可吸收脊柱椎间融合器的研究与应用进展

李 嵩，祁 敏，曹 鹏，袁 文，陈华江

颈/腰椎退行性疾病是近年来临床最常见的脊柱外科疾病，严重影响着患者工作和生活，一旦药物及物理非手术治疗无效，手术治疗往往是唯一有效的方法。手术方式已由单纯椎间盘摘除术发展至目前比较常见的脊柱融合术。脊柱融合术是临床上应用广泛的较为有效的手术方式，并且自从椎间融合器Cage应用于脊柱融合术并取得成功以来，各种椎间融合器相继问世，并受到临床广为接受[1-2]。近年来可吸收椎间融合器由于克服了传统椎间融合器的一些缺陷与不足，成为了研究的热点之一，本文拟对近年来可吸收椎间融合器的研究情况及临床应用进展进行简要综述。

1 传统椎间融合器的不足

1988年Bagby首次将椎间融合器应用于临床，取得非常大的成功。各种不同的椎间融合器相继出现并被广泛应用。目前临床应用以不可吸收椎间融合器多见，按照融合器的材料不同，主要分为金属材料和碳纤维等复合材料2类。虽然传统椎间融合器显示出了一些较为满意的效果，但是不容忽视的是其较为常见的并发症，例如融合器的移位、椎体沉降、应力遮挡、邻近部位的骨吸收、迟发性炎症反应、脊柱前凸、假关节形成继而椎体融合延迟甚至不融合等[3-5]。引起这些并发症的原因有很多，很多情况下是由于椎间融合器本身的不可降解性导致的。第一，金属材料与骨组织之间存在着显著的力学性质的差异，金属的高刚度会相应减少其相邻部位骨组织所承受的载荷，产生应力遮挡，因此，金属融合器可能会使融合速度减慢，最终导致假关节的形成或者融合器的松动、移位等 ；第二，金属材料具有的射线不可透过的性质对术后手术部位融合情况的影像学评估也造成很大的影响[6]；第三，金属融合器作为异物可能需要再次手术取出。碳纤维椎间融合器虽然具有力学强度上有所改善，且不影响影像学评估，但远期观察仍存在融合器破裂等问题。随着以上2种融合器在临床应用中表现出一些缺陷和不足，采用可吸收材料制作椎间融合器已成为近年研究开发的热点。

2 可吸收椎间融合器的材料

为了更好地解决金属型椎间融合器及碳纤维椎间融合器在临床应用中出现的问题，可吸收椎间融合器的研究应运而生。可吸收材料是指在生物体内可被水解或酶解成能被生物所吸收的无毒小分子物质且与生物体具有良好生物相容性的高分子材料，在人体内，可吸收椎间融合器一般会在12～18个月内逐渐代谢成为水和二氧化碳等物质[7-8]。这种材料具备以下特点[9]：生物力学稳定性，有足够的力学强度能满足椎间融合器的力学要求，同时应当与正常骨组织相近的弹性模量，以避免对固定部位的应力遮挡；在体内能逐步的降解吸收，吸收的速度与新骨生长的速度相适应；具备良好的生物活性，能够促进融合；良好的生物相容性，无抗原性及排斥反应，不会引起周围组织的炎症反应；无致癌性及致畸性，无毒副作用；易于塑形、消毒、保存，易于血管化。

临床应用较多的可吸收性材料有：聚乙醇酸类材料(polyglycolide , PGA)、聚乳酸类材料(polylactide, PLA)及其混聚物。PGA不稳定，在1个月内完全降解，不适合单独用作椎间融合器的材料，并且发生无菌性炎症反应的几率高：PLA具有更适合用作椎间融合器的生物力学特性和更长的降解时间，是目前可吸收椎间融合器中研究最多的材料。PLA[10]包括结晶性的左旋多聚乳酸(Poly-L-Lactide, PLLA)、右旋多聚乳酸(Poly-D-Lactide, PDLA)和无定形的消旋多聚乳酸(Poly-DL-Lactide, PDLLA)以及由此衍生出不同比例的复合物。如常用的70∶30 PLDLLA是指含有70%PLLA和30%PDLLA的复合物。此外，还有PLA材料与其他材料( 如PGA和钙磷复合物)的复合多聚体。

