姜 威，毛克亞

解放軍總醫(yī)院 骨科，北京 100853

頸前路椎間融合術(anterior cervical discectomy and fusion，ACDF)是治療頸椎退行性疾病使用最廣泛、效果最確切的手術方式之一[1]，也常用于頸椎畸形，創(chuàng)傷和腫瘤的治療[2]。Cloward[3]、Smith和Robinson[4]在20世紀50年代分別報道了最早的ACDF術，均描述了通過沿胸鎖乳突肌前緣的縱向切口進行前路手術，分離軟組織后，環(huán)形切開纖維環(huán)進行椎間盤切除術并去除所有致壓物，然后取自體骨進行融合。時至今日，該術式仍然是頸椎退行性疾病手術治療的金標準，但經(jīng)過多年的技術改進、置入物的設計和材料的進步使得術后的融合率和臨床療效已得到大幅度提升[5]。最初，市場上可用的融合器的制造材料和設計差異很大，在外形上主要有螺紋和非螺紋設計，材料上分為非金屬和金屬材料。近年螺紋結構融合器已逐漸淘汰，非螺紋結構的矩形、楔形設計以及鈦合金、聚醚醚酮(PEEK)、碳纖維等新型材料的出現(xiàn)，使椎間融合器(以下簡稱Cage)的制造發(fā)生了翻天覆地的變化。本文將重新審視頸椎椎間融合器的設計發(fā)展歷程并展望未來的研究方向。

1 Cage設計的歷史沿革

1.1 Cage形狀設計演變 Cage的基本設計是一個小型具有中心腔的置入物，具有側向，上部和(或)下部窗口，用來填充自體骨、人工合成骨誘導材料或同種異體骨[6]。Cage設計可分為螺紋結構和非螺紋籠結構(圓柱形和箱形)，每種類型都有其各自的優(yōu)缺點。

螺紋結構Cage是基于Cloward的手術設計而成，是最早的椎間融合器。BAK-C(圖1A Sulzer Spinetech公司)于1992年發(fā)布，是一種填充自體骨的多孔鈦合金圓柱體[7]。由于其安全性和即時穩(wěn)定性，該裝置獲得了成功，與無螺紋Cage和髂嵴植骨塊相比，該裝置具有顯著的高壓縮強度和加速融合的優(yōu)點[8]。然而，后續(xù)的臨床很快暴露了螺紋結構設計的缺點：由于椎間隙寬度的限制以及椎體終板強度減弱引起嚴重的椎間融合器沉降，導致最大分離高度的降低。此外，體外生物力學研究中，比較了該類Cage與三斜面植骨塊，發(fā)現(xiàn)螺紋結構Cage在屈曲、伸展和側曲活動時不夠穩(wěn)定[9-10]。

箱形和圓柱形(圖1B，Harms，Depuy)Cage類似Smith&Robinson的馬蹄形移植物。最初的設計是矩形，帶有粗糙的接觸面以改善融合器的表面錨固[10]。這種設計與三面骨皮質移植塊相比，在各方面都表現(xiàn)出更好的節(jié)段穩(wěn)定性[9]。到20世紀初，箱形的Cage開始結合梯形和楔形設計。兩者都旨在模仿正側的頸椎解剖形態(tài)，同時增加節(jié)段穩(wěn)定和接觸面積。梯形Cage反向匹配椎體終板，以增加側曲，彎曲和軸向旋轉的穩(wěn)定性[11]，而楔形設計利用前斜坡，前后高差1 ～ 2 mm，以更好地自然恢復頸椎生理前凸[12-13]。

圖 1 螺紋結構Cage (A)和非螺紋結構Cage (B)Fig. 1 Threaded cage (A) & non-threaded cage (B)

體外研究顯示，螺紋結構Cage和圓柱Cage的組內差異很小，總體差異不大。然而，一項研究報告顯示圓柱Cage對屈伸和側曲具有更好的控制能力。與完整的運動節(jié)段相比，由于終板-內置物的接觸面積減少，因此圓柱設計的旋轉穩(wěn)定性較低[9]。

從生物力學的角度來看，無螺紋Cage由于能夠模仿健康的頸椎解剖結構而優(yōu)于螺紋Cage，因此改善接觸面積的同時可保持初始穩(wěn)定性，然而新的設計不斷涌現(xiàn)，通過適應椎間隙的自然尺寸來改進各方面設計。WING Cage(Medinorm AG，德國)采用一個圓柱形的中心和兩個扁平的側翼[11]。圓柱形中心允許與骨松質接觸，而側翼增加與相鄰椎骨的接觸面積以抵抗過度的沉降。雖然它取得了良好的臨床結果和融合率，但該Cage由于初始骨接觸減少和早期側向不穩(wěn)，導致其與普通螺紋Cage或盒式Cage設計相比沒有明顯的優(yōu)勢[14]。

