人工腰椎間盤置換術是治療椎間盤退行性病變、緩解腰背痛的有效方式。球窩型人工腰椎間盤是最常用的假體類型。本文回顧了球窩型人工腰椎間盤假體的歷史，綜述了金屬—聚合物、金屬—金屬和聚合物—聚合物不同組合配副的球窩型人工腰椎間盤假體產品現狀。結合最新研究進展，分析球窩型人工腰椎間盤假體結構設計因素及影響，并對球窩型人工腰椎間盤假體未來的發展加以展望，以期為設計球窩型人工腰椎間盤假體提供更加全面系統的理論參考。
引用本文： 項頂頂, 祝佳, 王松, 廖振華, 劉偉強. 球窩型人工腰椎間盤假體研究現狀. 生物醫學工程學雜志, 2020, 37(3): 527-532, 540. doi: 10.7507/1001-5515.201909044 復制
引言
腰背痛（low back pain，LBP）是導致人類殘疾的主要原因[1]。據美國疾病控制和預防中心的一項調查顯示，約有 28.0% 的成年人患有 LBP[2]。LBP 的主要原因是由于腰部的椎間盤退行性病變（degenerative disk disease，DDD）[3-4]。天然腰椎間盤能夠傳遞和緩沖腰椎載荷，承受剪應力、局部壓應力和拉伸應力等，同時具有局部扭轉功能，但在長期疲勞的情況下就會發生 DDD[5]。輕度 DDD 可采用保守治療，經過六個月保守治療無效者和重度 DDD 患者均需要采取手術治療。長期以來，腰椎融合術是治療 DDD 的首選手術治療方式，能夠有效減輕患者疼痛，但術后患者的腰椎運動范圍被限制，活動不便，而且長期臨床效果研究顯示，腰椎融合術會增加腰椎手術節段鄰近節段退變的風險，這些缺點促使脊柱外科醫生在不斷努力尋找一種可以替代腰椎融合的手術方式[6]。人工腰椎間盤置換術（lumbar total disc replacement，LTDR）的出現使得代替融合術治療 DDD 變為可能。從理論上講，LTDR 是一種理想的治療方案，既可以取代天然的腰椎間盤，恢復腰椎間盤的高度，重建生理功能和生物力學性能，又能減輕患者疼痛，降低鄰近節段 DDD 導致的再手術率[5, 7-8]。因此，人工腰椎間盤假體的研發變得十分迫切。臨床上應用的人工腰椎間盤假體主要有粘彈性一體型結構和球窩關節型結構兩種形式，由于大部分人工腰椎間盤假體采用的是球窩關節結構，因此，本文主要綜述球窩型人工腰椎間盤假體的研究現狀。
1 球窩型人工腰椎間盤假體的歷史與發展
人工腰椎間盤假體的設計需滿足腰椎生物力學的要求，具體包括：能夠承受腰椎負載且不發生變形或斷裂；盡量減少摩擦和磨損的影響；能夠長期保持腰椎正常的運動范圍等。LTDR 設計理念的提出幾乎與 Charnley 髖關節假體的報道是同時的，并非源于髖膝關節置換術。最初，一種由單一金屬球組成的人工腰椎間盤假體于 19 世紀 50 年代晚期被 Fernstr?m 植入人體，但手術終因人工腰椎間盤假體終板沉陷而宣告失敗。隨后，Fassio 又設計了第一款具備一定彈性的人工腰椎間盤假體，中間部分是結構類似 Fernstr?m 鋼球但具有減震功能的硅橡膠。Kostuik 也曾設計了一款依靠鉸鏈鏈接的人工腰椎間盤假體，中間裝有彈簧，具有減震功能。Lee 設計了一種帶有羥基磷灰石涂層的彈性人工腰椎間盤襯墊假體，但這些設計均未見成功應用于臨床的報道[7, 9]。
