零切跡頸椎椎間融合器是對傳統融合術產品的改進，對新興人工椎間盤產品的必要補充，應用時能夠保留傳統融合術的優勢，又能降低術后并發癥，并能應用在置換術的禁忌癥狀下。本文匯總了近年來臨床上普遍認可、廣泛應用的零切跡頸椎融合器產品，綜述了零切跡頸椎融合器的結構設計和材料研究進展，并結合最新研究趨勢，展望了零切跡頸椎椎間融合器的未來發展方向。
引用本文： 祝佳, 王松, 廖振華, 劉偉強. 零切跡頸椎椎間融合器設計與研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(1): 150-155. doi: 10.7507/1001-5515.201604049 復制
引言
隨著社會生活節奏加快，工作方式變化，人們長時間伏案工作于空調環境，易受風寒侵襲，加之體育鍛煉不足，頸椎病發病率逐年升高[1]，近年有關文獻報道，發病人群有年輕化的趨勢，青少年頸椎病發病率已達到 10% 以上[2]。
頸椎病的治療有非手術療法和手術療法。非手術療法包括理療、牽引、推拿、針灸、按摩以及藥物治療等方式，能緩解頸椎病病情，減輕疼痛癥狀，但不能根除病痛源，相當比例的患者需進行手術治療。人工頸椎間盤置換術（artificial cervical disc replacement，ACDR）和頸椎前路減壓融合術（anterior cervical decompression and fusion，ACDF）是目前臨床上普遍應用的兩種手術療法。ACDR 能有效解除病痛，恢復病變節段正常椎間高度以及生理彎曲度，保留手術節段的活動度，正確傳遞上下椎體間載荷及應力，有廣闊的應用前景[3]。但該術式有嚴格的手術適用癥，手術節段脊柱畸形、嚴重骨質疏松、骨軟化、關節面疾病、Ⅱ級以上椎體滑脫、骨性椎管狹窄及椎間盤退變引起的節段性不穩定等病況下并不適用，需要采用 ACDF[4]。ACDF 一直被視為頸椎病治療的金標準，能夠解除患者疼痛，恢復手術節段正常生理彎曲度和穩定性，但術后存在鄰近節段退行性病變以及吞咽困難等并發癥，部分患者需要二次手術[5-6]。
基于以上情況，將零切跡融合器產品應用于 ACDF 中，既能保留傳統術式的優點，又能有效地降低傳統術式術后并發癥發生率，同時還可以應用于 ACDR 的禁忌癥下，是兩種術式之間一種必要的銜接術式。
基于對頸椎解剖結構和生物力學特性的分析以及對 ACDF 效果評估標準的參考，我們概括出零切記融合器設計目標：有效緩解或根除患者疼痛癥狀，恢復頸椎正常椎間隙高度和生理彎曲度，保證手術節段較好術后融合效果，提供手術節段較佳生物力學穩定性，降低術后吞咽困難、鄰近節段退行性病變等術后并發癥的發生率[7-9]。本文將從零切記融合器的結構設計和材料設計兩個方面來綜述其設計原理和研究現狀，并結合產品國內外需求，展望其發展方向。
1 零切跡融合器結構設計
零切跡融合器采用頸前零切跡設計，植入后完全位于椎體間隙內，可有效降低或避免鄰近節段退行性病變和術后吞咽困難等并發癥[10]，是對傳統融合術產品的改進，又是對新型人工頸椎間盤置換術產品的必要補充。目前臨床上常見的代表性產品詳細情況如表 1 所示。
表1
臨床上常見的幾種零切跡融合器產品
Table1.
