腰椎椎間融合器研究進(jìn)展

朱學(xué)進(jìn) 劉楊 徐佳元 王挽濤 高博 趙磊 柏長(zhǎng)青 祁全

腰椎退行性疾病(LDD)是骨科常見(jiàn)病和多發(fā)病，每年全球出現(xiàn)LDD和腰背痛的人數(shù)占總?cè)丝诘?.63%。LDD主要包括腰椎不穩(wěn)、腰椎滑脫、腰椎椎管狹窄、腰椎間盤(pán)突出等，嚴(yán)重影響患者的生活和工作。腰椎椎間融合術(shù)是治療LDD常用且有效的方法，腰椎椎間融合器作為腰椎椎間融合術(shù)的重要組成部分，其主要作用是恢復(fù)椎間隙高度及生理曲度，實(shí)現(xiàn)術(shù)后即刻穩(wěn)定，減少椎弓根螺釘斷裂發(fā)生，促進(jìn)椎間骨性融合，并在一定程度上減少自體骨用量，從而減少由此引發(fā)的一系列并發(fā)癥發(fā)生。自腰椎椎間融合術(shù)提出以來(lái)，各種手術(shù)入路隨著不同種類(lèi)的腰椎退行性疾病治療需求相繼產(chǎn)生，腰椎椎間融合器也得到發(fā)展。隨著微創(chuàng)觀念的深入，腰椎椎間融合術(shù)也在向微創(chuàng)化發(fā)展，微創(chuàng)腰椎椎間融合術(shù)包括微創(chuàng)經(jīng)椎間孔入路腰椎椎間融合術(shù)(MIS-TLIF)、ZELIF經(jīng)皮內(nèi)鏡腰椎椎間融合術(shù)、側(cè)路腰椎椎間融合術(shù)(LLIF)和斜外側(cè)入路腰椎椎間融合術(shù)(OLIF)等。

1 外形和結(jié)構(gòu)

最初腰椎椎間融合器外形為水平圓柱型，形似加粗的螺釘，其運(yùn)用了“撐開(kāi)-壓縮”原理[1]。臨床上由于它與終板接觸面積小、植骨量少、椎間高度不能維持、融合器易發(fā)生下沉及植骨融合率低等原因，目前臨床已很少使用。隨后出現(xiàn)的立方型椎間融合器外形似方形的箱子，有直型、弧形等。立方型椎間融合器能提供很大的松質(zhì)骨填充空間，融合面積大，負(fù)荷承載能力很好，但抗旋轉(zhuǎn)應(yīng)力和自穩(wěn)性能差，尚需聯(lián)合后路椎弓根釘棒內(nèi)固定加強(qiáng)力學(xué)性能，是臨床上最為常用的腰椎椎間融合器。

近年來(lái)，微創(chuàng)手術(shù)由于創(chuàng)傷小、出血量少、術(shù)后恢復(fù)快等特點(diǎn)，得到飛速發(fā)展，臨床上對(duì)微型腰椎椎間融合器有了較大需求，該種融合器在通過(guò)工作通道時(shí)體積較小，進(jìn)入椎間隙后利用特殊方法撐開(kāi)，并保持一定高度以維持椎間隙高度。Gepstein等[2]首次將直徑5 mm 的B-Twin可膨脹椎間融合器用于微創(chuàng)后路腰椎椎間融合術(shù)(MIS-PLIF)，并與開(kāi)放式入路腰椎椎間融合術(shù)(OPLIF)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示其可縮短手術(shù)時(shí)間，減少出血量，減輕術(shù)后即時(shí)疼痛，所有參數(shù)均符合微創(chuàng)手術(shù)概念。丁一等[3]將Pango可撐開(kāi)椎間融合器聯(lián)合微創(chuàng)螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)用于治療退變性腰椎管狹窄癥，與B-Twin可膨脹椎間融合器相比，其能耐受更大的壓縮力，恢復(fù)生理前凸，耐磨且防移位，但要求工作通道直徑較大(8 mm)，該融合器的推廣尚有待進(jìn)行更詳盡的臨床觀察和研究。