直到 1982 年，Kurt Schellnack 和 Büttner-Janz 設計了 Charité 型人工腰椎間盤假體，一種由超高分子量聚乙烯（ultrahigh molecular weight polyethylene，UHMWPE）作為髓核，兩個高度拋光的不銹鋼金屬作為終板，且髓核可以在終板之間滑動的椎間盤假體[5]。這種金屬—聚合物配副具有摩擦系數低、磨損率小的優點。1984 年 9 月，SB Charité Ⅰ型假體首先在德國柏林洪堡大學附屬 Charité醫學院第一次被成功植入人體，用以治療嚴重的 DDD。1985 年，下一代 SB Charité Ⅱ型假體經過改進，兩側設有兩翼來防止人工腰椎間盤假體下沉。這兩款人工腰椎間盤假體均由 German Democratic Republic 制造，當時僅僅應用于 Charité醫學院，并沒有進行商業化推廣。1987 年，SB Charité Ⅲ轉由 LINK 公司生產制造，金屬終板改由鈷鉻（CoCr）合金制造，表面帶有生物涂層，于 2004 年獲得美國食品與藥物監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批準，開始大規模應用于臨床。
2 球窩型人工腰椎間盤假體的產品現狀
目前，國際上球窩型人工腰椎間盤假體較多，主要研發地點在美國，少數產品的研發在德國、南非等國家。其中被美國 FDA 批準的只有 3 種。人工腰椎間盤假體按照材料配對情況分為金屬—聚合物（metal-on-polymer，MoP）型、金屬—金屬（ metal-on-metal，MoM）型和聚合物—聚合物（polymer-on-polymer，PoP）型，具體情況如表 1[10-12]所示。
表1
人工腰椎間盤假體產品現狀
Table1.
Artificial lumbar disc prosthesis product status
2.1 金屬—聚合物型
2.1.1 Charité
自 1984 年 SB Charité型人工腰椎間盤假體開始應用于臨床以來，國外 LTDR 已達數千例之多。Charité假體目前歸 DePuy Synthes 公司所有，是一種非限制型假體，具有 5 個自由度。Charité 假體具有獨特的移動聚合物 UHMWPE 髓核，從而能夠再現類似天然脊柱的運動形式。與天然腰椎間盤相似，活動的 UHMWPE 髓核在彎曲時向背側移動，在伸展時向腹側移動。這樣的結構對產品植入的位置要求并不嚴格，能夠減低外科醫生的手術難度，但其缺點在于對上下關節面及小關節會造成很大的應力。
通常，臨床上患者的術后疼痛程度由視覺模擬評分法（visual analog scale，VAS）評估，腰椎功能恢復情況由功能障礙指數（oswestry disability index，ODI）評估。Lu 等[13]在 2015 年對使用 Charité假體的 35 例患者進行了平均 11 年的隨訪，其中 2 例患者進行了再手術，VAS 和 ODI 均顯著改善，但腰椎運動范圍明顯減少，3 例患者假體下沉。2017 年繼續對此 35 例患者進行隨訪，發現假體下沉率增加。van Ooij 等[14]對 26 例患者進行為期 91 個月的隨訪研究，其中有 14 例患者鄰近關節退化，16 例患者假體出現下沉，還有 11 例患者椎體小關節面退化，12 例患者假體材料 UHMWPE 明顯磨損，有 2 例患者 Charité假體被移除，重新進行融合手術，預計隨著時間的推移，手術的成功率將會越來越低。最終，Charité假體由于在長期使用過程中出現較多并發癥，晚期并發癥主要有下沉、鄰近節段退化、關節面退化和假體移位等，導致進行融合再手術，于 2012 年退出國際市場[10, 15-16]。目前此產品已改進，且更名為 INMOTION 人工腰椎間盤假體。
2.1.2 ProDisc-L