Several clinically common zero profile products
零切跡融合器的結構設計直接關系到零切跡融合器應用于臨床時能否達到預期臨床效果，是產品研發與應用的關鍵步驟之一，本文對現有零切跡融合器產品的設計原理綜述如下。
1.1 整體結構設計
零切跡融合器整體結構設計形式直接決定了該產品臨床應用效果的優劣，是產品設計時首先要考慮的，現有產品主要有三種整體結構類型。
（1）融合器-緊固螺釘結構：融合器內腔填充自體骨碎屑或骨替代材料，采用三個自攻絲緊固螺釘固定，如產品 CHESAPEAKER（K2M公司）、WeMUST（YELLOWSTEPS公司）、STALIF-C（Centinel Spine公司）等。而產品 PRO-Link（Life Spine公司）、PEEK PREVAIL（Meditronic公司）、C-Cur（S14 IMPLANTS公司）、Locked Cervical Cage（Synimed Spine公司）等，融合器采用的是兩個可變角度螺釘固定。
（2）固定板-融合器-緊固螺釘結構：固定板與融合器預先安裝好，采用緊固螺釘固定。產品 Zero-P（DePuy Synthes公司）、Vault-C（Precision Spine公司）、Zero-P VA（DePuy Synthes 公司）等均是此種結構設計形式。固定板與融合器的結合方式主要有間隙配合方式（如產品 Zero-P）、機械鎖合方式（如產品 Vault-C）和螺釘連接方式（如 Alphatec Spine 公司產品 Pegasus）。
（3）融合器-其它固定方式結構：融合器產品 ROI-CTM（LDR公司）植入椎間隙后，采用雙弧形自鎖板結構固定，產品 ASPEN SE（Innov’spine公司）采用旋轉式固定片固定融合器。
目前，臨床應用多采用固定板-融合器-緊固螺釘結構設計形式，滿足結構設計目標、固定可靠且使用壽命長。而新型結構設計，如產品 ASPEN SE，因設計形式簡單，簡化植入手術過程，縮短手術時間，設計理念受到越來越多設計者和醫生的認可，具有較為廣闊的應用前景。
1.2 融合器主體設計
融合器主體設計主要包括：矢狀面輪廓設計、足印面設計、填充內腔設計和即刻固定設計。
（1）矢狀面輪廓設計：矢狀面輪廓主要有弧形（Convex）、楔形（Lordotic）、平行（Parallel）三種。Convex 融合器上表面弧形設計與人體椎體下表面弧形輪廓一致，融合器平直下表面與人體椎骨平直上表面相配合，符合人體椎體正常結構形態，能夠保證融合器與椎體骨充分結合，減少手術中椎體骨的切除量。Lordotic 融合器平直上、下表面呈 6° 或 7° 夾角，植入方向前端高度低于末端高度，符合人體頸椎的正常生理彎曲角度，應用在不同骨骼形態和骨骼尺寸的患者中，具有通用性強的特點。Parallel 融合器上、下表面均是水平平面，應用于一些特殊病況（如椎體骨斷裂等）。
（2）足印面設計：產品 Zero-P、Zero-P VA、COALITION（Globus Medical公司）等采用梯形足印面；而產品 Locked Cervical Cage 設計為半圓形足印面；產品 ROI-CTM、MC+?（LDR公司）為拱形足印面；產品 PEEK PREVAIL 采用錨形足印面，此外還有其他一些形狀不規則的足印面設計。足印面設計基本原則是在椎體橫斷面尺寸范圍內，增大融合器主體與椎體接觸面積，提高融合率。
（3）填充內腔設計：Zero-P、Zero-P VA 等產品采用拱形填充內腔，產品 COALITION 采用梯形填充內腔，產品 Locked Cervical Cage 采用半圓形填充內腔，產品 ROI-CTM、MC+? 采用近似圓形填充內腔，產品 STALIF-C 采用近似橢圓形填充內腔，產品 PEEK PREVAIL 采用兩個近似半圓形填充腔置于融合器主體兩側，還有一些非規則形狀填充腔設計。填充內腔設計基本原則，增加內腔容量，增大接觸面積，提高術后融合率。
（4）即刻固定設計：足印面表面設計有一定形狀的即刻固定結構，是為了提供臨時固定，防止植入物移位，是為了提高植入位置精度。Zero-P、Zero-P VA、COALITION 等產品表面呈陣列形式均布四棱錐形倒齒，產品 Locked Cervical Cage 表面均布成排半圓形凸起，PEEK PREVAIL、STALIF-C、ROI-CTM 等產品表面則均布成排鋸齒狀凸起。
