3D打印微孔鈦合金人工椎體治療頸椎后縱韌帶骨化癥的臨床療效觀察

李玉偉，王海蛟，崔 巍，胡冰濤，李 凡，楊恬甜 462000 河南 漯河，漯河市中心醫(yī)院脊柱科

頸椎后縱韌帶骨化癥(ossification of posterior longitudinal ligament，OPLL)是以頸椎后縱韌帶異位骨化并對脊髓產(chǎn)生壓迫而引起的一組臨床癥候群，多發(fā)于中老年，在東亞地區(qū)發(fā)病率為1.9%～4.3%。頸椎前路手術(shù)可從根本上解除脊髓前方的骨性壓迫，同時重建頸椎生理曲度，效果優(yōu)良。頸椎前路手術(shù)需切除病變節(jié)段的椎體及骨化的后縱韌帶，以達(dá)到徹底減壓的目的。椎體次全切后需要采用自體骨塊、鈦網(wǎng)等重建材料進行椎體間融合，使用髂骨塊存在吸收、塌陷等并發(fā)癥，同時取自體髂骨不僅延長了手術(shù)時間，也帶來了一定的損傷和并發(fā)癥。鈦網(wǎng)加自體骨、羥基磷灰石人造骨塊等頸椎前路重建材料存在骨-材料界面不能密切接觸、假體移位下沉等弊端。近年來隨著3D打印技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，3D打印人工椎體不僅具有良好的機械強度、耐腐蝕性和生物相容性，而且通過調(diào)整微孔的大小，使人工椎體具有與椎體皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨相近的彈性模量。研究發(fā)現(xiàn)3D打印微孔鈦金屬材料能夠促進成骨細(xì)胞在其表面黏附和成骨分化，3D打印人工椎體開始在臨床中初步使用。本院2018年1月至2020年1月采用3D打印微孔鈦合金人工椎體作為頸前路重建材料治療頸椎OPLL，并與采用鈦網(wǎng)作為頸前路重建材料的術(shù)式進行對比，評價使用3D打印人工椎體治療頸椎后縱韌帶骨化癥的安全性、療效及優(yōu)勢。

1 資料與方法

1.1 病例資料

回顧性分析本院脊柱科2018年1月至2020年1月行頸前路椎體次全切除減壓、3D打印微孔鈦合金人工椎體植入或鈦網(wǎng)植入、鈦板內(nèi)固定術(shù)的頸椎OPLL患者臨床資料64例，符合納入及排除標(biāo)準(zhǔn)者57例。根據(jù)內(nèi)植物的不同分為觀察組(內(nèi)植物為3D打印人工椎體，28例)及對照組(內(nèi)植物為鈦網(wǎng)，29例)。兩組患者基線資料見表1，兩組性別、年齡、病變節(jié)段、病程、JOA評分對比，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(

P

>0.05)，具有可比性。本研究獲本院倫理委員會批準(zhǔn)(2018-LH-KY-001-047)，所有患者簽署知情同意書。

表1 頸椎后縱韌帶骨化癥患者基線資料

性別病變節(jié)段/例組別年齡/歲病程/年JOA評分 男女C4C5C6C7觀察組 21752.67±5.52510853.78±0.6911.61±0.99對照組20951.51±5.24411953.53±0.5811.37±1.08檢驗統(tǒng)計量 χ2=0.257 t=0.790 χ2=0.200t=1.482t=0.827P值0.7700.4330.9780.1440.412

1.2 納入及排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①癥狀、體征及影像學(xué)符合國際頸椎后縱韌帶骨化癥診斷標(biāo)準(zhǔn)；②年齡18～70歲；③行頸椎前路單個椎體次全切減壓、3D打印人工椎體植入或鈦網(wǎng)植入鈦板內(nèi)固定術(shù)者。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①診斷為骨質(zhì)疏松癥(骨密度T值≤-2.5)，未經(jīng)系統(tǒng)治療者；②既往有頸椎手術(shù)史者；③失去隨訪者。

1.3 植入材料及內(nèi)固定器械

3D打印微孔鈦合金人工椎體，由愛康宜誠醫(yī)療器材股份有限公司提供。首先應(yīng)用64排CT對所有頸椎后縱韌帶骨化癥患者采集頸椎三維模型數(shù)據(jù)， 將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印設(shè)備(Arcam AB公司，瑞典)，采用比利時Matefialise公司計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計。人工椎體設(shè)計為圓柱形(圖1)，人工椎體高度為病變節(jié)段椎體加上、下椎間盤的高度之和，直徑為病變節(jié)段椎體的前后徑縮小4 mm，人工椎體的上下接觸面按照上一椎體的下終板與下一椎體的上終板面反向設(shè)計?？紫堵蕿?68.0±5.3)%，孔徑為(800±200)μm，彈性模量為(2.5±0.2)GPa，壓縮強度為(63.0±4.7)MPa。