3 可吸收椎间融合器的生物力学研究

van Dijk等[11]在山羊腰椎间置入PLLA-Cage对其生物力学特征进行了研究。他们设计出与正常羊椎节具有相同屈服及极限强度的PLLA-Cage，并以是否充填自体骨及置入时是否刮除软骨终板分为4组，此外还设置了有齿及光滑边缘的钛合金组，结果显示PLLA 4组都获得了满意的初始稳定性，并且都未影响对椎节原有的耐压强度。但是，与自体椎节和有齿的PLLA组相比，有齿的钛合金组对椎节的耐压强度产生了显著的负面影响，他们分析这可能是由于钛合金锯齿缘在椎间局部形成了高压强而降低了椎体压缩强度造成的。

许多实验研究显示PLA Cage具有足够的力学强度及良好的分解速率可满足脊柱融合的要求[12-13]。而Krijnen 等[14]研究证明行单独使用PLA Cage融合后3～6个月内，融合器提供的力学强度不够，融合节段不稳定，融合率明显低于辅助有其他内固定融合组，因此，为提高融合率建议应用可吸收椎间融合器的同时辅助其他方式。为了进一步改善聚乳酸材料的性质，提高其力学强度，近年来有许多学者进行了大量的尝试，例如将PLA与其他无机颗粒如磷酸三钙，羟基磷灰石等物质共混来提高去生物力学强度。Cao 等[15]制作一种新的颈椎椎间融合装置，将PLA和纳米大小的β三磷酸钙混合(bioabsorbable, self-retaining cervical fusion cage，BCFC)形成的复合材料，并通过将32只山羊的C3/C4颈椎标本随机分为4组：自体三面皮质髂骨组、美敦力PEEK Cage组、Solis Cage组和BCFC组，采用加载准静态非约束力矩进行前屈、后伸、侧屈和旋转的生物力学测定并比较各组间的活动度。结果发现：在加载侧屈和旋转力矩时，BCFC组和其他组相比显著降低了活动度，然而加载前屈和后伸时，BCFC与两种PEEK Cage在颈椎活动度上无显著差异。并且发现颈椎前路钢板可以显著降低颈椎活动度，但是在BCFC组和自体三面皮质髂骨组加钢板内固定组的侧屈和旋转实验中，颈椎前路钢板并未显著降低活动度。他们认为BCFC和自体三面皮质髂骨和PEEK Cage在单节段前路颈椎切除融合术中具有更好的生物力学稳定性。Chunguang等[16]做了类似的研究，他们将多元氨基酸共聚物/磷酸钙(tricalcium phosphate, TCP)复合材料椎间融合器(MAACP/TCP Cage)置入山羊C3/C4椎间隙中，并与钛合金Cage、三面皮质髂骨进行对照。通过对前屈、后伸、侧屈和旋转的生物力学测定来计算各组的活动度，并进行了影像学和组织学的评价，在与钛合金组、髂骨组比较后，他们认为MAACP/TCP Cage可为山羊颈椎椎间融合提供足够的初始力学稳定性。因此，单纯的生物可吸收材料的融合器可能无法提供足够的力学稳定性，可吸收材料与其他无机颗粒物质的混合并结合内固定等技术可能是未来研究的方向。

4 可吸收椎间融合器的临床应用

4.1 腰椎手术

早在1999年便有对15例腰椎退变性疾病患者行后路腰椎椎间融合术(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)置入可吸收椎间融合器的报道[17]，平均随访时间为14.2周，所有患者的椎间隙高度和椎间孔直径均得到较好地维持。但是存在的问题是随访时间短，无法观察可吸收椎间融合器在稳定性，症状改善方面的远期疗效。

