ACDF)由Cloward[1]和Smith等[2]在20世紀(jì)50年代提出。Cloward在減壓后于椎間隙植入植骨材料，早期植骨材料主要從患者髂嵴或通過同種異體骨庫獲取，然后將之修剪至合適大小植入減壓間隙。Smith等則在減壓后通過植入直接取自患者髂嵴的馬蹄形骨塊實(shí)現(xiàn)植骨融合。雖然自體骨移植的設(shè)計不斷改進(jìn)，但每種方法都有其局限性[3]。自體骨移植的常見并發(fā)癥有疼痛、感染、血腫、神經(jīng)損傷及骨折等[4]，因此亟需尋求替代移植材料。椎間融合器技術(shù)最早由Bagby[5]于1988年提出，最初的椎間融合器為一圓柱形裝置，由中空的不銹鋼制成，是不可壓縮的容器。自此以后，椎間融合器在材料和工藝上得到不斷進(jìn)步，目前已成為頸椎及腰椎椎間植骨融合的首選裝置[6]。本文就頸椎椎間融合器的研發(fā)進(jìn)展作一綜述。

1 椎間融合器類型

椎間融合器的基本設(shè)計是1個小的空心植入物，其側(cè)面、上部和(或)下部是可填充自體骨、異體骨或骨誘導(dǎo)材料的中心腔。椎間融合器一般可分為螺紋型(螺釘)和非螺紋型(垂直環(huán)型和箱型)，可根據(jù)具體情況決定是否附加前路鈦板。

1.1 螺紋型椎間融合器

螺紋型椎間融合器基于Cloward研發(fā)的椎間融合器設(shè)計而成。1994年發(fā)布的 BAK融合器為一可以填充自體骨的多孔鈦合金圓柱體[7]，其安全性和即刻穩(wěn)定性使該裝置獲得了巨大成功，與非螺紋型椎間融合器和髂骨移植模型相比，該裝置具有更高的剛度且可以促進(jìn)融合。然而，螺紋型椎間融合器存在設(shè)計缺陷，即相鄰椎體的椎間隙寬度受限，椎體終板強(qiáng)度變?nèi)酰瑥亩沟米甸g融合器下沉發(fā)生率增加。有體外生物力學(xué)研究將螺紋型椎間融合器與帶3面皮質(zhì)骨的髂骨移植物進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)前者在屈曲、伸展和側(cè)彎時穩(wěn)定性較差[8]。近年來，螺紋型椎間融合器已逐漸被淘汰。

1.2 非螺紋型椎間融合器

1.2.1 箱型椎間融合器

箱型和垂直環(huán)型椎間融合器最初的設(shè)計是一帶有粗糙接觸面的矩形容器[9]。與帶3面皮質(zhì)骨的髂骨移植物相比，這種設(shè)計表現(xiàn)出更高的椎體節(jié)段剛度。2000年初，開始涌現(xiàn)箱型椎間融合器梯形和楔形設(shè)計，其目的是模擬正常頸椎解剖結(jié)構(gòu)，同時增加椎體節(jié)段剛度和表面接觸面積[10]。梯形椎間融合器與椎體終板反向匹配，從而增加融合器在側(cè)彎、屈曲和軸向旋轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性；楔形椎間融合器則利用前斜坡，使前高度比后高度高1～2 mm，從而更好地恢復(fù)頸椎生理前凸[11]。這種非螺紋結(jié)構(gòu)的梯形和楔形設(shè)計也成為當(dāng)今椎間融合器設(shè)計的主流。

1.2.2 垂直環(huán)型椎間融合器

研究發(fā)現(xiàn)，垂直環(huán)型椎間融合器有利于頸椎的拉伸和彎曲，但這種設(shè)計會導(dǎo)致終板-移植物界面接觸面積減小，從而導(dǎo)致頸椎剛度減小[12]。從生物力學(xué)角度來看，非螺紋型椎間融合器能模擬頸椎正常解剖結(jié)構(gòu)，從而在保持初始穩(wěn)定性的同時較螺紋型椎間融合器增加融合器與椎體表面接觸。

雖然目前比較不同類型椎間融合器的文獻(xiàn)研究有限，但大體趨勢是非螺紋的楔形、梯形融合器更受歡迎，其主要原因是非螺紋型椎間融合器植入容易，節(jié)段剛度較強(qiáng)，有利于頸椎前凸的恢復(fù)。