A：3D打印微孔鈦合金椎間融合器；B：微孔鈦合金融合器微觀結(jié)構(gòu) 孔徑(800±200)μm圖1 3D打印人工椎體

鈦網(wǎng)由北京市富樂科技開發(fā)有限公司提供，為圓柱狀，直徑規(guī)格為8、10、12 mm，厚度1.0 mm，側(cè)壁上有直徑約為3 mm的孔，見圖2。

A：鈦網(wǎng)；B：頸前路鈦板圖2 鈦網(wǎng)及頸前路鈦板

頸前路鈦鋼板系統(tǒng)為北京市富樂科技開發(fā)有限公司產(chǎn)品，鈦板采用鈦合金材料，厚度1.8 mm，長度22.5～120 mm(長度間隔2.5 mm)；螺釘為鈦合金材料，直徑4.0～4.5 mm，長度分別為14、16、18 mm，見圖2。

1.4 手術(shù)方法

采用氣管插管的全身麻醉及肩部墊高使頸部后仰的仰臥位。切口取相應(yīng)節(jié)段水平的右側(cè)橫切口，切開頸闊肌，在頸深筋膜淺層分離，切開頸深筋膜，在頸動脈鞘和內(nèi)臟鞘間隙分離至椎體。在椎體上插入定位針，透視確認(rèn)切除的椎體后，在病變椎體上下的椎體置入撐開釘，安裝Caspar撐開器，切除病變椎體的上下椎間盤，適度撐開椎間隙后，應(yīng)用超聲骨刀沿著頸長肌內(nèi)緣切除病變節(jié)段椎體及后縱韌帶骨化塊，顯露出硬脊膜，充分減壓脊髓及神經(jīng)根，仔細(xì)止血。

觀察組：在3D打印人工椎體中央的小孔內(nèi)填入切除椎體制成的微小骨粒，然后在椎間適度撐開的狀態(tài)下將3D打印人工椎體置入椎間，放松Caspar撐開器。注意3D打印人工椎體上緣為微弧形、下緣為斜坡形，與椎體的上下緣形態(tài)完全吻合。放入頸前路鈦板，透視確認(rèn)內(nèi)置物的位置良好后，擰入鈦板的螺釘牢固固定。

對照組：測量椎體次全切后的上下椎體間高度，根據(jù)測量高度對鈦網(wǎng)進行精準(zhǔn)修剪，在鈦網(wǎng)內(nèi)填入切除椎體制成的碎骨粒。將鈦網(wǎng)安放于椎間，低于椎體前緣2～3 mm，臨時安裝鈦板，透視檢查鈦網(wǎng)及鈦板位置良好后，擰入鈦板的螺釘固定。

放置負(fù)壓吸引管，逐層關(guān)閉切口。術(shù)后佩戴頸托制動，術(shù)后次日下床活動，進行四肢康復(fù)功能鍛煉。

1.5 隨訪及療效評價標(biāo)準(zhǔn)

1.5.1 一般指標(biāo) 記錄手術(shù)時間(從切開皮膚到皮膚縫合完畢的時間)、術(shù)中出血量(吸引器瓶內(nèi)血量加上紗布估算量)、術(shù)后傷口愈合及并發(fā)癥情況。

1.5.2 神經(jīng)功能評價 采用日本矯形外科學(xué)會(Japanese orthopaedic association，JOA)17分法對患者脊髓功能評分。神經(jīng)功能改善率=(隨訪時評分-術(shù)前評分)/(17-術(shù)前評分)×100%。

1.5.3 椎間融合標(biāo)準(zhǔn) ①植骨塊兩端與椎體上下接觸面之間結(jié)合緊密無明顯透亮帶；②植骨塊與椎體接觸面間可見骨小梁形成；③通過頸椎過曲或過伸位X線片觀察融合節(jié)段棘突間無異常活動。符合以上2條即為椎體融合。

1.5.4 影像學(xué)指標(biāo) 術(shù)前、術(shù)后1周及末次隨訪時，在頸椎側(cè)位片上或CT正中矢狀位上測量施術(shù)椎節(jié)的椎間前高、后高，與術(shù)后即刻相比較，不論前高還是后高，椎間高度下降≥3 mm即視為發(fā)生假體沉降。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 19.0統(tǒng)計學(xué)軟件，計量資料以表示，采用

t

檢驗或χ檢驗進行兩組間差異比較，

P

<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般指標(biāo)

57例患者均順利完成手術(shù)，觀察組手術(shù)時間為(59.32±12.09)min，術(shù)中出血量(102.75±11.25)mL，對照組手術(shù)時間為(67.55±4.71)min，術(shù)中出血量(102.06±13.83)mL。觀察組手術(shù)時間顯著短于對照組(

