采用椎间融合器实施PLIF的LDD患者术后椎间融合器下沉影响因素研究进展

袁照 ，梁体洪 孙红 ，宁旭

1 贵州医科大学临床医学院，贵阳 550004；2 贵州医科大学附属医院骨科

腰椎退变性疾病（Lumbar Degenerative Disease，LDD）是骨科的常见病，是临床上最常见的腰腿痛病因［1-2］。严重的LDD常需手术干预。后路腰椎椎间融合术（posterior lumbar interbody fusion，PLIF）是目前临床治疗LDD的主要手术方式，可重建患者的脊柱稳定性，具有减压效果可靠、植骨融合率高等优点［3］。为恢复椎间高度、保持脊柱稳定性，PLIF术中常会进行植骨融合。临床上常用的植骨融合方式有单纯植骨及使用椎间融合器（cage）进行植骨两种。与单纯植骨者比较，使用cage进行植骨后植骨融合率较高，且保持椎间隙及椎间孔高度，增强脊柱稳定性方面效果较好，因此，使用cage进行植骨是临床最常用的植骨融合方式［4］。部分患者PLIF术后出现cage下沉现象。Cage下沉会一定程度上降低椎间隙高度，影响手术减压效果［2-3］，导致疼痛、椎骨对位不良、椎体节段不稳及骨不连［5］。了解PLIF术后cage下沉的影响因素，有助于预防PLIF术后cage下沉。现从cage的选择、术中手术操作及患者自身因素等方面，对PLIF术后cage下沉的影响因素研究进展综述如下。

1 Cage下沉的诊断及分型

“Cage下沉”是描述腰椎融合术后，cage陷入邻近椎体内部进而导致椎间隙高度降低的影像学术语［1］。目前，临床关于cage下沉的定义尚未完全统一。有学者［5］认为，脊柱融合术后X线片上的任何终板结构的破坏都可定义为cage下沉。目前多数文献［6-8］采用量化标准对cage下沉进行定义，将术后椎间隙高度降低超过2 mm定义为cage下沉。

X线及CT影像学检查结果是cage下沉的主要诊断依据。如钛合金等非放射通透性cage下沉可表现为终板正常结构的破坏，cage出现在相邻终板内部，部分患者可伴随骨小梁不连续、植骨吸收等现象［9］。而对于如聚醚醚酮（PEEK）等放射通透性cage而言，在X线片上则很难发现轻度的下沉，而在CT扫描上可表现为终板结构破坏、骨溶解吸收、椎间隙塌陷及cage移位等［9］。

目前cage下沉的分型方法主要有以下几种：①根据患者是否伴随临床症状，将cage下沉分为临床学下沉和放射学下沉［5］。②根据术后椎间隙降低的距离，其分为轻、中、重度下沉，轻度下沉指术后椎间隙降低＜2 mm；中度下沉为3～5 mm；下沉＞6 mm则为重度下沉［10］。③根据术后腰椎X线片上椎间隙高度降低的比值将下沉分为0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。椎间隙高度降低比值＜25%为0级下沉，25%～50%为Ⅰ级，50%～75%为Ⅱ级，75%～100%为Ⅲ级；降低比值＜50%（即0和Ⅰ级）为低级下沉，＞50%（即Ⅱ和Ⅲ级）为高级下沉［2］。

2 PLIF术后cage下沉的影响因素

PLIF术后cage下沉是多因素共同作用的结果，cage相关因素如合成材料、大小及形态；手术操作因素如cage放置的位置、终板的处理、手术节段、椎间高度矫正值和节段性前凸角矫正值；患者自身因素如骨质疏松、体质量指数、年龄、性别、吸烟及糖尿病等。

2.1 Cage相关因素

2.1.1 Cage合成材料 合成材料是影响PLIF术后cage下沉的重要因素，随着椎间融合技术的发展，cage合成材料的种类日益繁多。临床上使用的cage的合成材料来源主要分为钛合金（Titanium alloy）、PEEK、钛涂层聚醚醚酮（Titanium-coated PEEK TCP）、纳米羟基磷灰石/聚酰胺66（n-HA/PA66）、钽（tantalum）、可降解类高分子聚合物如聚左旋消旋乳酸共聚物（PLDLLA）等。