2 椎間融合器材料演變

目前椎間融合器主要有3種材料：碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)、鈦及聚醚醚酮(PEEK)。CFRP椎間融合器具有較高的融合率和良好的臨床效果[13]，但PEEK椎間融合器彈性模量更優(yōu)，CFRP椎間融合器在大部分情況下已被PEEK椎間融合器所取代。鈦及其合金是20世紀(jì)80年代第一批被用于椎間融合器的材料之一，鈦具有良好的耐腐蝕性，可通過表面修飾來改善骨整合和細(xì)胞黏附[14]。PEEK在20世紀(jì)90年代引入，作為鈦的替代品，PEEK椎間融合器可進(jìn)行X線透視，且具有接近正常骨彈性模量的優(yōu)點(diǎn)，從而避免了應(yīng)力屏蔽[15]。目前鈦?zhàn)甸g融合器和PEEK椎間融合器的優(yōu)劣仍存爭議。PEEK椎間融合器雖然具有理論上的各種優(yōu)勢，但仍存在難以確定和控制的因素，如終板準(zhǔn)備、接觸面積和過度牽張等。多研究認(rèn)為，在融合率、沉降率及射線透射性等方面，PEEK椎間融合器與鈦?zhàn)甸g融合器無明顯差異[16-17]。Chen等[18]研究發(fā)現(xiàn)，PEEK椎間融合器與鈦?zhàn)甸g融合器術(shù)后早期臨床效果差異有限，但PEEK椎間融合器能更好地維持椎間高度和頸椎曲度。

3 椎間融合器優(yōu)化

3.1 椎間融合器形狀改進(jìn)

現(xiàn)代椎間融合器設(shè)計已開始針對個體特點(diǎn)設(shè)計尺寸，以確保最優(yōu)的臨床效果和最大限度的融合。由于頸椎不同水平及不同個體間存在椎間隙高度差異，椎間融合器有多種尺寸可選。

椎間融合器通過恢復(fù)椎間隙高度來增加椎間孔高度和椎管容積，從而減輕脊髓及神經(jīng)根受壓[19-20]，但過度撐開也會帶來一系列并發(fā)癥，如骨不連、術(shù)后頸部疼痛及由移植物與頸椎終板接觸壓力增加導(dǎo)致的移植物下沉等。早年推薦移植物高度為10～15 mm[2]。研究證實(shí)，理想的撐開高度依賴于基線椎間隙高度，在基線以上撐開2 mm時椎間孔高度變化最大[18]?，F(xiàn)代椎間融合器仍堅(jiān)持這一觀點(diǎn)，目前一般椎間融合器高度在5～8 mm，術(shù)中一般通過使用試模確定理想的椎間融合器高度。

椎間融合器寬度和長度決定椎體與融合器最大接觸表面積和頸椎穩(wěn)定性，具體由頸椎解剖學(xué)參數(shù)決定。椎間融合器過小，則穩(wěn)定性不佳；椎間融合器過大，則會對周圍結(jié)構(gòu)造成損傷。雖然橫向椎間隙的空間寬度在頸椎可達(dá)20～30 mm，但椎間融合器寬度受椎間關(guān)節(jié)限制，理想的放置位置是融合器兩側(cè)與椎體鉤突接觸[21]。Smith等[2]推薦椎間融合器寬度和長度均為14 mm，但需根據(jù)個體差異進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)代椎間融合器設(shè)計的寬度為12～20 mm，長度為12～16 mm[22]。

3.2 椎間融合器材料改進(jìn)

理想的椎間融合器應(yīng)恢復(fù)頸椎正常曲度和椎間高度，并實(shí)現(xiàn)術(shù)后即刻穩(wěn)定、高度融合，具有較低的并發(fā)癥發(fā)生率。近年來學(xué)者們試圖通過改變椎間融合器表面屬性來促進(jìn)早期骨融合，從而降低并發(fā)癥發(fā)生率，例如采用等離子體束和電子噴霧技術(shù)對鈦及其合金進(jìn)行改性以提高表面粗糙度。體外研究表明，通過對椎間融合器材料表面改性可增加椎體表面的總蛋白及堿性磷酸酶水平，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化[23]。通過將改性的生物活性鈦及PEEK的彈性模量結(jié)合起來合成鈦/PEEK椎間融合器[24-25]，理論上可促進(jìn)椎間融合器的植骨融合效果，但目前對其有效性還缺乏進(jìn)一步研究。Gu等[26]在椎間融合器表面加上羥磷灰石(HA)和胰島素樣生長因子(IGF)-1、轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β1涂層以進(jìn)行改性，結(jié)果椎間融合效果較好。