P

=0.001)。術(shù)中出血量兩組間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義。隨訪12～15(14.3±2.7)個月，1例(對照組)出現(xiàn)傷口感染；術(shù)后出現(xiàn)頸部吞咽不適癥狀7例，其中觀察組3例，對照組4例，1～2周后消失?；颊呔鶡o鋼板螺釘斷裂、移位發(fā)生。末次隨訪時均骨性愈合。

2.2 神經(jīng)功能評價

末次隨訪時，觀察組JOA評分由術(shù)前的(11.61±0.99)分提高至(16.10±0.68)分，改善率為(83.03±12.68)%；對照組JOA評分由術(shù)前的(11.37±1.08)分提高至(16.03±0.56)分，改善率為(81.58±12.67)%。兩組的JOA評分較術(shù)前均有顯著提高，兩組改善率差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

2.3 影像學(xué)測量

假體沉降發(fā)生率觀察組1例(3.57%)，對照組12例(41.38%)，兩組間對比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(

P

=0.001)。

2.4 典型病例

觀察組患者，男性，57歲，頸椎后縱韌帶骨化癥(C5～C6)，行C6椎體次全切減壓、3D打印微孔鈦合金人工椎體植入內(nèi)固定融合術(shù)(圖3)。

A、B：術(shù)前頸椎正、側(cè)位X線片 頸5/6椎間隙變窄、唇樣增生；C：術(shù)前頸椎MRI T2矢狀位 頸5/6水平脊髓受壓，髓內(nèi)有一高信號影；D：術(shù)前頸椎CT矢狀位 頸6椎體后緣有后縱韌帶骨化影；E、F：術(shù)后1周頸椎正、側(cè)位X線片 3D打印人工椎體位置良好；G：術(shù)后1周頸椎CT矢狀位 人工椎體位置良好；H：術(shù)后6個月頸椎側(cè)位片 人工椎體位置良好無變化；I：術(shù)后6個月頸椎CT矢狀位 人工椎體位置良好無變化圖3 3D打印人工椎體治療頸椎后縱韌帶骨化癥患者的影像學(xué)觀察

對照組患者，男性，52歲，頸椎后縱韌帶骨化癥(C5～C6)，行C6椎體次全切減壓、鈦網(wǎng)植入內(nèi)固定融合術(shù)(圖4)。

A、B：術(shù)前頸椎正、側(cè)位X線片 頸5/6和頸6/7椎體前后緣唇樣增生；C：術(shù)前頸椎MRI T2矢狀位 頸5/6水平脊髓受壓；D：術(shù)前頸椎CT矢狀位 頸5/6椎體后緣有后縱韌帶骨化影；E、F：術(shù)后1周頸椎正、側(cè)位X線片 鈦網(wǎng)位置良好；G：術(shù)后6個月頸椎側(cè)位X線片 見鈦網(wǎng)下沉，與螺絲釘觸碰；H：術(shù)后1周頸椎CT矢狀位 鈦網(wǎng)位置良好；I：術(shù)后6個月頸椎CT矢狀位 鈦網(wǎng)下緣下沉，與螺絲釘觸碰圖4 鈦網(wǎng)治療頸椎后縱韌帶骨化癥患者的影像學(xué)觀察

3 討論

3.1 應(yīng)用3D打印微孔鈦合金人工椎體治療頸椎OPLL的優(yōu)缺點

頸椎OPLL的骨化塊位于脊髓的前方，前路手術(shù)可直接去除致壓物，達(dá)到脊髓減壓徹底的目的。頸椎前路手術(shù)為了切除骨化塊，需首先切除病變節(jié)段的椎體，頸前路椎體次切除后能否重建頸椎穩(wěn)定性，主要決定因素之一是重建材料的選擇。目前常用的重建材料為鈦網(wǎng)，鈦網(wǎng)克服了自體三面皮質(zhì)骨塊容易吸收移位、需要取自體骨的缺點，但是鈦網(wǎng)為厚度只有1 mm的中空籠狀結(jié)構(gòu)，與終板的接觸面為點狀接觸，且材料是實體的鈦合金，實體鈦合金的彈性模量高達(dá)110 GPa，遠(yuǎn)高于椎體區(qū)域骨組織的彈性模量，高的彈性模量會在骨-材料界面形成應(yīng)力遮擋，易導(dǎo)致鈦網(wǎng)下沉，造成頸椎前路手術(shù)糾正度的丟失，部分患者可引起神經(jīng)癥狀。3D打印人工椎體是采用逐層堆積的增量化加工方式生產(chǎn)的鈦合金微孔結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整微孔的大小，使其具有與椎體皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨接近的彈性模量(彈性模量為0.05～30 GPa)，克服了實體鈦合金高彈性模量的缺點，同時3D打印人工椎體的上下接觸面是根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)建模，與上下終板的解剖形態(tài)完全一致，從而在術(shù)中使人工椎體與椎體的上下終板密切咬合，安裝方便快捷，節(jié)省了放置融合器的手術(shù)時間。本組結(jié)果顯示兩組均能重建頸椎的穩(wěn)定性，但3D打印人工椎體沉降率明顯低于鈦網(wǎng)，而且觀察組手術(shù)時間低于對照組。研究發(fā)現(xiàn)，微孔鈦合金具有誘導(dǎo)骨長入的生物活性，促進成骨細(xì)胞在鈦合金表面的黏附，可為成骨細(xì)胞的黏附及分化提供有利環(huán)境，本組患者均獲得良好的骨性融合。

