微創(chuàng)經(jīng)椎間孔腰椎椎體間融合術中融合器的應用進展

王中華 綜述 劉 林

(甘肅中醫(yī)藥大學臨床醫(yī)學院，蘭州 730000)

后路腰椎椎體間融合術(posterior lumbar interbody fusion，PLIF) 因良好的臨床和影像學效果[1，2]，一直被認為是治療退行性病變的金標準。但是PLIF術后因硬膜囊及神經(jīng)根的牽拉刺激會產(chǎn)生術后疼痛，治療腰椎滑脫術后一過性下肢麻痛的發(fā)生率較高。1982年經(jīng)椎間孔腰椎椎體間融合術 (transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)首次出現(xiàn)，與傳統(tǒng)PLIF相比，經(jīng)椎間孔入路可以最小限度地減少神經(jīng)收縮，降低神經(jīng)根損傷和其他并發(fā)癥的發(fā)生率，且術中對硬膜囊、神經(jīng)系統(tǒng)造成的創(chuàng)傷較小，較好保存小關節(jié)及健側(cè)椎板等結(jié)構(gòu)，對脊柱力學結(jié)構(gòu)影響較小，相對安全系數(shù)較高。隨著微創(chuàng)理念的發(fā)展，微創(chuàng)經(jīng)椎間孔腰椎椎體間融合術 (minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion，MIS-TLIF)通過椎旁微小切口經(jīng)Wiltse入路到達病變部位，通過自然肌間隙進入，減少對椎旁軟組織的廣泛剝離，相比于前兩者，術中出血量及術后引流量更少，患者下床時間更早，疼痛緩解更快。MIS-TLIF 療效確切，優(yōu)點突出，但對術者的技術要求明顯提高。MIS-TLIF操作空間狹小，解剖標志顯露不全，操作難度高，學習曲線陡峭[3，4]，妨礙未受過訓練的外科醫(yī)生進行充分的減壓和終板準備，并且有可能導致并發(fā)癥[5]，術者往往需要積累大量開放手術經(jīng)驗方能熟練應用此術。本文對MIS-TLIF術中融合器的臨床應用進行文獻分析，旨在指導MIS-TLIF在臨床中更好的操作。

1 椎間融合器

融合器最初的應用遇到很大的爭議。雖然它們提供軸向穩(wěn)定性且增強節(jié)段融合，但早期的研究并沒有在單純后外側(cè)融合和經(jīng)椎間融合術的患者之間發(fā)現(xiàn)顯著差異[6，7]。傳統(tǒng)術中融合器材料有不銹鋼、聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)、鈦合金、陶瓷等，以上材料彈性模量較高而導致其與人體骨組織之間彈性模量不匹配，預后效果欠佳。中國科學院沈陽金屬研究所已經(jīng)研制出具有自主知識產(chǎn)權的新型PEEK/羥基磷灰石/碳纖維骨修復材料融合器；融合器有方形、梯形、圓柱狀、箱形，更有記憶合金椎間融合器。椎間融合器在腰椎滑脫癥的病例中恢復椎間孔高度、保持腰椎前凸和防止腰椎進一步滑脫[8～12]，通過分散拉伸韌帶和環(huán)狀結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定脊柱節(jié)段，有專家建議采用雙側(cè)融合器來保持關節(jié)穩(wěn)定[13～15]，增加關節(jié)融合的表面積，但由于生物力學穩(wěn)定性和臨床結(jié)果的相似性，單側(cè)融合器最終成為MIS-TLIF的標準。