目前，比較不同形狀Cage的臨床文獻有限，從臨床應用的趨勢中可以看出非螺紋結構的楔形設計盒式Cage應用更為廣泛；這歸因于此設計使得Cage的置入更加簡便，在獲得更大節(jié)段穩(wěn)定度的同時有利于頸椎生理曲度的恢復。

1.2 Cage材料設計演變 融合器的制造材料伴隨著形狀設計的變化而演變。生物材料領域的研究非常普遍，但只有大量應用于臨床才能得到客觀的效果評價。碳纖維增強聚合物(CF-P)，鈦(Ti)和聚醚醚酮(PEEK)是初期用于制造椎間融合器的三種主要材料。雖然研究表明CF-P Cage實現(xiàn)了高融合率和良好的臨床結果，然而PEEK材料因其優(yōu)越的彈性模量在很大程度上已經(jīng)取代了CF-P Cage[15-18]。

鈦和PEEK是目前用于融合器制造的兩大主流材料，究竟哪個更優(yōu)秀目前尚存爭議。1990年首次用于脊柱融合術以來，鈦金屬以輕量、耐腐蝕的優(yōu)點獲得廣泛的應用。同時，鈦金屬融合器表面經(jīng)修飾后可促進骨整合和骨組織黏附[19]。10年后出現(xiàn)的PEEK材料融合器具有可透X線、生物相容性好、彈性模量接近于骨等優(yōu)點[20]。一些鈦與PEEK融合器的對比研究得到了不同的結果，Lingutla等[21]發(fā)現(xiàn)使用鈦金屬和PEEK Cage術后椎間隙高度無差異，而Chen等[19]的研究卻發(fā)現(xiàn)PEEK融合器能夠更好地維持椎間隙高度。但是，兩項研究均發(fā)現(xiàn)鈦金屬Cage會出現(xiàn)較大概率的沉降。盡管多項研究表明PEEK比鈦具有更好的融合率和更少的下沉，并且因此可能成為首選的椎間融合器材料，但應力過度分散和對終板處理的高要求會影響PEEK融合器對脊柱融合的療效[22]。

2 Cage設計的最新進展

2.1 復合材料Cage 理想的Cage設計是恢復脊柱的生理序列和正常的椎間隙高度，以及實現(xiàn)術后即刻的穩(wěn)定性，高融合率和低并發(fā)癥率。最近的Cage設計試圖通過促進早期的骨結合并通過修改Cage表面來提高融合并降低并發(fā)癥發(fā)生率。鈦及其合金可以通過等離子束和電子噴涂技術進行修改以增加表面粗糙度[23]，體外實驗表明，增加成骨細胞的分化的原因是鈦金屬引起總蛋白和堿性磷酸酶水平的升高[24]。鈦的高生物活性可以與PEEK的彈性模量和透X光性結合用來制作復合鈦-PEEK Cage[25-26]。臨床上可用的復合材料Cage如Combo?Cage(圖2A，A-SPINE Asia，臺灣)將鈦合金的上下表面與PEEK主體結合在一起，理論上增加了骨-置入物的融合，但文獻中缺乏臨床和影像學的證據(jù)來支持這一設計。由于市場上可用的融合器的種類以及新設計的發(fā)布速度，提高了利用大型長期臨床研究來驗證新的Cage設計的相對有效性的難度。

2.2 零切跡設計 改進箱式Cage設計的另一個重點是將前路鋼板與Cage結合成獨立的融合器[27]。Zero-Profile Cage采用一體化的低切跡鋼板設計，以避免置入物對周圍軟組織的影響，減少吞咽困難發(fā)生率和其他鋼板相關并發(fā)癥，同時保持良好的臨床和融合結果[28-29]。目前有三種采用零切跡設計的融合系統(tǒng)應用于臨床。Zero-P(圖2B，Synthes，Switzerland)于2008年獲得美國食品和藥物管理局的批準，由一個包含四個釘孔的微型鈦板與PEEK主體組成，內部螺釘長度為14 mm或16 mm。多篇文獻比較了zero-p Cage與Cage+鈦板固定的臨床效果，發(fā)現(xiàn)zero-p術后并發(fā)癥率更低[30-33]，但二者融合率相當。ROI-C Cage(LDR Holding Global Cor-poration，F(xiàn)rance)采用了另一種零切跡固定方法，該方案將PEEK主體與自鎖式固定板相結合，置入Cage時固定板通過椎間隙直接插入相鄰的椎體，不需要任何外部硬件。ROI-C Cage與釘板固定的臨床效果比較尚無文獻報道，但有文獻報告1例多節(jié)段ACDF術中，ROI-C Cage置入后導致椎體骨折[34]。

