生物材料在脊柱融合重建中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望*

宋躍明 楊曦

(四川大學華西醫(yī)院骨科·骨科研究所，四川 成都 610041)

脊柱融合重建技術(shù)是恢復(fù)脊柱穩(wěn)定性以及正常承重功能最常用的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于所有脊柱疾病(退變、創(chuàng)傷、腫瘤等)的外科治療之中。融合是脊柱融合重建技術(shù)中最核心的部分。因此，選擇何種植骨材料來實現(xiàn)更快速、更堅強的脊柱融合一直以來都是脊柱外科的關(guān)注焦點。自體骨具有優(yōu)異的骨誘導(dǎo)性以及傳導(dǎo)性，是脊柱融合中的 “金標準”材料[1]。但脊柱融合術(shù)中常規(guī)操作時常不能獲得足量的自體骨用以植骨。此時，人工合成的生物材料的輔助應(yīng)用能夠有效彌補自體骨植骨量的缺乏，規(guī)避在患者其他部位取自體骨(如髂骨)所帶來額外損傷和風險，具有極大的臨床應(yīng)用價值和市場前景。目前，應(yīng)用于脊柱融合的生物材料種類眾多，且新型產(chǎn)品層出不窮。而這些生物材料成骨活性和實際功效如何？臨床應(yīng)用過程中又有哪些問題？其未來的改進方向是什么？圍繞這些問題，在此，我們就脊柱融合中生物材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望做一述評。

1 填充植骨材料

在脊柱融合重建術(shù)中，有大量不同的操作步驟需要填充植骨，如最常見的在脊柱椎板間及橫突間的后外側(cè)植骨(Posterior-lateral Fusion, PLF)、 椎體-椎體之間植骨(椎間融合)以及椎體內(nèi)缺損的填充植骨。為了彌補脊柱融合手術(shù)本身能夠獲取的自體骨的不足，許多不同的生物材料被制備成人工骨材料應(yīng)用于脊柱融合術(shù)中。目前臨床上常用的填充植骨材料主要包括鈣磷無機鹽和硅基無機鹽材料。

1892年，德國學者Dressmann通過實驗發(fā)現(xiàn)填充硫酸鈣材料進入骨膜下方的骨缺損區(qū)域，能夠促進血管和新骨的長入。這一特性便是我們現(xiàn)在已經(jīng)熟知的骨傳導(dǎo)作用，而硫酸鈣材料是目前臨床脊柱融合最常用的人工骨材料之一[2-3]。20世紀，人們發(fā)現(xiàn)β-磷酸三鈣(β-Tricalclum phosphate,β-TCP)及羥基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)材料具有與硫酸鈣類似的骨傳導(dǎo)性以及成骨活性。HA與自然狀態(tài)下人類骨骼無機鹽成分構(gòu)成相似，鈣磷離子交換能力強，但可吸收性差；β-TCP是HA高溫煅燒后的產(chǎn)物，其生物溶解性比HA要強很多，但成骨能力弱于HA材料。而目前臨床上應(yīng)用較多的雙相磷酸鈣(Biphasic calclum phosphate,BCP)材料實際上是不同比例HA與β-TCP混合，從而具備更適合脊柱融合的降解率和成骨活性[4-5]。1969年，美國的L.L.Hench教授發(fā)現(xiàn)硅基生物活性玻璃(Bioactiveglass,BAG)材料在與植入體內(nèi)與體液接觸后，表面會形成與骨組織類似的HA礦化層，與宿主骨組織形成緊密的化學鍵合，具有優(yōu)異的成骨活性[6]。到20世紀末，BAG也正式作為人工骨材料被廣泛應(yīng)用于臨床脊柱融合術(shù)中，并獲得良好臨床療效[7]。