本研究57例患者中13例達(dá)到沉降標(biāo)準(zhǔn)，沉降率22.81%。結(jié)合文獻[9,18]分析，重建材料沉降的因素包括：①患者自身情況，如存在骨質(zhì)疏松等。②處理終板時損傷了終板的皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，使重建材料陷入松質(zhì)骨內(nèi)形成塌陷。③重建材料與鄰近椎體終板的接觸面積。接觸面積越小，導(dǎo)致終板界面應(yīng)力越集中，越容易出現(xiàn)假體沉降。④重建材料與終板的結(jié)合緊密程度。假體與終板形態(tài)越符合，終板的受力越均勻，越不容易出現(xiàn)終板塌陷。⑤過度撐開。隨著椎體間撐開距離的增大，造成假體與椎體間的壓縮負(fù)荷增加，超過終板的承受能力時，假體就可能發(fā)生沉降。

3D打印定制或通用人工椎體優(yōu)點：①3D打印微孔鈦合金人工椎體的上下面與椎體上下終板的弧形、斜面形狀吻合，能夠無限接近解剖形態(tài)，從而達(dá)到骨-材料界面的密切咬合，減少了支撐體和終板間的壓強。觀察組只有1例出現(xiàn)假體沉降，為老年患者。②術(shù)前通過三維立體重建，完全模擬了去除后縱韌帶骨化的椎體高度和形態(tài)，高度誤差不超過2 mm。術(shù)中減壓后在撐開器撐開的狀態(tài)下直接置入3D打印人工椎體，放松撐開器后即刻達(dá)到穩(wěn)定，從而省去了修剪、選擇假體的時間。③3D打印微孔鈦合金人工椎體具有良好的生物相容性、支撐強度和類似于椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨的彈性模量，同時骨細(xì)胞可長入其中，最終實現(xiàn)骨融合。④不需要取自體骨，易于被醫(yī)患雙方接受。缺點為個體化定制需要2～3 d，延長了術(shù)前準(zhǔn)備時間，但通用的3D打印人工椎體(每2毫米遞增)可克服此缺點。

3.2 切除頸椎后縱韌帶骨化塊的技巧及注意事項

頸椎OPLL前路減壓的方法有骨化塊徹底切除法和漂浮法。本組采用骨化塊徹底切除法，切除骨化塊應(yīng)注意：①根據(jù)頸椎后縱韌帶骨化的具體部位、范圍、椎管矢狀面狹窄率選擇減壓范圍，減壓范圍需超過骨化塊的長度和寬度，建立縱向、矢向、橫向三維空間減壓思路。②切骨先從骨化上下端的未骨化部位進行，從脊髓側(cè)方磨骨切骨。③切除上下椎間盤后，應(yīng)用超聲骨刀的磨頭，均勻平行硬膜囊磨骨，直至呈現(xiàn)為菲薄的骨片，先將椎體后壁-骨化物四周磨透，切開上下端黃韌帶，小鉤探子鉤開骨化窗口，硬膜囊逐漸膨脹，骨化物隨之漂浮，脊髓壓迫即得到初步解除，然后將骨化塊逐步分離后整塊切除。應(yīng)用超聲骨刀具有振動小和減少出血等優(yōu)勢。④為預(yù)防內(nèi)植物的下沉，術(shù)中注意避免損傷骨性終板，同時避免過度撐開。⑤內(nèi)植物放置在椎體的正中間，位于弧形的中部。

3.3 本研究的局限性和不足

本研究屬回顧性研究，未能前瞻性地開展對比研究，證據(jù)可信度有待提升；頸椎前路支撐物為鈦合金材料，術(shù)后影像學(xué)上存在偽影和遮擋。病例數(shù)較少，需要多中心、大樣本的遠(yuǎn)期研究驗證。

綜上所述，采用3D打印人工椎體或鈦網(wǎng)的兩種手術(shù)方式均能重建OPLL患者頸椎穩(wěn)定性，取得良好的手術(shù)療效；與鈦網(wǎng)相對比，3D打印人工椎體具有更好的骨-材料結(jié)合界面，安裝快捷，不易出現(xiàn)假體下沉，具有良好的臨床應(yīng)用前景。