ProDisc-L 假體是由 Thierry Marnay 在 19 世紀 80 年代末研發的，1998 年以后 ProDisc-L 經歷了兩代改進，并于 2006 年獲得美國 FDA 批準，現屬于 DePuy Synthes 公司。ProDisc-L 假體仍然采用 CoCr 合金和 UHMWPE 配副，但與 Charité假體不同的是，UHMWPE 鑲嵌在 CoCr 合金下終板上，轉軸固定，屬于半限制型結構。終板中間有脊骨，起到主要固定的作用，鈦涂層可以進行二次固定。ProDisc-L 假體能夠保持腰椎原始運動功能，減少腰椎關節面的壓力，但對外科醫生的手術技術要求比 Charité假體高。
ProDisc-L 假體在治療 DDD 方面具有恢復時間快、保留運動功能、手術時間短等優點，優于融合術。許多研究 ProDisc-L 假體的工作仍在進行[17]，對患者進行隨訪發現，術后 VAS 和 ODI 指數均顯著改善，手術成功率和患者滿意度均較高。
2.1.3 Activ-L
Activ-L 是被美國 FDA 最新批準的一種人工腰椎間盤假體，也是半限制型結構[18]。與 ProDisc-L 不同的是，Activ-L 假體的聚合物髓核可以在移動槽內沿著一個方向微小移動，在另一個方向上無法移動，轉軸不固定。Activ-L 假體表面具有適合骨生長的微孔鈦和磷酸鈣涂層，其設計更好地匹配了腰椎生理結構。
Girardi 等[19]對 Activ-L 假體進行短期隨訪研究表明，使用 Activ-L 假體是一種安全有效的腰椎融合替代療法，但仍需要進行長期的臨床隨訪和生物力學研究。Yue 等[18]對比之前兩種 FDA 批準的 Charité和 ProDisc-L 假體，Activ-L 假體采取特定的設計改進以及合適的活動范圍，可以更好地重建腰椎生理活動，具有更好的臨床效果。
2.1.4 Mobidisc-L
Mobidisc-L 是一種新型 MoP 假體，在 Activ-L 假體基礎上增加了一個自由度，UHMWPE 髓核的外周設有停止控制結構，使其能夠限制在生理范圍內移動，其活動自由度和 Charité假體相同，有助于恢復腰椎的生理活動，同時減少假體內應力。Mobidisc-L 上下終板通過固定嵌片進行終板與椎體骨的固定，其固定嵌片設計為前方和側方，假體可以通過中線或靠近中線位置入路植入，這取決于患者的生理解剖結構，可以最大限度地減小創傷。
2.1.5 Baguera-L
Baguera-L 假體金屬終板采用鈦合金材料，該材料的低偽影特性可有效降低金屬對核磁影像的干擾。為避免摩擦和磨損，鈦合金表面沉積了 DIAMOLITH 涂層，該涂層是一種采用等離子體增強化學氣相沉積技術形成的類金剛石薄膜，硬度高，耐磨損。髓核與下終板的接觸處留有一定的空隙，可以起到進一步的緩沖作用，因此 Baguera-L 假體要比其他假體多一個自由度。假體與椎體骨的接觸表面涂有多孔鈦涂層，可促進骨的生長。Baguera-L 假體提供兩種髓核可供選擇，分別為固定髓核和移動髓核。
2.2 金屬—金屬型
2.2.1 Maverick
Maverick 假體是由 Mathews 等設計，2002 年在歐洲首次使用，屬于半限制型 MoM 結構，耐磨損性能好，采取偏后旋轉中心的結構設計，減少了上下小關節面的負載[12, 20]。MoM 配副結構可以減少 UHMWPE 產生的磨損碎片顆粒的刺激及其對骨的吸收，有效減少疼痛，提高生活質量。對患者的長期隨訪顯示，VAS 和 ODI 指數均有顯著改善，手術恢復情況良好，術后并發癥在可接受范圍內，是治療 DDD 安全有效的方式[21]。Bastien 等[22]對 345 例患者進行為期 2 年的隨訪發現，81% 患者表現良好，并且沒有出現嚴重的并發癥。
2.2.2 Flexicore
Flexicore 也是一種 MoM 型人工腰椎間盤假體，采用 CoCr 合金，旋轉中心放在端板的中央，直徑為 13 mm。該假體為一體化假體，醫生在植入之前已經裝配好，沒有設置前凸角度，醫生抓取后可直接植入腰椎間隙，其卡扣結構能自行調節角度，并適應椎體弧度，避免因椎體弧度與假體型號不匹配而造成的假體松動、應力集中等情況。