1.1 鈦合金融合器

鈦合金椎間融合裝置, 耐腐蝕性強、組織相容性好,抗壓強度、疲勞耐受性、生物力學性能均符合人體生理要求，而且鈦金屬具有記憶性，能增加植入物-骨表面的生物力學作用，提高種植體-骨界面剪切力幫助種植體與終板的鎖定，更加有利于骨融合[16]。選擇腰椎管狹窄癥以及腰椎間盤突出癥伴有腰椎不穩(wěn)經(jīng)正規(guī)保守治療無效的患者，微創(chuàng)經(jīng)椎間孔椎體融合術聯(lián)合單側(cè)方法進行雙側(cè)減壓。鈦合金材料融合器能促進成骨細胞的成熟，也可抑制破骨細胞的活性，生成一種包括骨形態(tài)蛋白的骨生成環(huán)境而促進骨質(zhì)融合。鈦合金融合器相對鋒利，能夠牢固的固定在椎體終板上，從而提供一個術后即刻穩(wěn)定性，同時發(fā)揮其促進植入物表面骨生成、增加生長因子、激素等對成骨細胞的作用[17]。鈦合金融合器的彈性模量高達110 GPa，遠遠高于骨皮質(zhì)12 GPa的彈性，PEEK融合器的彈性模量為3.5 GPa[21]，后者更加與皮質(zhì)骨相近。然而，鈦合金融合器會表現(xiàn)出較高的下沉率，Tokuhashi等[18]報道66例融合術后10年內(nèi)隨訪，70.8%的鈦合金融合器下沉，上終板下沉深度為4.0 mm，下終板下沉深度為2.7 mm。Kim等[19]報道鈦合金組和PEEK融合器組下沉率分別為36%(19/52)和30%(16/52)，二者未見明顯統(tǒng)計學差異，與Nemoto等[20]報道鈦合金35%(9/23)和PEEK融合器28%(7/25)下沉率基本一致。劉瑞端等[21]報道鈦合金融合器下沉主要出現(xiàn)在上終板，可能是因為下終板骨密度較上終板高40%[22]。關于下沉率，還需進行大量臨床研究進行對比，輕度下沉可不表現(xiàn)臨床癥狀，重度下沉可引起骨不愈合及椎間高度的丟失和矢狀面的失衡。

1.2 PEEK融合器

PEEK是一種強度高、硬度高、耐腐蝕且性質(zhì)穩(wěn)定的機械性能良好的塑性聚合物，具有良好的生物相容性，另一優(yōu)勢是可以透過X射線[23]，在術中、術后可觀察融合器的位置是否恰當。劉利君等[24]通過對PEEK融合器進行細胞毒性、全身毒性、黏膜刺激等試驗，證實PEEK融合器的生物安全性。Vadapalli等[25，26]報道PEEK融合器具有促進骨質(zhì)融合的優(yōu)越性及安全性。Niu等[27]認為在保證安全性的同時，PEEK融合器能更好地糾正頸椎前凸的角度，提高椎體的穩(wěn)定性和維持椎間隙的高度。劉瑞瑞等[21]報道104例單節(jié)段腰椎疾病中，54例置入鈦合金融合器，50例置入PEEK融合器，隨訪24個月，未證實PEEK融合器的臨床效果優(yōu)于鈦合金融合器，原因可能是PEEK生物活性較低[28]，由于疏水的表面，從而不利于細胞的黏附，使PEEK植入體與宿主骨組織之間的成骨能力較差，經(jīng)常導致相關并發(fā)癥的發(fā)生。例如融合器移位，融合器下沉或假性關節(jié)，特別是對于嚴重骨質(zhì)疏松癥患者。為解決這一問題，學者們著重改良融合器結(jié)構(gòu)以及研發(fā)PEEK復合材料，希望從這兩方面改善PEEK成骨能力。Schimmel等[29]認為PEEK融合器表面設計的牙齒不如鈦合金鋒利，不能夠牢固的把持在椎體終板上，這是導致椎間出現(xiàn)微動就可導致不愈合的一個原因[30]。如果將PEEK融合器制成具有多級微納孔隙結(jié)構(gòu)，可以提高細胞的快速響應、調(diào)控干細胞的定向分化以及保障修復過程中的血管新生和營養(yǎng)傳輸。Evans等[31]采用熔融擠出技術制備一種表面多孔PEEK (SP-PEEK)材料，大鼠的生物試驗顯示：SP-PEEK能夠在保持承載骨科應用所需的結(jié)構(gòu)完整性的同時，提供更好的骨整合。Wang等[32]采用共混法制備PEEK/納米氟羥基磷灰石(PEEK/n-FHA)生物復合材料，細胞培養(yǎng)試驗結(jié)果顯示：PEEK/n-FHA復合材料培養(yǎng)的細胞中，堿性磷酸酶活性和細胞礦化率相對PEEK組較高，更重要的是，PEEK/n-FHA組的新生骨體積明顯高于PEEK組，更快地促進體內(nèi)骨整合。鈦涂層PEEK融合器雖然改善效果，但是表面鈦涂層的磨損碎片限制鈦涂層PEEK融合器的進一步發(fā)展[33]。因此，如何最大發(fā)揮生物活性性能的前提下，又能保持PEEK復合材料的力學性是目前臨床思維應該解決的重點。今后的研究重點不僅局限于動物及細胞實驗，需在臨床上驗證其可行性。