從已被臨床普遍接受并廣泛應(yīng)用的填充植骨材料來看，應(yīng)用于脊柱融合重建中的該類材料往往對力學強度無太大的要求，但要求其必須具備優(yōu)異的成骨生物活性(植入體內(nèi)能夠在材料表面形成類骨磷灰石層)以及骨傳導(dǎo)性(具備多孔支架結(jié)構(gòu)，利于骨爬行替代生長，并最終與新骨組織完全整合)。盡管硫酸鈣、磷酸鈣以及生物活性玻璃材料屬性不同，但是臨床上應(yīng)用這幾種材料進行脊柱融合的總體效果并未表現(xiàn)出顯著的差異。保障其融合效果的一個重要前提需要我們充分理解材料性能，從而規(guī)范地應(yīng)用于臨床。現(xiàn)有的無機鹽人工骨材料是作為自體骨植骨不足時的補充材料，而并非替代材料，因此臨床使用時強調(diào)其與自體骨進行混合后進行填充植骨。只有做到規(guī)范使用，才能充分發(fā)揮此類材料最大功用，減少因植骨材料選擇不當造成的融合失敗等問題[8]。

2 骨誘導(dǎo)生物材料

1965年，1991年諾貝爾生物學獎獲得者美國醫(yī)生Marshall R. Urist通過一系列實驗證明脫鈣骨基質(zhì)(Decalcified bone matrix, DBM)能夠在動物皮下或肌肉組織中誘導(dǎo)生成新骨組織[9]。自此“骨誘導(dǎo)”的概念應(yīng)運而生，而DBM也成為最早應(yīng)用于脊柱融合的骨誘導(dǎo)生物材料。而隨著深入的研究發(fā)現(xiàn)，DBM的骨誘導(dǎo)性其實來源于其內(nèi)含的成骨因子——骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone morphogenetic protein，BMP)[10]。BMP存在于正常骨組織中，但又被骨組織中鈣質(zhì)為主的礦物質(zhì)包繞，因而很難發(fā)揮功能；通過脫鈣處理后的DBM，其中BMP獲得了充分暴露、釋放，進而起到骨誘導(dǎo)作用[11]。事實上，DBM的骨誘導(dǎo)作用是十分有限的，同時因其本身骨傳導(dǎo)性較差，應(yīng)用于脊柱融合術(shù)時，通常還需要和自體骨或其他無機鹽類人工骨材料混合后使用[12-13]。

為了追求更穩(wěn)定、更優(yōu)異的骨誘導(dǎo)作用，人們致力于研究分離純化的BMP材料。通過大量的實驗驗證，至少有6種BMP蛋白(BMP-2,4,6,7,9,14)被相繼證實對骨修復(fù)過程具有極大的促進作用。2002年，全球第一款BMP人工骨材料產(chǎn)品重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(rhBMP-2)正式獲得美國FDA批準，開始應(yīng)用于脊柱融合的臨床患者。最經(jīng)典的應(yīng)用方式是通過可吸收的膠原海綿吸附定量的rhBMP-2蛋白，結(jié)合腰椎前路椎間融合器(LT-cage)一同植入椎體間，通過緩釋rhBMP-2起到誘導(dǎo)成骨作用，實現(xiàn)椎間融合。隨后，越來越多的BMP產(chǎn)品(rhBMP-7、載rhBMP-2無機鹽人工骨等)被相繼開發(fā)并應(yīng)用于臨床脊柱融合術(shù)中。鑒于純化后的BMP材料所表現(xiàn)出極強的骨誘導(dǎo)活性，2014年版美國神經(jīng)外科醫(yī)師協(xié)會腰椎融合術(shù)相關(guān)指南中指出rhBMP-2材料可以作為自體骨的替代物應(yīng)用于腰椎椎間或后外側(cè)融合術(shù)中[14-15]。