2.2.3 Kineflex
Kineflex 是一種由一個可以移動的 CoCr 合金髓核和兩個 CoCr 合金終板組成的 MoM 型人工腰椎間盤假體，相關臨床報道表明，它能夠有效治療單節段 DDD，已被證實在臨床上是成功的。CoCr 合金終板具有鈦等離子體噴涂表面以促進骨融合，采用后置旋轉中心。此假體具有不同的高度，按照其相對于髓核中心線的厚度來定義，組合尺寸從 10 mm 到 13.75 mm 不等，且具有 5°、10° 和 15° 的前傾角可供選擇。由于經濟和商業原因，Kineflex 假體的 IDE 實驗終止。研究結果顯示 Kineflex 假體的失敗率要少于 Charité假體和 Maverick 假體，是一種有效的治療 DDD 的方式[23]。血清離子水平分析發現，任何隨訪點的最大平均值都低于 FDA 推薦的用于監測髖關節置換術患者水平最小值的 20%[24]。
2.2.4 XL TDR
XL TDR 假體目前還是一種試驗階段的人工腰椎間盤假體，通過腰椎側入路植入。采用 CoCr 合金材料，椎間盤切除術后可植入。臨床效果顯示 XL TDR 側入路植入是一種可行的手術方式，術后能夠有效保護鄰近節段，患者 VAS 和 ODI 指數均有顯著改善[25-27]。
2.2.5 TRIUMPH
TRIUMPH 假體是第一個可以通過后側入路植入的人工腰椎間盤假體，由兩個 CoCr 合金終板組成，帶有的多孔涂層可幫助其固定，獨特的設計使得無論插入角度如何，都能進行合適的生理范圍運動。IDE 研究始于 2007 年，目前仍在進行中，但不再招聘志愿者。
2.3 聚合物—聚合物型
ORBITTM-R 是第一個結合生理運動和成像兼容性的人工腰椎間盤聚合物假體。由于采用 PEEK 材料，因而不存在干擾影像的問題，同時 PEEK 的生物相容性較好，有利于體內長期植入。InOrbitTM同 ORBITTM-R 材料相同，但采用從側入路植入，可最大限度地減少對包括前縱韌帶在內等結構的破壞，創傷小。由于目前尚處于試驗階段，所得臨床數據有限。
3 球窩型人工腰椎間盤假體的設計因素
3.1 材料配副種類
如表 1 所示，人工腰椎間盤假體材料主要分為 MoP、MoM 和 PoP 三種。目前，雖然人工關節產品可使用陶瓷材料，但由于陶瓷的脆性，為避免腰椎神經的傷害，市場上仍對陶瓷配副作為人工腰椎間盤材料保持較為謹慎的態度。對于 MoP 假體，除 Baguera-L 假體采用鈦合金外，其余 4 種人工腰椎間盤假體均采用 CoCr 合金與 UHMWPE 配副組合，且髓核均放置在終板中心，UHMWPE 髓核與 CoCr 合金的相對運動如表 2 所示，ProDisc-L、Activ-L 和 Mobidisc-L 假體運動自由度依次增多，Charité和 Mobidisc-L 運動自由度相同。
表2
CoCr-UHMWPE 材料配副假體不同的髓核固定方式
Table2.
Different ways on core fixation of CoCr-UHMWPE type prosthesis
這三種材料配副的優缺點如表 3 所示。CoCr 合金與 UHMWPE 配副組合具有良好的摩擦學性能。PoP 配副假體目前只有 PEEK-PEEK 材料，PEEK-PEEK 具有良好的生物相容性和摩擦學性能。使用聚合物可以緩沖吸振，減少對椎骨的沖擊，但長期惡劣的力學環境使得聚合物容易磨損，發生邊緣破裂[28]，而聚合物的磨屑則會引起骨溶解，導致手術失敗。
表3
不同材料配副的優缺點
Table3.