1.3 陶瓷融合器

陶瓷材料是將良好的力學性能，骨傳導作用和可生物降解融為一體，并且符合生物力學的要求。生物陶瓷因良好的生物相容性、可降解性及骨傳導作用已廣泛應用于骨科臨床的骨腫瘤、炎癥以及骨病等所致的骨缺損和骨融合等相關疾病。陶瓷是全關節(jié)置換術中常用的材料[34]。許多醫(yī)生探索將自體骨混合β-磷酸三鈣(β-tricalcium phosphate，β-TCP)生物陶瓷應用于臨床，Muschik等[35]手術矯正28例青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸，脊柱融合術使用自體骨顆粒狀生物陶瓷，影像學顯示術后13個月已融合良好，無假關節(jié)形成。生物陶瓷頸椎椎體間融合器的椎間支撐能力、生物力學性能以及椎間融合效果很適合脊椎椎間融合的應用。因為陶瓷彈性模量與骨接近,理論上沉降趨勢應該小于欽網(wǎng)等金屬制作的椎間融合器，具有良好的抗壓強度。Petrovic等[36]研究PEEK與β-TCP(5%、10%、20%和40%) 混合后對培養(yǎng)成骨細胞的影響，采用WST-1法將正常人成骨細胞接種到復合材料表面上，觀察培養(yǎng)24、72、120 h后細胞活力和增殖情況，以標準組織培養(yǎng)塑料為對照，PEEK及其復合材料表面上的成骨細胞均存活，隨著β-TCP 濃度升高細胞增殖逐漸受到抑制。

1.4 碳纖維(carbon fiber,CF)融合器

CF是一種性能優(yōu)異的增強纖維，對增強樹脂類復合材料具有優(yōu)異的力學性能。CF亦具有與骨相似的彈性模量，以及對術后成像偽影較小的優(yōu)點。宋成哲等[37]選擇L3～S1腰椎退行性變60例(男33例，女27例)，隨機均分為CF組和鈦網(wǎng)組，3～27個月隨訪顯示，CF椎間融合器置入治療腰椎退行性變具有良好的生物相容性，可保持椎體穩(wěn)定性，恢復椎間高度，且并發(fā)癥的發(fā)生率更低。CF可以通過提高機械性能來增強PEEK融合器的使用效率，減少CT和磁共振成像上的圖像偽影。Laux等[38]報道2例手術固定不同解剖區(qū)域的溶骨性骨損傷，使用CF/PEEK植入物。與傳統(tǒng)鈦合金椎弓根螺釘相比，在脊柱內(nèi)固定模型中，CF/PEEK椎弓根螺釘?shù)膫斡绑w積顯著減少，因為CF/PEEK植入物的放射密度更接近于被照射組織的輻射密度，在CT和MRI中顯示的偽影明顯較少[39]，使骨損傷愈合、進展觀察更加清晰，且有利于復發(fā)的放射學隨訪的監(jiān)測，偽影的減少也改善后續(xù)基于CT的放射治療計劃。對于脊柱腫瘤患者，CF減少偽影有利于患者術后影像學和放射治療計劃，可以最大程度優(yōu)化預后和整體生存[40]。Sardar等[41]報道1例49歲女性患者，在L4～5和L5～S1后路內(nèi)固定和微創(chuàng)經(jīng)椎間孔腰椎間融合術后2年行翻修前路腰椎間植骨融合術，患者2個先前融合的節(jié)段出現(xiàn)假關節(jié)且后路內(nèi)固定失敗，L5～S1的碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinfored polymer,CFRP)支架斷裂。如果脊柱節(jié)段發(fā)生機械不穩(wěn)定或骨不連，CFRP植入物可能會破裂，此個案強調(diào)通過優(yōu)化醫(yī)療管理和細致的手術技術來實現(xiàn)CF融合器的穩(wěn)定。