此后陆续出现了很多的可吸收椎间融合器在腰椎手术中应用的报道。2002年Lowe等[18]应用70∶30 PLA加工成柱形可吸收椎间融合器对60例患者行腰椎椎间融合术，术后平均随访4.7个月，结果显示患者得到了较为满意的融合率，未出现与融合器相关的并发症。Couture等[19]进行了类似的研究，他们对27例腰椎退变性疾病患者行PLIF术，置入70∶30 PLDLLA矩形椎间融合器，填充自体骨，术后平均随访26个月显示融合率为95.5%，且融合率随着融合节段增多而减少。此后还出现了许多报道均提示可吸收椎间融合器可以提供较为满意的融合率[20-21]。

然而PLDLLA Cage与传统Cage的长期疗效对比研究却并非都显示支持的结论。在Jiya等[22]对26例患者使用PLDLLA Cage和PEEK Cage的进行了随机对照研究，并进行了长达2年的疗效随访。结果发现2组在6～12个月时，两组症状评分都获得了较明显改善，但在24个月时改善情况有所下降。并且无论是VAS还是ODI量表，与PEEK组相比，PLDLLA组术后症状改善不明显：PLDLLA组改善10%以上患者人数占50%，而PEEK组占71%。通过CT扫描发现，92%的PEEK组患者获得了牢固融合，而PLDLLA组为50%。他们认为2组间融合率的差异导致了症状改善情况的不同，而PLDLLA组较低的融合率与PLLDLLA Cage较早发生溶解(术后3个月)有关。

4.2 颈椎手术

Lanman 等[23]对20例退变性颈椎间盘疾病患者行单节段或多节段颈椎前路融合术，植入70∶30 PLDLLA椎间融合器，并填充重组人形态发生蛋白-2(recombinant human transforming growth factor-2, rhBMP-2)，平均随访6个月。3个月时X线及CT显示所有患者均达到椎间融合；6个月时17例患者CT显示均保持融合状态；患者简明健康量表-36(short form health survey-36, SF-36)评分均得到不同程度的改善。

Debusscher等[24]在20例颈椎病患者中使用27个由60%βTCP和40%的PLLA混合的材料Cage，平均随访27个月，CT显示融合率为96%；颈部疼痛改善率为55%，臂痛改善率为85%，未发生Cage移位、骨溶解等并发症。

综上所述，可吸收椎间融合器可能在早期会提供较好的机械强度，但是其远期效果特别是在患者症状改善方面可能不如传统的椎间融合器，加用内固定或者使用可吸收材料与其他材料的复合材料可能会增加其融合率，并减少融合器相关并发症的发生。

5 存在的问题及展望

尽管可吸收椎间融合器解决了生物力学强度和对于影像学判断的影响2方面的问题，但是其本身特别是在临床应用中还存在着一系列不足，例如其分解产物导致的无菌性炎症反应和融合器断裂导致的融合失败等问题，Frost 等[25]对于9例行PLIF术的患者术后骨溶解并发症发生情况的随访中发现，4例患者发生了骨溶解，其中1例患者通过再次手术取出了融合器。他们认为PLDLLA Cage可能不适合作为融合器的材料。

在临床的研究中可以从以下几个方面进行改进：①增大样本量；②按照不同的脊柱病理类型及节段数进行分类，严格筛选病例；③增加关于可吸收椎间融合器降解方面的研究。

总之，作为一种新兴技术，可吸收椎间融合器在脊柱外科的应用尚处于初级阶段，相关问题仍需进一步的研究和解决，趋势可能是复合材料的使用以及外科多种手术技术的结合，相信通过材料学和临床的研究合作，可吸收脊柱椎间融合器会逐渐取代传统的融合器。

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