2 應(yīng)用材料

椎間融合材料起先取自患者髂嵴或同種異體骨，修剪后放置于椎間隙，自體骨移植在所有植骨術(shù)中融合效果最佳，自體髂骨植骨融合可稱(chēng)為融合效果的“金標(biāo)準(zhǔn)“，但存在術(shù)后取骨區(qū)血腫形成、疼痛、失血量較多、易感染及椎間高度不能恢復(fù)等缺點(diǎn)[4]。鈦合金屬于惰性金屬，具有不可降解性，不易對(duì)人體產(chǎn)生影響，具有耐腐蝕性強(qiáng)、組織相容性好等特點(diǎn)。Cuzzocrea等[5]研究發(fā)現(xiàn)，鈦金屬融合器融合率高，周?chē)侨芙獍l(fā)生率較低，可使椎間融合穩(wěn)定。鈦合金椎間融合器機(jī)械強(qiáng)度和力學(xué)性能較優(yōu)，故可達(dá)到即刻穩(wěn)定，但其彈性模量與皮質(zhì)骨彈性模量相差較大，易導(dǎo)致應(yīng)力遮擋，該材料對(duì)X線(xiàn)可產(chǎn)生遮擋，但對(duì)CT、MRI檢查影響較小，目前臨床上較為常用。聚醚醚酮(PEEK)是一種惰性全芳香族半結(jié)晶熱塑性聚合物，毒性極小，耐高溫、耐化學(xué)腐蝕，具有良好的生物安全性。PEEK椎間融合器彈性模量介于椎體皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨之間，力學(xué)性能與天然骨相似，植入人體后可有效降低應(yīng)力屏蔽效應(yīng)[6-8]。但它生物活性和成骨效能均較低。PEEK是射線(xiàn)可透材料，它在CT和MRI檢查中產(chǎn)生的偽像相對(duì)較少，因此與金屬材料相比具有影像學(xué)優(yōu)勢(shì)。目前涌現(xiàn)許多以納米羥基磷灰石為基礎(chǔ)的復(fù)合材料, 納米羥基磷灰石生物活性良好，彈性模量與骨質(zhì)相當(dāng)，且具有可降解性，該類(lèi)復(fù)合材料制成的椎間融合器仍處于基礎(chǔ)研究階段。

未來(lái)需科研人員和醫(yī)護(hù)人員共同努力，尋找出符合以下條件的腰椎椎間融合器材料：具有良好的生物安全性、組織相容性，以及良好的骨誘導(dǎo)、促進(jìn)骨生長(zhǎng)能力，向融合“金標(biāo)準(zhǔn)”靠攏；有足夠的硬度，以保證術(shù)后即刻穩(wěn)定，且彈性模量與椎體骨相當(dāng)，減少融合器應(yīng)力遮擋，盡可能減少術(shù)后椎間隙高度和生理曲度丟失；保證椎體之間達(dá)到骨融合后才能降解，且降解產(chǎn)物對(duì)人體無(wú)害。

3 細(xì)節(jié)性結(jié)構(gòu)

腰椎椎間融合器制作上有許多細(xì)節(jié)性結(jié)構(gòu)，包括涂層、孔隙、雙凸形狀、凸起防退結(jié)構(gòu)、前凸角度等。這些細(xì)節(jié)性結(jié)構(gòu)主要目的是使融合器具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、接近于骨松質(zhì)的彈性模量、較高的抗拔出力、較好的生物學(xué)性質(zhì)，可促進(jìn)椎間快速骨性融合。