1.3 長期固定設計
有效的長期固定可以防止零切跡融合器脫出、下沉等發生，保證其正常功能。長期固定形式可以分為：螺釘固定、自鎖板固定以及其它固定形式。
（1）螺釘固定：螺釘固定牢固可靠，大部分產品均采用螺釘固定設計。Zero-P VA、Locked Cervical Cage、C-Cur 等產品采用兩個可變角度自攻絲螺釘，產品 STALIF-C、CoRoent Small Interlock（NuVasive公司）、INDEPENDENCE（Globus Medical公司）等產品采用三個可變角度螺釘結構，產品 Zero-P 采用四個固定角度自攻絲螺釘。
（2）自鎖板固定：產品 ROI-CTM 采用兩個弧形自鎖板實現零切跡融合器的長期固定，產品 MC+? 采用一個平直自鎖板。
（3）其它固定形式：產品 ASPEN SE 采用旋轉式固定片固定融合器于上、下椎體上，產品 Pegasus 采用兩個非自鎖弧形板。
總體上，螺釘固定應用普遍，技術成熟，并且在不斷改進（如產品 STALIF-C 使用的拉力螺釘），是目前設計者首選。
2 零切跡融合器材料設計
零切跡融合器材料必須具有良好的生物相容性、無毒性、無致癌性，并且耐磨、耐腐蝕，還需具有與骨組織相近的彈性模量、抗變形能力和抗疲勞強度，以確保植入人體后的使用壽命[11]。本文將從融合器材料、固定板材料和緊固螺釘材料以及生物涂層材料三方面綜述零切跡融合器材料選擇及應用效果。
2.1 融合器材料
（1）金屬材料：①鈦合金：生物相容性好，在一定范圍壓力作用下，可產生輕微形變以適應植骨環境，利于提高融合率，但會遮擋 X 射線，對觀察內部融合情況有一定影響[12]。②記憶合金（如鎳鈦記憶合金）：其特點是力學性能優越，抗變形、抗扭轉以及承載能力強，在撐開椎體間隙、保持椎體間高度和促進融合方面效果良好，具有較大的研究和應用價值[13-14]。
（2）生物非吸收材料：①高分子聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）：一種人工合成的高性能多聚體材料，彈性模量接近正常椎體骨，介于皮質骨與松質骨之間，生物力學性能突出，能有效減少應力遮擋及融合器下沉，避免椎體間隙變小[15]，并可透過X射線，也可行計算機斷層掃描（com-puted tomography，CT）、核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）檢查，且具有良好的抗腐蝕性以及生物相容性，經臨床使用后沒有毒性反應的報道[12]。②碳纖維材料：具有良好的生物活性，彈性模量接近正常椎體骨彈性模量，生物力學特性也接近皮質骨，應力遮擋較小、融合率高，可提供植骨所需的力學環境，而且可透過X射線，便于對術后植入物融合情況進行評估，但是脆性較大，長期觀察發現存在融合器破裂等問題，從而容易引起組織學反應[16-18]。③羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）與左旋聚乳酸（poly-levogyr-lactic acid，PLLA）復合材料：有良好的生物力學性能，彈性模量與人體骨相近，該材料用于融合器可以滿足臨床應用需求[13]。
（3）生物可吸收性材料：①高分子量聚消旋乳酸（poly-dextrogyr，levogyr-lactic acid，PDLLA）： 可被人體完全吸收，彈性模量與正常人體椎骨接近，力學特性及降解后的力學改變能夠滿足椎間植骨融合要求，降解可避免融合器應力遮擋現象，可在一定程度上促進融合 [13]。但 PDLLA 分解產物導致的無菌性炎癥反應、融合器斷裂導致的融合失敗等問題是其不足之處，目前還處于研究的初級階段 [18-19]。②70/30 聚左旋消旋乳酸（poly-levogyr-lactic-co-dextrogyr，levogyr-lactic acid，PLDLLA）：由 70% 的 PLLA 和 30% 的 PDLLA 制成，應用于臨床時早期性能優良，但植入人體后，會在完全融合之前發生降解，融合效果較 PEEK 融合器仍有很大差距，有形成假關節等并發癥的風險[20]。
目前，PEEK 材料融合器在臨床上應用最多。近些年，對生物可吸收材料的研究越來越多，我們相信隨著科學技術進步，該材料可通過多聚化、納米化、復合化等多種方式，使其各項性能逐漸滿足臨床應用的要求。