近年來，臨床上椎間融合器研究熱點(diǎn)向可吸收方向發(fā)展。聚乳酸(PLA)椎間融合器和氨基酸共聚物(AACP)椎間融合器都是可吸收聚合物融合器[27]。PLA為白色半晶體，熔點(diǎn)175°C～185°C，拉伸強(qiáng)度40～60 MPa，彈性模量3～4 GPa。AACP是新型可降解醫(yī)用高分子材料，由6-氨基己酸和甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸等組成?？晌兆甸g融合器在植入時具有一定的剛性，并逐漸降解，以促進(jìn)骨形成和融合固定。然而，Daentzer等[28]利用鎂合金和聚己內(nèi)酯(PCL)研制了一種生物可吸收椎間融合器，并將其作為綿羊頸椎融合模型中頸椎前路椎間盤切除融合的裝置，發(fā)現(xiàn)與移植骨相比，生物可吸收椎間融合器的剛度和融合性能較差。目前可吸收椎間融合器的療效尚需大規(guī)模的長期臨床研究來驗(yàn)證[29]。

3.3 椎間融合器設(shè)計改進(jìn)

近年來，零切跡自鎖式椎間融合器應(yīng)用漸多。零切跡是指椎間融合器并不像普通頸前路鈦板突出于椎體前方，而是置于減壓后的椎間隙內(nèi)，從而避免頸前路鈦板對椎前軟組織及食管的損傷，降低術(shù)后頸部不適及吞咽困難等并發(fā)癥發(fā)生率[30]。零切跡自鎖式椎間融合器于2008年獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)。它的設(shè)計為1個PEEK材質(zhì)的主體連接到1個前板上，前板上有4個孔，通過長度14 mm或16 mm的螺釘經(jīng)4個孔固定于椎間隙。前期研究發(fā)現(xiàn)零切跡自鎖式椎間融合器不僅具有即刻穩(wěn)定的作用，還能避免器械擠壓椎體前緣的軟組織，從而有效減少術(shù)后吞咽困難及食道損傷等并發(fā)癥[31]。新一代產(chǎn)品可變角度零切跡頸前路椎間融合固定系統(tǒng)螺釘從4枚減少為2枚，進(jìn)釘角度范圍也較之前有所增大，從而減少潛在的應(yīng)力遮擋。

前路頸椎橋形鎖定椎間融合器采用了另一種零切跡方法，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。它將PEEK材質(zhì)的主體與自鎖導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)合在一起，允許鋼板通過椎間隙直接插入相鄰椎體。此類椎間融合器有零步鎖緊機(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[32]。葉永勝等[33]研究發(fā)現(xiàn)，行頸前路減壓植骨融合術(shù)治療頸椎病時，前路頸椎橋形鎖定椎間融合器與零切跡自鎖式椎間融合器術(shù)后早中期吞咽困難發(fā)生率無明顯差異。

隨著3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，個性化定制椎間融合器應(yīng)運(yùn)而生，可根據(jù)患者自身實(shí)際情況進(jìn)行定制，以滿足在人體工程學(xué)、生物力學(xué)等多方面的具體要求[34]。3D打印材料主要分為金屬類(鈦合金、鉭金屬及記憶金屬鎳鈦合金等)、非金屬類(PEEK、PLA、碳纖維)等。3D打印技術(shù)結(jié)合新型材料定制個性化椎間融合器，可能是今后的發(fā)展方向。

4 結(jié)語

目前椎間融合器形狀設(shè)計更傾向于楔形及梯形，材料上傾向于PEEK。未來的椎間融合器材料可能向可吸收方向發(fā)展，設(shè)計上則需要滿足患者個性化需求，通過3D打印技術(shù)模擬患者各項(xiàng)解剖參數(shù)，設(shè)計個性化椎間融合器。