3.1 涂層和表面孔隙

融合器表面涂層技術(shù)可整合2種或更多種材料優(yōu)勢(shì)，從而使融合器性能達(dá)到最佳。將生物相容性、骨整合能力較強(qiáng)的鈦或磷酸鈣材料通過(guò)納米涂層技術(shù)涂層到彈性模量較好的PEEK材料上，可使得PEEK融合器融合率增加，融合器下沉率降低。Willems等[9]臨床研究表明，鈦或磷酸鈣納米涂層PEEK融合器與未涂層PEEK融合器具有相同的安全性和有效性，但鈦或磷酸鈣納米涂層PEEK融合器融合率更高。Kienle等[10]實(shí)驗(yàn)研究表明，鈦等離子噴涂涂層PEEK融合器磨損量(2.02 mg)大于鈦或磷酸鈣納米涂層PEEK融合器(分別為0.75 mg和0.57 mg)，且高于美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)指導(dǎo)文件中允許的重量減輕極限(約1.7 mg)，而鈦或磷酸鈣納米涂層PEEK融合器低于此極限。

Tsai等[11]的雌豬實(shí)驗(yàn)研究表明，孔隙率高尤其是孔隙率為60%和80%的結(jié)構(gòu)可促進(jìn)腰椎椎間融合器內(nèi)骨形成。Lim等[12]經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)了骨融合與多孔結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性，孔徑為1.2 mm的腰椎椎間融合器具有最佳的骨融合性能。目前人體內(nèi)腰椎椎間融合器表面孔隙率最佳數(shù)值尚未有報(bào)道，還有待于進(jìn)一步的探索研究。

3.2 上下表面結(jié)構(gòu)

研究報(bào)道，經(jīng)腰椎CT影像上測(cè)量，L1～4上、下終板的主要類(lèi)型為凹型,而L5上終板主要為凹型,下終板主要為凸型[13]。腰椎椎間融合器上下表面只有與腰椎終板更好貼合，才能減少應(yīng)力集中，維持椎間高度。腰椎椎間融合器設(shè)計(jì)為雙凸型結(jié)構(gòu)，符合國(guó)人腰椎解剖結(jié)構(gòu)，但具體數(shù)據(jù)尚較少報(bào)道，需進(jìn)一步深入研究。此外，腰椎椎間融合器上下表面的凸起結(jié)構(gòu)還能增大抗拔出力，具有防止融合器在椎間隙后退的功能。

3.3 前凸角度

腰椎屬于脊柱中生理性前凸部分，在腰椎融合術(shù)中恢復(fù)腰椎生理曲度尤其重要。在腰椎椎間融合術(shù)中置入脊柱前凸融合器能顯著增加節(jié)段性脊柱前凸及椎間隙前后高度，間接為椎間孔提供減壓[14]。Walter等[15]臨床研究表明，在經(jīng)椎間孔入路腰椎椎間融合術(shù)(TLIF)中放置的脊柱前凸融合器具有很好的矯正脊柱前凸?jié)摿?，但具體手術(shù)效果還取決于患者站立時(shí)脊柱、韌帶、肌肉之間的協(xié)調(diào)平衡。每個(gè)人的前凸角度都不相同，所以在手術(shù)選擇融合器時(shí)也應(yīng)因人而異，甚至在完善檢查及設(shè)計(jì)好手術(shù)方案后，臨時(shí)進(jìn)行個(gè)體化定制。

4 臨床效果

腰椎椎間融合器作為腰椎椎間融合術(shù)的重要組成部分，很大程度地影響腰椎融合效果，但腰椎融合效果影響因素不僅有融合器形狀、材料、表面涂層、孔隙率、上下表面結(jié)構(gòu)、前凸角度等自身情況，還包括椎體情況、融合器放置位置和植入方向、椎弓根螺釘松動(dòng)等。研究表明，術(shù)前Modic改變對(duì)于TLIF術(shù)后椎間融合效果沒(méi)有明顯影響,但可顯著增加融合器沉降風(fēng)險(xiǎn)，尤以ModicⅠ型和Ⅱ型改變?yōu)橹鳾16]。但也有臨床研究報(bào)道，對(duì)LDD患者行OLIF時(shí)不輔助椎弓根釘棒固定，結(jié)果表明Modic改變或硬化的椎體可減少融合器下沉率，這可能是預(yù)防融合器下沉的潛在預(yù)測(cè)因素[17]。這兩種觀點(diǎn)存在矛盾，說(shuō)明Modic改變與腰椎椎間融合器的相互作用還有待進(jìn)一步的探索研究。