2.2 固定板和緊固螺釘材料
前文提及的零切跡融合器固定板和螺釘結構，實際上是頸椎前路固定技術的一種，因此其材料的研究與應用，也主要依據頸椎前路固定技術的材料研究成果。
前路固定板材料主要有：不銹鋼、鈦合金、可吸收材料（如：PLLA 等）。其中，不銹鋼材料惰性好、耐蝕性強、適合制作固定器械，但與骨材料的組織相容性以及機械相容性均不好，因而應用范圍受到限制。鈦合金材料性質穩定、惰性大、耐酸、耐腐蝕且組織相容性好，對細胞的毒性極低，質量輕、抗拉強度和屈服強度較好，不透 X 射線，是理想的內固定植入材料。相應的另一種可吸收材料（如：PLLA 等）其彈性模量與骨組織相似，作為固定物在體內的降解避免了金屬物的應力遮擋效應，材料最終降解吸收或排出體外，可使患者避免二次手術，因此應用前景較為廣闊[21]。
目前，鈦合金是臨床應用最廣泛的固定板和緊固螺釘材料[22]。雖然可吸收材料在前路手術傳統固定板應用中有廣闊的前景，但零切跡融合器的固定板需要為緊固螺釘提供牢固的鎖定界面，不適合應用可吸收材料。
2.3 涂層材料
金屬材料彈性模量與椎體骨彈性模量相差較大，融合效果欠佳，因此，金屬融合器表面常添加涂層材料以提高手術節段融合率，常用的涂層材料有磷酸鈣、羥基磷灰石和硅酸鈣涂層等，均有良好的生物相容性和骨誘導性 [23]。隨著融合器材料的發展，PEEK 材料由于生物力學性能突出，具有良好的生物相容性等，被臨床普遍認可接受。Centinel Spine 公司將融合器產品 STALIF C-TiTM 表面噴涂鈦活性涂層，該產品展現出來與皮質骨相似的彈性模量，相對于純鈦融合器，植入物下沉幾率下降了 6 倍[24]；產品 STALIF C-TiTM 的融合器采用 PEEK 材料，盡管表面噴涂鈦活性涂層，但仍保持 PEEK 的射線可透特性，與傳統前路鈦板加融合器植入術有相當的生物力學特性 [25]。然而，Kienle 等[26] 研究發現，有鈦涂層的 PEEK 融合器應用于手術節段，一段時間以后涂層材料會以磨屑形式丟失，磨屑可能會引起術后慢性感染等并發癥。
3 結語與展望
如表 1 所示，目前國內零切跡融合器全為進口產品，主要采用固定板-融合器-緊固螺釘結構形式，材料組合為 PEEK 和鈦合金，尺寸系列較為完善。隨著國內人群生活質量水平不斷提升，對產品個性化、前沿性、安全性的要求也越來越高。基于此需求，我們預測未來零切跡融合器產品的發展主要有以下幾個方向：
（1）面向種群設計：目前，國內研究所用零切跡融合器產品均是進口產品，這些產品主要針對歐美人群設計，歐美人群正常頸椎生理參數與亞、非人群正常頸椎生理參數之間存在著明顯差異，因而進口產品尺寸并不能完全適用于亞、非患者，且產品應用于亞、非患者之后表現出的生物力學特性也并不能很好實現預期目標。針對特定人群（不同地域、不同年齡階段、不同性別）進行頸椎結構尺寸測量、統計與分析，掌握其椎體解剖學特征的核心數據，并基于此對現有零切跡融合器產品結構和尺寸進行改善，設計出適合特定人群的零切跡融合器產品，對減輕病患疼痛，提高病患術后生活質量，具有重大的現實意義，因此可以預測，該類型融合器產品將擁有廣闊的應用前景。
（2）新結構設計：零切跡融合器產品種類繁多，結構形式各異，整體結構形式主要有融合器-緊固螺釘形式和融合器-固定板-緊固螺釘形式，后者固定板結構能為緊固螺釘提供可靠的固定界面，且能將自身所受應力與融合器所受應力分離開，可顯著提高產品使用壽命與臨床效果，未來可能更受設計者與使用者青睞。此外還有一些創新結構設計，例如：產品 PEEK PREVAIL 采用錨形足印面、中線螺釘、鎳鈷鉬合金線防止螺釘脫出等創新結構形式，治療單節段頸椎病，術后效果與傳統前路減壓植骨術相當 [27]；產品 MC+? 和 ROI-CTM 采用創新型自鎖板固定結構，研究表明，兩個創新結構融合器治療單節段頸椎病，均具有可靠的臨床療效[28]；產品 ASPEN SE 采用融合器與固定裝置一體的結構形式，內置式旋轉固定片固定融合器，結構新穎，顯著簡化手術過程。這些創新結構設計，都可以實現零切跡融合器的設計目標，因此隨著零切跡融合器不斷發展，將來會不斷出現結構新穎的零切跡融合器產品，此外，整合已有零切跡融合器各類產品結構設計優勢，在此基礎上進行進一步結構改進也是一個非常有效的結構創新方向。