Advantages and disadvantages of different material pairings
由于腰椎的受力情況惡劣，Baguera-L 假體采用的鈦合金必須進行類金剛石涂層以防止磨損嚴重。采用 CoCr 合金能夠防止過重的磨損和假體破壞，由于 CoCr 合金良好的耐磨損性能和力學性能，MoM 型假體設計者常采用后置球窩位置以減小小關節面的壓力，但后置之后，增大了球窩關節面應力，這也是 MoP 配副結構不采取后置球窩位置的主要原因之一。CoCr 合金可以承受后置之后的受力環境，但也會存在 MoM 配副金屬離子釋放引起炎癥等不良反應問題，影響了 MoM 配副人工腰椎間盤假體的長期壽命[29-30]。
3.2 產品設計規格
如表 1 所示，人工腰椎間盤假體外形分為橢圓形、D 字形和長方形。長方形由于寬度較小，大多是為了采用側入植入方式以減小手術創傷和恢復時間。XL TDR、TRIUMPH、InOrbitTM均為長方形，剩余假體為橢圓形或 D 字形。
表 4 所示為人工腰椎間盤假體的產品尺寸設計規格，不同產品生產商的測量規則不同，如圖 1 所示，H1 代表總后高，H2 代表總前高，h 代表內高，角度是兩個終板上下表面的總角度。
圖1
人工腰椎間盤假體尺寸標注示意圖
Figure1.
Size labeling schematic diagram of artificial lumbar disc prosthesis
表4
人工腰椎間盤假體產品設計尺寸規格
Table4.
Design sizes of artificial lumbar disc prosthesis products
由于不同節段腰椎間盤的角度不同，通常從 L1 到 S1 的角度逐漸增大，較大角度是為了 L5-S1 階段準備，這個腰椎節段受力嚴重也最容易出現問題。由于一些假體處于試驗階段或退出市場，目前只能查到以上 5 種假體的參數。
3.3 表面生物涂層和固定方式
如表 5 所示，假體生物涂層大體分為 3 種，分別為多孔鈦、磷酸鈣和羥基磷灰石；終板與椎體固定方式分為 3 種，分別為脊骨、尖齒和固定嵌片。
表5
人工腰椎間盤假體產品表面生物涂層和固定方式
Table5.
Biological coatings and fixation methods of artificial lumbar disc prosthesis products
其中脊骨和尖齒固定方式使用較多，僅有 Mobidisc-L 假體使用固定嵌片，脊骨的固定效果好，不容易發生移位，但需要剔除的骨組織較多。尖齒的固定效果差，但可保留較多的骨組織。
3.4 其他參數
關于假體自由度，較多的自由度會增加小關節面的應力，但會減少假體內部應力。關于球窩關節面，固定的關節面結構會增加球窩表面的應力，一般金屬材料可采取固定的關節面，聚合物材料一般采用移動關節面以保護聚合物。同時，MoM 型假體可進一步采用后置的固定關節面，有利于減小腰椎小關節應力。關于球體半徑和徑向間隙，根據赫茲接觸理論可以計算所得最大接觸壓力與徑向間隙和球體半徑的關系[31]，更小的徑向間隙和更小的球體半徑具有更小的最大接觸應力，從而減小磨損。Moghadas 等[32]對球半徑 10、12、14、16 mm 的 CoCr-CoCr 型人工腰椎間盤假體進行磨損測試，實驗結果展示半徑越小摩擦系數越低。
4 總結與展望
從 Kurt Schellnack 和 Büttner-Janz 設計 Charité腰椎間盤假體成功應用于臨床開始，球窩型人工腰椎間盤假體已經走過 30 多年的歷史，人工腰椎間盤假體在結構方面越來越符合天然椎間盤的生理結構，在材料方面逐漸強化材料的性能并加以改性，在涂層、手術方式等方面均有較大改進，LTDR 因此也得到的較大的發展，但目前人工腰椎間盤假體還存在諸多不足與技術瓶頸[33]。