钛及其合金自20世纪40年代以来就已广泛用于临床，目前仍是cage制造的主流材料之一［11］。然而钛合金弹性模量较大（70～100 GPa），而皮质骨弹性模量一般为 18.6 GPa［12］，致使钛合金 cage具有更大的下沉风险。NEMOTO等［9］通过对术中使用钛合金cage进行腰椎融合术的患者随访发现，其2年下沉率高达35%。CAMPBELL等［13］通过对腰椎融合术后患者进行1年的随访，并采用Marchi分型标准对cage下沉进行分级，结果发现0级下沉率高达80%，Ⅰ级下沉率为15.6%，Ⅱ、Ⅲ级下沉为2.2%。除了因弹性模量较大致使术后cage下沉率较高外，钛合金还具有射通透性较差，不便于术后急性影像学评估，这使得传统钛合金cage逐渐被PEEK等弹性模量较小且放射通透性好的材质取代。3D打印技术可将钛合金制成多孔状结构，3D打印的钛合金（3D-printed titanium）或称三维多孔钛合金（3D Porous Titanium Alloy 3D PTA）不仅具有较低的弹性模量，其优点还包括：①保留了钛合金良好的生物相容性；②具有较好的放射通透性，便于术后影像学评估；③其粗糙的表面，有利于初始稳定性、骨细胞黏附及增殖；④相互贯通的微孔结构利于细胞增殖、血管形成及维持腰椎的长期稳定［14］。研究［8］发现，与PEEK组相比，3D打印钛合金组Ⅰ～Ⅲ级下沉患者的总体下沉率显著降低。对于，3D打印的钛合金Ⅱ、Ⅲ级的高级别下沉下沉率（3.0%）也显著低于PEEK（18.5%）。进一步多因素分析结果显示，与PEEK组相比，3D打印的钛合金组患者发生严重Cage下沉的可能性较小。

PEEK 是一种疏水聚合物，在生物力学上类似于人皮质骨，具有良好的放射通透性，有利于术后影像学评估融合状态，且弹性模量相当于人骨的弹性模量，可有效防止下沉等，目前临床应用广泛。研究［5］发现，腰椎融合术后PEEK cage下沉率约为14%。NEMOTO等［9］通过对术中使用不同材质cage的患者进行2年的随访发现，PEEK组下沉率为28%，而钛合金组下沉率为35%。一项钛合金与PEEKcage对比荟萃分析［15］发现，钛合金组下沉率介于16%～35%，而PEEK组下沉率介于0%～28%。与PEEK组相比，钛合金组的下沉率具有统计学意义。钛合金cage的下沉明显高于PEEK，这可能与两者的弹性模量密切相关，PEEK的弹性模量接近于人骨，而钛合金的弹性模量则远超人骨。但PEEK在化学上是惰性的，不利于促进细胞粘附以及骨接触［11］。TCP则兼顾了钛和PEEK两者的优点，其表面的钛涂层能够提供良好的生物相容性及耐腐蚀性，而PEEK则为其提供和骨质相当的弹性模量［16］。一项关于PLIF术中使用TCP和三维多孔钛合金（3D PTA）材质cgae的临床对照研究［17］结果表明，3D PTA 组的cage下沉程度明显低于TCP 组。

羟基磷灰石是动物骨骼的主要无机成分，在骨代谢过程中起着重要作用，并具有一定诱导新骨形成能力。DENG等［18］通过对术中使用纳n-HA/PA66和聚醚醚酮材质cage的患者进行随访发现，两组之间的临床和影像学结果无显著差异。最终随访时，n-HA/PA66组和组cage下沉率分别为7.55%和8.99%。两种材质在最终随访时的cage下沉率相近，这可能与两者的弹性模量相近有关，PEEK弹性模量接近于人骨，在生物力学上类似于人皮质骨，而羟基磷灰石则是动物骨骼的主要无机成分，其弹性模量与人骨相当。通过其他不同材质之间cage下沉率的对比也不难发现，弹性模量是导致不同材质的cage下沉率不同的重要因素，弹性模量越接近人骨，其术后cage下沉率越低。

钽作为一种新型骨科内植材料。临床上，为避免应力遮挡常将钽制成多孔状，多孔钽外观类似于人松质骨，具有良好的生物相容性、高孔隙率以及与骨相似的弹性模量等优点［19］。PATEL等［20］认为多孔钽材质的cage弹性模量与人骨的弹性模量相近，可以更好地传递载荷，增加植骨融合率，减少术后并发症的发生率。研究［21］发现，钽材质cage下沉（＞3 mm）发生率为26.82%。随访时间≥3年的患者中，在第2年之后cage下沉没有明显进展。但该研究中将cage下沉定义为术后椎间隙高度降低＞3 mm，不同于目前多数研究界定的＞2 mm，所以该研究结果有待于进一步商榷。多孔钽材质的cage在减少术后cage下沉方面是否更具优势还需进一步研究证实。