盡管BMP材料骨誘導(dǎo)效果值得肯定，但是回顧該類產(chǎn)品近20年的臨床實際應(yīng)用狀況，發(fā)現(xiàn)目前BMP在脊柱融合臨床應(yīng)用中突顯的問題與其優(yōu)點相伴而生。首先，BMP臨床適應(yīng)癥的問題：從FDA批準最初的僅能在腰椎前路椎間融合術(shù)(Anterior lumbar interbody fusion, ALIF)中應(yīng)用，到隨后擴大批準適應(yīng)于腰椎斜前方椎間融合術(shù)(Oblique anterior lumbar interbody fusion, OLIF)，到目前一些適應(yīng)癥外的應(yīng)用(如頸椎A(chǔ)CDF術(shù)和腰椎PLIF/TLIF術(shù))。BMP材料(主要是rhBMP-2)的臨床應(yīng)用已覆蓋了脊柱融合所有的術(shù)式[16-17]。但是本文認為BMP材料在脊柱融合中最適用的術(shù)式還是ALIF或OLIF等腰椎前路椎間融合術(shù)。此類術(shù)式本身無法獲得足夠的自體骨用以植骨，而BMP材料能夠單獨使用替代自體骨完成植骨，這是其他無機鹽人工骨材料無法比擬的。相反，在其他脊柱融合術(shù)式中應(yīng)用BMP，需仔細權(quán)衡材料所增加的不良反應(yīng)風險、高昂醫(yī)療費用，與其對比普通人工骨材料所能獲得的增益之間的平衡關(guān)系；其次,BMP生物安全性相關(guān)問題，作為一種生物制劑，該材料應(yīng)用于臨床時，其濃度和劑量是引起材料相關(guān)不良反應(yīng)的重要因素。因此，近期針對BMP的臨床研究更多的是探討其最低有效濃度/劑量與其降低不良反應(yīng)風險之間的關(guān)系。這提醒臨床醫(yī)師在選用BMP材料進行脊柱融合時也必須要關(guān)注植入患者體內(nèi)的具體劑量濃度，警惕其可能引起的并發(fā)癥，而非盲目地追求使用復(fù)合有BMP材料。

生長因子類的骨誘導(dǎo)材料(BMP等)無疑是革命性的發(fā)現(xiàn)，但是這類材料生物制劑相關(guān)的特性反而也限制了其在一些特殊脊柱融合重建領(lǐng)域的應(yīng)用。比如脊柱感染和腫瘤性疾病，目前仍是BMP使用的禁忌證。如何進一步提高其生物安全性能以適用于所有脊柱疾病患者是未來需要進一步探索研究的方向。

3 支撐重建材料

脊柱前中柱承擔了其主要的承重作用，椎間融合術(shù)是針對脊柱前中柱的重建手術(shù)，因此，能夠應(yīng)用于椎間融合術(shù)中的生物材料首先需要具備良好的生物力學強度(抗壓強度)。帶三面皮質(zhì)的自體髂骨塊是椎間融合的“金標準”材料[18]。但為了減少自體髂骨獲取帶來相應(yīng)的取骨并發(fā)癥，同時解決長節(jié)段前中柱融合重建手術(shù)中可獲取的自體髂骨長度不足等問題，椎間融合器(cage)應(yīng)運而生。

1979年，Bagby使用不銹鋼材料制備了一個中空帶孔柱狀體，其中裝滿自體碎骨后植入馬頸椎，取得了良好的融合療效，這也建立了椎間融合器最初模型：即通過具有一定力學強度的材料制備中空的支架結(jié)構(gòu)提供椎間融合所需的支撐強度需求，同時將自體碎骨填充進入支架材料中，實現(xiàn)椎體間最終融合[19]。在此模型基礎(chǔ)上，以鈦合金為代表的金屬材料cage和以聚醚醚酮(Poly ether ether ketone,PEEK)為代表的高分子材料cage相繼問世，并逐步成為目前臨床上應(yīng)用最為廣泛的兩大類融合器材料。但事實上鈦合金和PEEK材料均是生物惰性材料，其本身并不具備成骨活性。作為融合器材料能夠提供的是非常有限的骨傳導(dǎo)作用，脊柱融合的最終實現(xiàn)極大地依賴于融合器中裝載的自體骨。同時，鈦合金的彈性模量過高，植入椎間極易出現(xiàn)椎體切割，產(chǎn)生材料-骨界面沉降。PEEK材料自身疏水性特性，植入后易形成材料-骨界面纖維炎性包裹，可能導(dǎo)致延遲融合或者不融合的發(fā)生[20]。這從側(cè)面證明了一個事實：真正理想的椎間融合材料，不僅要求材料本身具有良好的生物相容性和力學屬性，更要求材料也能夠具備優(yōu)秀的成骨活性、骨傳導(dǎo)性甚至骨誘導(dǎo)性。