圖 2 幾種新型Cage A：復合材料Cage； B：零切跡Cage； C：多孔鈦合金Cage； D：可吸收材料CageFig. 2 Several new types of cage A: combo cervical disc cage; B: zero-prof i le cage; C: porous Ti alloy cage; D: absorbable cage

Fidji頸椎Cage(zimmer，Germen)由PEEK材料制成，解剖形狀與椎體終板匹配，矢狀切面呈楔形，可提供一定程度的頸椎前凸。在Cage中心設計有一枚可拆卸的自穩(wěn)式鈦合金鰭片，Cage置入椎間隙后鰭片可插入上下終板增加穩(wěn)定性并防止Cage退出。內部兩個中空的植骨窗可植入自體骨或人工植骨材料。Li和Huang等報道該新型Cage與普通PEEK Cage+釘板系統(tǒng)比較，臨床效果、并發(fā)癥率均無差異，但該新型Cage吞咽困難的發(fā)生率明顯降低[35-36]。

2.3 多孔結構合金 多孔結構合金的置入物能恢復骨的形態(tài)，并促進損傷部位骨組織的再生。多孔結構椎間有一下特點：1)生物相容性；2)適于細胞黏附、增殖和分化的表面；3)具有用于細胞向內生長、運輸營養(yǎng)物質和代謝廢物的相互連接的孔網(wǎng)絡的高度多孔；4)機械性能符合周圍組織的要求，以減少或消除應力屏蔽，并滿足解剖負荷要求，以避免機械故障。近年隨著增材制造技術的發(fā)展，多孔結構金屬內置物、個性化缺損修復器材的制造出現(xiàn)了革命性的進步。利用EBM技術可制造出內部具有相互聯(lián)通的微孔結構的Ti6Al4V合金椎間融合器。內部網(wǎng)格狀多孔結構的鈦合金具有與骨組織相似的楊氏模量，同時具有良好的生物相容性、抗腐蝕性，且內部相通的多孔結構利于骨組織長入。多項體外研究通過細胞增殖等方法表明多孔Ti6Al4V合金具有良好的生物相容性[37-38]。兩項多孔Ti6Al4V合金的體外研究中，在置入物的整個表面和多孔結構內均觀察到細胞擴散和增殖[39-40]，這表明在多孔結構上實現(xiàn)了增強的細胞接種和增殖。多孔Ti6Al4V(圖2C)在動物模型中表現(xiàn)良好，因為在裸露和表面涂覆的多孔Ti6Al4V結構上實現(xiàn)了新骨生長和骨整合。

2.4 可吸收材料 自1966年聚乳酸首次將應用于臨床以后，可吸收生物材料開始受到研究者的重視。這類材料有極佳的生物相容性，其本身置入體內一定時間后可以被人體降解為小分子物質排泄到體外，甚至可以參與體內物質代謝。Daentzer等[41]將可吸收的鎂聚合物融合器與骨移植物置入羊體內進行比較，發(fā)現(xiàn)盡管生物可吸收融合器的穩(wěn)定性隨時間增加，但骨移植物仍提供更高的融合率，因為鎂聚合物融合器的一個主要缺陷是不能促進骨整合。Ren等[42]將多氨基酸共聚物、納米羥基磷灰石、硫酸鈣(MAACP/n-HA/CS)三者的復合物制成的Cage與鈦合金Cage、自體植骨塊進行動物實驗研究，發(fā)現(xiàn)MAACP/n-HA/CS材料組獲得了更好的融合率。

最近的研究還探索了利用聚乳酸(PLLA)—聚乙醇酸(PGLA)共聚物和聚L-丙交酯-CoD，L-丙交酯材料的可吸收Cage(圖2D)的發(fā)展，這些置入物表現(xiàn)出足夠的剛性，可促進骨形成和固體關節(jié)固定。另外相比較金屬和PEEK融合器，完整的術后吸收有利于融合效果的放射性評估。然而，這些益處仍然是理論上的，Brenke等[43]對于置入β-tricalcium phosphate和poly DL lactic acid復合Cage的33例病人進行研究顯示未行釘板系統(tǒng)固定的可吸收Cage置入后有4例病人Cage嚴重脫出，需要翻修手術。

3 結語

椎間融合器的設計制造到成熟應用于臨床是一個漫長而曲折的過程，不僅涉及臨床醫(yī)學、基礎醫(yī)學、材料學、力學等多個學科，而且往往需要數(shù)年時間與大量病例方可得到可靠的結果。當前，多孔材料、可吸收材料、零切跡方案仍是融合器研究的前沿，相信通過研究者的不懈努力，理想的椎間融合器在不遠的未來終會問世。

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