可降解类高分子聚合物材料如聚乳酸及其衍生物如聚左旋消旋乳酸共聚物（PLDLLA）等，具有较好的组织相容性，能被逐渐分解成小分子物质。JIYA等［22］在一项前瞻性随机对照试验中将可吸收的70/30聚左旋消旋乳酸（PLDLLA）和PEEK材质cage分别各植入13例腰椎疾病患者，随访发现PLDLLA组cage下沉率明显高于PEEK组，且PLDLLA组中发生了2例骨溶解，作者认为骨质溶解与术后存在轻度感染有关，而骨质溶解会导致cage下沉。

2.1.2 Cage大小及形态 PLIF术后cage下沉与cage的大小及形态密切相关。较大的cage可以更好地承担压力，减小cage与终板接触界面单位面积的压力，进而减少cage下沉的发生率。Lang等［23］通过对21例椎间融合术后患者进行随访，以研究术中使用不同尺寸的cage对术后的影响，作者发现与尺寸较小的cage相比，宽大的cage术后下沉率更低。一项生物力学实验研究［24］发现，更大的cage需要更大的力来承受5mm的下沉，cage的轴向面积与5 mm下沉时的受力有很强的相关性，轴向面积每增加1 mm2对应的力约增加8N。PEKMEZCI等［25］研究发现，cage的表面积越大越能够提供更好的生物力学性能，可一定程度上减少cage下沉，且cage形态对术后下沉也有影响，矩形cage较环形cage具有更强的破坏负荷。PALEPU等［6］认为与终板凹度相匹配的cage有助于将压缩力更均匀地分布在终板上，并可减少cage下沉。

2.2 手术操作因素

2.2.1 Cage的放置位置 PLIF术后cage下沉与其在终板上放置的位置显著相关。HUENG等［26］通过体外生物力学实验发现，椎体终板后外侧能提供更好的支撑强度，可降低cage下沉率。HOU等［27］研究也发现腰椎终板外周区域支撑强度高于中心区域，椎弓根后外侧部位支撑强度最高，作者认为应将cage放置在周围区域，特别是后外侧，以获得更高的支撑强度，尽可能减少下沉。然而研究［28-30］发现，在椎体终板后侧放置cage是术后cage下沉的危险因素。这可能与体外生物力学实验主要通过测量终板不同位置的支撑强度来预测其cage下沉率有关，而PLIF手术操作时，容易损伤椎体后侧终板，使其支撑强度下降，从而增加下沉风险。

2.2.2 终板的处理方法 终板作为椎体与cage之间的界面，在分担椎体压力及诱导植骨融合方面起着非常重要的作用。研究［28-29］发现，椎体终板损伤会导致cage下沉发生率显著增加，完整的终板结构可减少cage下沉的发生。MARCHI等［31］研究发现，完整的终板虽能保证其最大支撑强度，但不能为植骨区域提供充足的血供，导致融合率下降，而终板下的松质骨血供丰富，具有良好的骨诱导性，能促进植骨融合，但过多地刮除终板的骨性结构会增加cage下沉风险。因此，术中可适当刮除终板的骨性结构致终板少量渗血，以期在保障终板支撑强度的情况下，增加植骨区域的血供，促进植骨融合，减少cage下沉风险。

2.2.3 手术节段 Cage下沉是否与手术节段有关，目前仍存在较大争议。AMORIM等［30］研究发现，术后cage下沉与手术节段有关，在L2-3椎体之间放置cage是术后cage下沉的危险因素。沈鲲等［32］报道，L5-S1椎间手术是术后cage下沉的危险因素，作者认为这与L5-S1节段承受更大的腰椎压缩负荷有关。陈双等［29］通过Meta分析发现L5-S1节段手术与术后cage下沉的关联无统计学意义。张慰［33］研究则表明术后cage下沉与手术节段之间没有相关性。然而这些研究都存在单中心、样本量小等不足，PLIF术后cage下沉是否与手术节段相关还需多中心、大样本的临床研究证实。