（3）材料替換和改進設計：隨著科技進步，新材料不斷出現，性能更優的新材料應用于零切跡融合器產品設計是必然趨勢。對現有材料通過摻雜、涂層等處理，提升和優化其性能，也是材料設計的一種常用的有效方式。現有零切跡融合器產品材料設計主要是固定板和緊固螺釘采用鈦合金材料，融合器采用 PEEK 材料。鈦合金因性能優良，被廣泛應用于醫療領域，未來或許將主要致力于鈦合金的表面改性以及開發新型 β 鈦合金的研究[22]，以獲得性能更佳的應用型鈦合金。產品 STALIF C-TiTM 采用 PEEK 材料融合器表面噴涂活性鈦涂層設計，為后續產品設計提供了新思路，以 PEEK 材料為基體的性能更優涂層材料研究以及涂層加工工藝研究，或許將會成為零切跡融合器材料設計一個重要研究方向。
本文對零切跡頸椎融合器的結構設計和材料研究進展兩個方面進行綜述，并結合最新研究趨勢，展望了零切跡頸椎椎間融合器的未來發展方向，可為零切跡頸椎融合器的設計提供借鑒，且對從事脊柱植入器械研發相關的科研人員也具有一定的參考價值。
引言
隨著社會生活節奏加快，工作方式變化，人們長時間伏案工作于空調環境，易受風寒侵襲，加之體育鍛煉不足，頸椎病發病率逐年升高[1]，近年有關文獻報道，發病人群有年輕化的趨勢，青少年頸椎病發病率已達到 10% 以上[2]。
頸椎病的治療有非手術療法和手術療法。非手術療法包括理療、牽引、推拿、針灸、按摩以及藥物治療等方式，能緩解頸椎病病情，減輕疼痛癥狀，但不能根除病痛源，相當比例的患者需進行手術治療。人工頸椎間盤置換術（artificial cervical disc replacement，ACDR）和頸椎前路減壓融合術（anterior cervical decompression and fusion，ACDF）是目前臨床上普遍應用的兩種手術療法。ACDR 能有效解除病痛，恢復病變節段正常椎間高度以及生理彎曲度，保留手術節段的活動度，正確傳遞上下椎體間載荷及應力，有廣闊的應用前景[3]。但該術式有嚴格的手術適用癥，手術節段脊柱畸形、嚴重骨質疏松、骨軟化、關節面疾病、Ⅱ級以上椎體滑脫、骨性椎管狹窄及椎間盤退變引起的節段性不穩定等病況下并不適用，需要采用 ACDF[4]。ACDF 一直被視為頸椎病治療的金標準，能夠解除患者疼痛，恢復手術節段正常生理彎曲度和穩定性，但術后存在鄰近節段退行性病變以及吞咽困難等并發癥，部分患者需要二次手術[5-6]。
基于以上情況，將零切跡融合器產品應用于 ACDF 中，既能保留傳統術式的優點，又能有效地降低傳統術式術后并發癥發生率，同時還可以應用于 ACDR 的禁忌癥下，是兩種術式之間一種必要的銜接術式。
基于對頸椎解剖結構和生物力學特性的分析以及對 ACDF 效果評估標準的參考，我們概括出零切記融合器設計目標：有效緩解或根除患者疼痛癥狀，恢復頸椎正常椎間隙高度和生理彎曲度，保證手術節段較好術后融合效果，提供手術節段較佳生物力學穩定性，降低術后吞咽困難、鄰近節段退行性病變等術后并發癥的發生率[7-9]。本文將從零切記融合器的結構設計和材料設計兩個方面來綜述其設計原理和研究現狀，并結合產品國內外需求，展望其發展方向。
1 零切跡融合器結構設計
零切跡融合器采用頸前零切跡設計，植入后完全位于椎體間隙內，可有效降低或避免鄰近節段退行性病變和術后吞咽困難等并發癥[10]，是對傳統融合術產品的改進，又是對新型人工頸椎間盤置換術產品的必要補充。目前臨床上常見的代表性產品詳細情況如表 1 所示。
表1
臨床上常見的幾種零切跡融合器產品
Table1.
Several clinically common zero profile products
零切跡融合器的結構設計直接關系到零切跡融合器應用于臨床時能否達到預期臨床效果，是產品研發與應用的關鍵步驟之一，本文對現有零切跡融合器產品的設計原理綜述如下。
1.1 整體結構設計
零切跡融合器整體結構設計形式直接決定了該產品臨床應用效果的優劣，是產品設計時首先要考慮的，現有產品主要有三種整體結構類型。
（1）融合器-緊固螺釘結構：融合器內腔填充自體骨碎屑或骨替代材料，采用三個自攻絲緊固螺釘固定，如產品 CHESAPEAKER（K2M公司）、WeMUST（YELLOWSTEPS公司）、STALIF-C（Centinel Spine公司）等。而產品 PRO-Link（Life Spine公司）、PEEK PREVAIL（Meditronic公司）、C-Cur（S14 IMPLANTS公司）、Locked Cervical Cage（Synimed Spine公司）等，融合器采用的是兩個可變角度螺釘固定。