梨形椎間盤(pán)、融合器在椎間隙內(nèi)偏后放置和終板損傷被確定為腰椎椎間融合器后退的危險(xiǎn)因素[18]。在后路腰椎椎間融合術(shù)(PLIF)后融合器脫出由多種因素所致，包括腰椎滑脫未完全復(fù)位、合并骨質(zhì)疏松癥、肥胖、融合器類(lèi)型選擇不當(dāng)、融合器型號(hào)偏小、融合器植入深度不夠、單個(gè)椎間隙植入2枚融合器、椎弓根釘棒系統(tǒng)不穩(wěn)定、術(shù)后過(guò)早恢復(fù)體力勞動(dòng)等?？紤]到融合節(jié)段的活動(dòng)度，在融合節(jié)段前方橫向置入腰椎椎間融合器可有效提高融合節(jié)段剛度，從而有利于融合后腰椎穩(wěn)定。此位置置入還可以產(chǎn)生較小的融合器和終板應(yīng)力，從而避免融合器損傷或下沉。經(jīng)皮內(nèi)鏡下經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)(PE-TLIF)的生物力學(xué)性能優(yōu)于TLIF，建議臨床施行PE-TLIF時(shí)在L5椎體上終板前部橫向置入腰椎椎間融合器[19]。Comer等[20]進(jìn)行有限元分析研究，在模擬TLIF術(shù)中將腎形、鉸接式和直彈式3種腰椎椎間融合器分別置入椎體間隙不同位置，探究生物力學(xué)效果，但并未尋找出具有明顯優(yōu)勢(shì)的融合器形狀及椎間隙內(nèi)放置位置。研究報(bào)道，TLIF術(shù)中腰椎椎間融合器橫行置入與斜行置入具有相同的臨床療效，但橫行置入在改善矢狀位(椎間隙前后高度)方面具有優(yōu)勢(shì)，因此建議TLIF術(shù)中采用融合器橫向放置[21]。Wanderman等[22]研究認(rèn)為，TLIF術(shù)后影響融合成功的因素有很多，但迄今為止融合器形狀似乎不太重要。鑒于缺乏令人信服的證據(jù)表明新月形融合器具有臨床或生物力學(xué)優(yōu)勢(shì)，而子彈型融合器易于術(shù)中置入且能減少神經(jīng)組織損傷風(fēng)險(xiǎn)，因此目前首選子彈型融合器。

5 展望

在以后的腰椎椎間融合器研究中，需加強(qiáng)材料學(xué)研究，尋找更好的生物材料；利用涂層技術(shù)將材料的優(yōu)勢(shì)整合起來(lái)，減少融合器整體劣勢(shì)；加強(qiáng)孔隙率研究，探索在人體內(nèi)促進(jìn)骨長(zhǎng)入的最佳孔隙率；解剖型腰椎椎間融合器很難經(jīng)TLIF或PLIF置入椎間隙，因此需加強(qiáng)解剖型腰椎椎間融合器設(shè)計(jì)，從而減少術(shù)區(qū)組織破壞的同時(shí)利于腰椎生理性前凸恢復(fù)。臨床上針對(duì)不同的腰椎椎間融合術(shù)，選擇不同的融合器也顯得尤為重要，既要減少術(shù)中對(duì)周?chē)M織的損傷，也要選擇合適的融合器型號(hào)。