2.2.4 椎间高度矫正值和节段性前凸角矫正值椎间高度矫正值和节段性前凸角矫正值是指术后椎间高度及节段性前突角与术前的差值。在行PLIF手术时，为恢复腰椎椎间隙高度及节段性前凸角，通常会使用椎间撑开器将椎间隙撑开，经处理完椎间盘及终板后植入大小适合的cage，并依靠腰椎的弹性回缩实现椎间加压，以起到稳定cage的效果。适度的矫正椎间高度及节段性前突角能使终板与cage之间受力均匀，减少术后 cage下沉率。研究［29，33］证实，椎间高度矫正值及节段性前凸角矫正值是术后cage下沉的危险因素。

2.3 患者自身因素 除上述外部因素外，患者自身因素也会影响术后cage下沉。骨质疏松是报道较多的术后cage下沉的危险因素。骨质疏松使患者骨量减少、骨微结构破坏及骨脆性增加，这些病理变化使得cage更容易陷入邻近椎体终板，从而出现cage下沉。研究［28］发现，与无骨质疏松患者相比，骨质疏松患者发生cage下沉的风险更大。PALEPU等［6］指出，骨密度与PLIF术后cage下沉具有显著相关性，作者认为与终板形态相比，椎体内的骨小梁体积分数对cage下沉有更大的影响。HOU等［27］研究也发现骨密度与终板的破坏载荷紧密相关，骨密度降低会导致终板的破坏负荷下降，进而增加cage下沉风险。终板体积骨密度（EP-vBMD）及Hounsfield（HU）值是目前运用较多的反映患者椎体骨质疏松程度的指标。JONEs等［34］通过回顾性队列研究发现EP-vBMD下降是术后cage下沉的重要危险因素。另一项研究［35］也发现EP-vBMD与术后cage下沉有关，作者还介绍了一种新的基于CT的vBMD测量方法，并用于评估cage下沉风险。XI等［36］研究发现术前CT扫描中较低的HU值（＜135.02），是术后cage下沉的危险因素，因为HU值越低，患者骨质越疏松。Amorim等［30］通过对165例患者（123例TLIF和42例PLIF）进行回顾性研究发现HU值＜135是术后cage下沉的独立危险因素，骨密度低是效果不佳的预测因子。因此，对于老年患者在行PLIF手术前应常规进行骨密度检测或腰椎CT检查并测量其EP-vBMD及HU值，对存在骨质疏松或CT提示其EP-vBMD及HU值下降的患者应进行抗骨质疏松治疗，以减少术后cage下沉的发生。

目前，关于患者BMI、年龄、性别、吸烟及糖尿病等与术后cage下沉的相关性仍存在一定争议。YAO等［7］通过对腰椎融合术后患者进行2年的随访发现，术后cage下沉组的BMI显著高于未下沉组。而另一项研究［37］却发现，BMI值正常的患者与BMI升高的患者cage下沉率相似，作者认为术后cage下沉与患者BMI无相关性。CHEN等［38］研究发现，术后cage下沉与女性和较高的BMI有关，但也有学者认为患者性别及MBI与cage下沉无明显相关性［28］。AMORIM等［30］研究表明，年龄是术后cage下沉的危险因素。然而，XI等［36］通过对腰椎融合术后的患者进行1年的随访发现，BMI、年龄、性别和吸烟不是术后cage下沉的危险因素。JONES等［34］研究也发现BMI和糖尿病与术后cage下沉没有相关性。

综上所述，cage下沉是PLIF术后常见并发症之一，多数学者将术后椎间隙高度降低超过2 mm定义为cage下沉，并通过术后椎间隙高度降低距离、降低比例及是否伴随临床症状进行分型。PLIF术后cage下沉与cage的合成材料、大小及形态、cage放置位置、终板处理、椎间高度矫正值和节段性前凸角矫正值以及患者骨质疏松等有关。Cage下沉是否与手术节段及患者自身因素如BMI、年龄、性别、吸烟及糖尿病等有关，今后仍需进一步探究。在行PLIF手术时，应尽量选择弹性模量与人骨相当的如PEEK、3D打印的钛合金以及钛涂层PEEK等材质的宽大矩形cage；手术操作过程中应避免在椎体终板后侧放置cage，并进行适度的终板处理，适量的矫正椎间高度及节段性前突角；术前进行骨密度检测或腰椎CT检查并测量其EP-vBMD及HU值，对存在骨质疏松或CT提示其EP-vBMD及HU值下降的患者应进行抗骨质疏松治疗，可预防术后cage下沉的发生。