（2）固定板-融合器-緊固螺釘結構：固定板與融合器預先安裝好，采用緊固螺釘固定。產品 Zero-P（DePuy Synthes公司）、Vault-C（Precision Spine公司）、Zero-P VA（DePuy Synthes 公司）等均是此種結構設計形式。固定板與融合器的結合方式主要有間隙配合方式（如產品 Zero-P）、機械鎖合方式（如產品 Vault-C）和螺釘連接方式（如 Alphatec Spine 公司產品 Pegasus）。
（3）融合器-其它固定方式結構：融合器產品 ROI-CTM（LDR公司）植入椎間隙后，采用雙弧形自鎖板結構固定，產品 ASPEN SE（Innov’spine公司）采用旋轉式固定片固定融合器。
目前，臨床應用多采用固定板-融合器-緊固螺釘結構設計形式，滿足結構設計目標、固定可靠且使用壽命長。而新型結構設計，如產品 ASPEN SE，因設計形式簡單，簡化植入手術過程，縮短手術時間，設計理念受到越來越多設計者和醫生的認可，具有較為廣闊的應用前景。
1.2 融合器主體設計
融合器主體設計主要包括：矢狀面輪廓設計、足印面設計、填充內腔設計和即刻固定設計。
（1）矢狀面輪廓設計：矢狀面輪廓主要有弧形（Convex）、楔形（Lordotic）、平行（Parallel）三種。Convex 融合器上表面弧形設計與人體椎體下表面弧形輪廓一致，融合器平直下表面與人體椎骨平直上表面相配合，符合人體椎體正常結構形態，能夠保證融合器與椎體骨充分結合，減少手術中椎體骨的切除量。Lordotic 融合器平直上、下表面呈 6° 或 7° 夾角，植入方向前端高度低于末端高度，符合人體頸椎的正常生理彎曲角度，應用在不同骨骼形態和骨骼尺寸的患者中，具有通用性強的特點。Parallel 融合器上、下表面均是水平平面，應用于一些特殊病況（如椎體骨斷裂等）。
（2）足印面設計：產品 Zero-P、Zero-P VA、COALITION（Globus Medical公司）等采用梯形足印面；而產品 Locked Cervical Cage 設計為半圓形足印面；產品 ROI-CTM、MC+?（LDR公司）為拱形足印面；產品 PEEK PREVAIL 采用錨形足印面，此外還有其他一些形狀不規則的足印面設計。足印面設計基本原則是在椎體橫斷面尺寸范圍內，增大融合器主體與椎體接觸面積，提高融合率。
（3）填充內腔設計：Zero-P、Zero-P VA 等產品采用拱形填充內腔，產品 COALITION 采用梯形填充內腔，產品 Locked Cervical Cage 采用半圓形填充內腔，產品 ROI-CTM、MC+? 采用近似圓形填充內腔，產品 STALIF-C 采用近似橢圓形填充內腔，產品 PEEK PREVAIL 采用兩個近似半圓形填充腔置于融合器主體兩側，還有一些非規則形狀填充腔設計。填充內腔設計基本原則，增加內腔容量，增大接觸面積，提高術后融合率。
（4）即刻固定設計：足印面表面設計有一定形狀的即刻固定結構，是為了提供臨時固定，防止植入物移位，是為了提高植入位置精度。Zero-P、Zero-P VA、COALITION 等產品表面呈陣列形式均布四棱錐形倒齒，產品 Locked Cervical Cage 表面均布成排半圓形凸起，PEEK PREVAIL、STALIF-C、ROI-CTM 等產品表面則均布成排鋸齒狀凸起。
1.3 長期固定設計
有效的長期固定可以防止零切跡融合器脫出、下沉等發生，保證其正常功能。長期固定形式可以分為：螺釘固定、自鎖板固定以及其它固定形式。
（1）螺釘固定：螺釘固定牢固可靠，大部分產品均采用螺釘固定設計。Zero-P VA、Locked Cervical Cage、C-Cur 等產品采用兩個可變角度自攻絲螺釘，產品 STALIF-C、CoRoent Small Interlock（NuVasive公司）、INDEPENDENCE（Globus Medical公司）等產品采用三個可變角度螺釘結構，產品 Zero-P 采用四個固定角度自攻絲螺釘。
（2）自鎖板固定：產品 ROI-CTM 采用兩個弧形自鎖板實現零切跡融合器的長期固定，產品 MC+? 采用一個平直自鎖板。
（3）其它固定形式：產品 ASPEN SE 采用旋轉式固定片固定融合器于上、下椎體上，產品 Pegasus 采用兩個非自鎖弧形板。