1.5 多孔鉭融合器

鉭不僅對人體無害，還有利于骨骼細胞附著生長。Matsuno等[42]通過將鉭絲植入鼠腹部皮下和股骨髓腔內(nèi)，證實鉭不僅不會引起炎性反應，且硬組織學檢測顯示植入物周圍有新骨形成，具有良好生物相容性。由于多孔鉭良好的生物相容性及三維多孔結(jié)構(gòu)，使骨組織能長入多孔鉭內(nèi)部，且多孔鉭制成的新型融合器可加快骨骼生長和關節(jié)融合，原因是多孔鉭在結(jié)構(gòu)上與松質(zhì)骨非常相似[43]，較低的彈性模量不僅改善載荷傳遞，同時也減少應力屏蔽，但是還需進一步的研究來完善[44]。張振軍等[45]選取L2～5作為手術模型的原始對照組，建立不同入路的完整腰椎三維有限模型，實驗方法獲得多孔材料的力學參數(shù)，研究顯示多孔鈦椎間融合器在提高融合效果的同時，細微的骨小梁結(jié)構(gòu)可能會導致終板表面損傷，需要對多孔鈦椎間融合器的表面微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而使椎體和多孔鈦椎間融合器之間的表面融合更加接近自然生理狀態(tài)。Kasliwal等[46]報道13例多孔鉭環(huán)裝置治療單節(jié)段退行性頸椎間盤疾病的安全性和有效性，5例多孔鉭裝置碎裂，1例裝置侵蝕累及椎體，從而認為獨立的多孔鉭材料因為關節(jié)融合率低，存在設備碎裂風險，并非頸椎椎體間融合術的理想材料，提示我們對獨立鉭椎間裝置用于頸椎融合術有效性的關注。

各種融合器不斷地被設計和完善，以優(yōu)化脊柱生物力學和臨床結(jié)果[20]，傾斜定向的曲線或“香蕉形”椎間融合器的放置符合人體工程學原理。2種類型的融合器具有相似的融合率，原因可能與相似的表面區(qū)域相關，這一觀點有待被證實，但是關于沉降率，直線和曲線的設計仍然存在問題。另一方面，可膨脹形融合器的探索有了進展[47]，外形細長的可膨脹形融合器，不僅可以原位膨脹，更可以通過內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴張或通過機械牽張而變得“量身定做”，加上所需視野暴露的減少，使微創(chuàng)手術的學習曲線變的平緩?？膳蛎浫诤掀髟诮?jīng)孔入路中表現(xiàn)出較好的臨床和影像學效果[48]。然而，無論融合器的設計如何，充分的終板準備對于優(yōu)化整個脊柱節(jié)段的融合仍然是至關重要的。

2 融合器相關并發(fā)癥

腰椎融合術在治療腰椎滑脫癥、腰椎管狹窄的同時，術后鄰近節(jié)段的退變引起更多關注。陳紀寶等[49]通過螺旋CT掃描以及利用Mimics、HyperMesh及GeomagicStudio逆向工程軟件建立腰椎植骨融合的有限元模型，并對比以及利用ABAQUS運算鄰近節(jié)段的壓應力變化，得出術后各腰椎整體平均剛度均增大，鄰近節(jié)段間盤應力均增加。Harrop等[50]系統(tǒng)性回顧分析1216例腰椎融合術，術后3～21年隨訪結(jié)果顯示，鄰近節(jié)段退變性疾病發(fā)生率14%(173例)。Hayashi等[51]對32例腰椎后外側(cè)融合術后進行至少4年隨訪，12例(46.3%)出現(xiàn)鄰近節(jié)段退變的影像學改變。融合器植入椎間后，與椎體的上下終板接觸，植骨也將與終板形成骨性融合，因此，椎體和終板的解剖及力學特征對融合器的穩(wěn)定和植骨融合起到至關重要的作用。李光燦等[52]改進外側(cè)及后側(cè)支撐面，將其適當變窄，內(nèi)側(cè)支撐面不變，這樣可以在保證融合器植入椎間后，終板后外側(cè)較高的強度，防止融合器陷入椎體，同時又極大地增加融合面的面積，改進后的融合面面積增加29.8%，理論認為融合器體積越大、骨性終板與融合器接觸面積就越大，腰椎融合節(jié)段就越穩(wěn)定，融合率越高，但實際較大體積融合器對關節(jié)突和椎間盤纖維環(huán)等原有結(jié)構(gòu)破壞過多反而變得不穩(wěn)定，希望可以將椎體終板作為一個整體進行有限元分析，進一步指導優(yōu)化融合器的設計，減少并發(fā)癥發(fā)生率。

3 小結(jié)

隨著我們對復雜脊柱病理和治療認識的加深，脊柱微創(chuàng)手術也在不斷發(fā)展。MIS-TLIF的引入使腰椎退變和不穩(wěn)定的治療模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。然而，在掌握手術技術和選擇合適的手術器械以優(yōu)化手術效果方面仍然存在挑戰(zhàn)。總的來說，椎間融合器技術的進步使融合速度和穩(wěn)定性達到最佳水平，已經(jīng)開發(fā)多種骨移植方案來促進融合，并提供安全有效的補充骨融合的特性，以提供最大的融合率。類似地，椎弓根螺釘和棒系統(tǒng)提供即時的結(jié)構(gòu)支持，直到脊柱節(jié)段的椎體間融合完成。