因此，一些新型的具備力學強度，同時保留成骨生物活性的材料相繼問世，而以這些材料制備獲得的生物活性椎間融合器也陸續(xù)投入臨床應(yīng)用之中。最具代表性的如國內(nèi)自主研發(fā)的納米羥基磷灰石/聚酰胺66復(fù)合材料(n-HA/PA66)。通過材料復(fù)合的方式改變純羥基磷灰石脆性過大，不適合用于椎間支撐融合重建的弊端，同時保留納米級羥基磷灰石優(yōu)秀的成骨生物活性[21]。而最近還有利用硼酸鹽生物活性玻璃材料，研發(fā)制備出新型生物活性BAG椎間融合器，在韓國被率先應(yīng)用于臨床頸椎前路(ACDF)以及腰椎后路(TLIF)椎間融合重建術(shù)中[22-23]。臨床研究顯示，生物活性材料椎間融合器具有更優(yōu)異的材料-骨界面整合，從而有效減少cage下沉和融合失敗的情況發(fā)生，具有相較鈦合金或PEEK材料更優(yōu)秀的臨床效果[24]。

近年來，隨著3D打印技術(shù)等增材制造方式的快速發(fā)展和普及，該技術(shù)也為新型椎間融合器的研發(fā)帶來新的思路。自2016年FDA批準第一款3D打印鈦合金椎間融合器以來，目前全球已有上百種同類的產(chǎn)品可供臨床使用[25-26]。3D打印鈦合金cage在維持其整體力學支撐強度的同時，將融合器設(shè)計為更適合成骨爬行替代的多孔結(jié)構(gòu)，在增加融合器的骨傳導(dǎo)性能的同時，有效減少了融合器沉降。初步臨床研究顯示，這類多孔cage同樣具有優(yōu)秀的材料-骨界面整合能力[27]。相信在不久的將來，除了金屬材料外，越來越多其他材料，尤其是生物活性材料的3D打印多孔椎間融合器也必然會給椎間融合材料帶來進一步的發(fā)展。

4 小結(jié)與展望

目前，臨床上普遍使用的脊柱融合生物材料距離作為“金標準”的自體骨仍有不小的差距。具有生物活性及優(yōu)異骨傳導(dǎo)性的無機鹽類人工骨材料也僅能作為人工骨的補充植骨材料，而具有骨誘導(dǎo)性的BMP材料雖然在一定范圍內(nèi)能夠替代自體骨材料，但其生物安全性、衛(wèi)生經(jīng)濟學等一系列問題仍有待進一步解決；此外，因?qū)Σ牧狭W強度有嚴格要求，適用于椎間支撐植骨的生物材料十分有限?，F(xiàn)有的椎間融合器材料仍在不斷改進以提高成骨活性、優(yōu)化骨傳導(dǎo)性，真正具有骨誘導(dǎo)性的椎間融合器材料目前尚屬空白；未來，為了獲得理想的脊柱融合材料，一方面需要通過材料制備工藝，優(yōu)化材料的多孔孔隙結(jié)構(gòu)，使之具備與自體骨相媲美，甚至更優(yōu)的骨傳導(dǎo)性能；而另一方面是探索新的材料體系，或者通過復(fù)合其他活性材料(成骨因子等)的方式獲得更高成骨活性，甚至是具有骨誘導(dǎo)性的植骨材料。