總體上，螺釘固定應用普遍，技術成熟，并且在不斷改進（如產品 STALIF-C 使用的拉力螺釘），是目前設計者首選。
2 零切跡融合器材料設計
零切跡融合器材料必須具有良好的生物相容性、無毒性、無致癌性，并且耐磨、耐腐蝕，還需具有與骨組織相近的彈性模量、抗變形能力和抗疲勞強度，以確保植入人體后的使用壽命[11]。本文將從融合器材料、固定板材料和緊固螺釘材料以及生物涂層材料三方面綜述零切跡融合器材料選擇及應用效果。
2.1 融合器材料
（1）金屬材料：①鈦合金：生物相容性好，在一定范圍壓力作用下，可產生輕微形變以適應植骨環境，利于提高融合率，但會遮擋 X 射線，對觀察內部融合情況有一定影響[12]。②記憶合金（如鎳鈦記憶合金）：其特點是力學性能優越，抗變形、抗扭轉以及承載能力強，在撐開椎體間隙、保持椎體間高度和促進融合方面效果良好，具有較大的研究和應用價值[13-14]。
（2）生物非吸收材料：①高分子聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）：一種人工合成的高性能多聚體材料，彈性模量接近正常椎體骨，介于皮質骨與松質骨之間，生物力學性能突出，能有效減少應力遮擋及融合器下沉，避免椎體間隙變小[15]，并可透過X射線，也可行計算機斷層掃描（com-puted tomography，CT）、核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）檢查，且具有良好的抗腐蝕性以及生物相容性，經臨床使用后沒有毒性反應的報道[12]。②碳纖維材料：具有良好的生物活性，彈性模量接近正常椎體骨彈性模量，生物力學特性也接近皮質骨，應力遮擋較小、融合率高，可提供植骨所需的力學環境，而且可透過X射線，便于對術后植入物融合情況進行評估，但是脆性較大，長期觀察發現存在融合器破裂等問題，從而容易引起組織學反應[16-18]。③羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）與左旋聚乳酸（poly-levogyr-lactic acid，PLLA）復合材料：有良好的生物力學性能，彈性模量與人體骨相近，該材料用于融合器可以滿足臨床應用需求[13]。
（3）生物可吸收性材料：①高分子量聚消旋乳酸（poly-dextrogyr，levogyr-lactic acid，PDLLA）： 可被人體完全吸收，彈性模量與正常人體椎骨接近，力學特性及降解后的力學改變能夠滿足椎間植骨融合要求，降解可避免融合器應力遮擋現象，可在一定程度上促進融合 [13]。但 PDLLA 分解產物導致的無菌性炎癥反應、融合器斷裂導致的融合失敗等問題是其不足之處，目前還處于研究的初級階段 [18-19]。②70/30 聚左旋消旋乳酸（poly-levogyr-lactic-co-dextrogyr，levogyr-lactic acid，PLDLLA）：由 70% 的 PLLA 和 30% 的 PDLLA 制成，應用于臨床時早期性能優良，但植入人體后，會在完全融合之前發生降解，融合效果較 PEEK 融合器仍有很大差距，有形成假關節等并發癥的風險[20]。
目前，PEEK 材料融合器在臨床上應用最多。近些年，對生物可吸收材料的研究越來越多，我們相信隨著科學技術進步，該材料可通過多聚化、納米化、復合化等多種方式，使其各項性能逐漸滿足臨床應用的要求。
2.2 固定板和緊固螺釘材料
前文提及的零切跡融合器固定板和螺釘結構，實際上是頸椎前路固定技術的一種，因此其材料的研究與應用，也主要依據頸椎前路固定技術的材料研究成果。
前路固定板材料主要有：不銹鋼、鈦合金、可吸收材料（如：PLLA 等）。其中，不銹鋼材料惰性好、耐蝕性強、適合制作固定器械，但與骨材料的組織相容性以及機械相容性均不好，因而應用范圍受到限制。鈦合金材料性質穩定、惰性大、耐酸、耐腐蝕且組織相容性好，對細胞的毒性極低，質量輕、抗拉強度和屈服強度較好，不透 X 射線，是理想的內固定植入材料。相應的另一種可吸收材料（如：PLLA 等）其彈性模量與骨組織相似，作為固定物在體內的降解避免了金屬物的應力遮擋效應，材料最終降解吸收或排出體外，可使患者避免二次手術，因此應用前景較為廣闊[21]。
目前，鈦合金是臨床應用最廣泛的固定板和緊固螺釘材料[22]。雖然可吸收材料在前路手術傳統固定板應用中有廣闊的前景，但零切跡融合器的固定板需要為緊固螺釘提供牢固的鎖定界面，不適合應用可吸收材料。
2.3 涂層材料
金屬材料彈性模量與椎體骨彈性模量相差較大，融合效果欠佳，因此，金屬融合器表面常添加涂層材料以提高手術節段融合率，常用的涂層材料有磷酸鈣、羥基磷灰石和硅酸鈣涂層等，均有良好的生物相容性和骨誘導性 [23]。隨著融合器材料的發展，PEEK 材料由于生物力學性能突出，具有良好的生物相容性等，被臨床普遍認可接受。Centinel Spine 公司將融合器產品 STALIF C-TiTM 表面噴涂鈦活性涂層，該產品展現出來與皮質骨相似的彈性模量，相對于純鈦融合器，植入物下沉幾率下降了 6 倍[24]；產品 STALIF C-TiTM 的融合器采用 PEEK 材料，盡管表面噴涂鈦活性涂層，但仍保持 PEEK 的射線可透特性，與傳統前路鈦板加融合器植入術有相當的生物力學特性 [25]。然而，Kienle 等[26] 研究發現，有鈦涂層的 PEEK 融合器應用于手術節段，一段時間以后涂層材料會以磨屑形式丟失，磨屑可能會引起術后慢性感染等并發癥。
3 結語與展望
如表 1 所示，目前國內零切跡融合器全為進口產品，主要采用固定板-融合器-緊固螺釘結構形式，材料組合為 PEEK 和鈦合金，尺寸系列較為完善。隨著國內人群生活質量水平不斷提升，對產品個性化、前沿性、安全性的要求也越來越高。基于此需求，我們預測未來零切跡融合器產品的發展主要有以下幾個方向：
（1）面向種群設計：目前，國內研究所用零切跡融合器產品均是進口產品，這些產品主要針對歐美人群設計，歐美人群正常頸椎生理參數與亞、非人群正常頸椎生理參數之間存在著明顯差異，因而進口產品尺寸并不能完全適用于亞、非患者，且產品應用于亞、非患者之后表現出的生物力學特性也并不能很好實現預期目標。針對特定人群（不同地域、不同年齡階段、不同性別）進行頸椎結構尺寸測量、統計與分析，掌握其椎體解剖學特征的核心數據，并基于此對現有零切跡融合器產品結構和尺寸進行改善，設計出適合特定人群的零切跡融合器產品，對減輕病患疼痛，提高病患術后生活質量，具有重大的現實意義，因此可以預測，該類型融合器產品將擁有廣闊的應用前景。
（2）新結構設計：零切跡融合器產品種類繁多，結構形式各異，整體結構形式主要有融合器-緊固螺釘形式和融合器-固定板-緊固螺釘形式，后者固定板結構能為緊固螺釘提供可靠的固定界面，且能將自身所受應力與融合器所受應力分離開，可顯著提高產品使用壽命與臨床效果，未來可能更受設計者與使用者青睞。此外還有一些創新結構設計，例如：產品 PEEK PREVAIL 采用錨形足印面、中線螺釘、鎳鈷鉬合金線防止螺釘脫出等創新結構形式，治療單節段頸椎病，術后效果與傳統前路減壓植骨術相當 [27]；產品 MC+? 和 ROI-CTM 采用創新型自鎖板固定結構，研究表明，兩個創新結構融合器治療單節段頸椎病，均具有可靠的臨床療效[28]；產品 ASPEN SE 采用融合器與固定裝置一體的結構形式，內置式旋轉固定片固定融合器，結構新穎，顯著簡化手術過程。這些創新結構設計，都可以實現零切跡融合器的設計目標，因此隨著零切跡融合器不斷發展，將來會不斷出現結構新穎的零切跡融合器產品，此外，整合已有零切跡融合器各類產品結構設計優勢，在此基礎上進行進一步結構改進也是一個非常有效的結構創新方向。
（3）材料替換和改進設計：隨著科技進步，新材料不斷出現，性能更優的新材料應用于零切跡融合器產品設計是必然趨勢。對現有材料通過摻雜、涂層等處理，提升和優化其性能，也是材料設計的一種常用的有效方式。現有零切跡融合器產品材料設計主要是固定板和緊固螺釘采用鈦合金材料，融合器采用 PEEK 材料。鈦合金因性能優良，被廣泛應用于醫療領域，未來或許將主要致力于鈦合金的表面改性以及開發新型 β 鈦合金的研究[22]，以獲得性能更佳的應用型鈦合金。產品 STALIF C-TiTM 采用 PEEK 材料融合器表面噴涂活性鈦涂層設計，為后續產品設計提供了新思路，以 PEEK 材料為基體的性能更優涂層材料研究以及涂層加工工藝研究，或許將會成為零切跡融合器材料設計一個重要研究方向。
本文對零切跡頸椎融合器的結構設計和材料研究進展兩個方面進行綜述，并結合最新研究趨勢，展望了零切跡頸椎椎間融合器的未來發展方向，可為零切跡頸椎融合器的設計提供借鑒，且對從事脊柱植入器械研發相關的科研人員也具有一定的參考價值。