首先，術后疼痛、終板下沉或移位、小關節面退化等諸多術后并發癥發生率仍然較高。這是由于 CoCr 合金的彈性模量與人體骨的彈性模量不匹配導致的，可考慮從個性化治療方面探索解決方案，如采用金屬三維（three-dimensional，3D）打印技術使得人工腰椎間盤假體終板和椎骨形狀完全貼合，從而防止下沉。Mróz 等[34-35]通過有限元分析得出采用金屬 3D 打印技術生產的個性化人工腰椎間盤假體是有潛力的。金屬 3D 打印技術可以打印適合細胞生長的多孔梯度結構貼合骨表面以促進骨長入，進一步減小假體下沉風險[36]。其次，MoM 配副金屬離子釋放目前仍然是一個焦點問題，可通過耐磨涂層加以強化，因而耐磨涂層的研發是未來發展方向之一。另外，LTDR 更加長期的隨訪有待進一步進行。
目前，已經實現國產化的人工腰椎間盤假體數量幾乎為零，該領域仍然被國外所壟斷。2014 年四川大學華西醫院首次將自主研發的一款人工頸椎間盤應用于臨床，此舉具有重要意義，若后續臨床隨訪能證明產品的有效性，該產品將打破歐美在頸椎外科領域的壟斷。而今，人工腰椎間盤假體國產化仍需努力，以期早日打破國外壟斷。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
腰背痛（low back pain，LBP）是導致人類殘疾的主要原因[1]。據美國疾病控制和預防中心的一項調查顯示，約有 28.0% 的成年人患有 LBP[2]。LBP 的主要原因是由于腰部的椎間盤退行性病變（degenerative disk disease，DDD）[3-4]。天然腰椎間盤能夠傳遞和緩沖腰椎載荷，承受剪應力、局部壓應力和拉伸應力等，同時具有局部扭轉功能，但在長期疲勞的情況下就會發生 DDD[5]。輕度 DDD 可采用保守治療，經過六個月保守治療無效者和重度 DDD 患者均需要采取手術治療。長期以來，腰椎融合術是治療 DDD 的首選手術治療方式，能夠有效減輕患者疼痛，但術后患者的腰椎運動范圍被限制，活動不便，而且長期臨床效果研究顯示，腰椎融合術會增加腰椎手術節段鄰近節段退變的風險，這些缺點促使脊柱外科醫生在不斷努力尋找一種可以替代腰椎融合的手術方式[6]。人工腰椎間盤置換術（lumbar total disc replacement，LTDR）的出現使得代替融合術治療 DDD 變為可能。從理論上講，LTDR 是一種理想的治療方案，既可以取代天然的腰椎間盤，恢復腰椎間盤的高度，重建生理功能和生物力學性能，又能減輕患者疼痛，降低鄰近節段 DDD 導致的再手術率[5, 7-8]。因此，人工腰椎間盤假體的研發變得十分迫切。臨床上應用的人工腰椎間盤假體主要有粘彈性一體型結構和球窩關節型結構兩種形式，由于大部分人工腰椎間盤假體采用的是球窩關節結構，因此，本文主要綜述球窩型人工腰椎間盤假體的研究現狀。
1 球窩型人工腰椎間盤假體的歷史與發展
人工腰椎間盤假體的設計需滿足腰椎生物力學的要求，具體包括：能夠承受腰椎負載且不發生變形或斷裂；盡量減少摩擦和磨損的影響；能夠長期保持腰椎正常的運動范圍等。LTDR 設計理念的提出幾乎與 Charnley 髖關節假體的報道是同時的，并非源于髖膝關節置換術。最初，一種由單一金屬球組成的人工腰椎間盤假體于 19 世紀 50 年代晚期被 Fernstr?m 植入人體，但手術終因人工腰椎間盤假體終板沉陷而宣告失敗。隨后，Fassio 又設計了第一款具備一定彈性的人工腰椎間盤假體，中間部分是結構類似 Fernstr?m 鋼球但具有減震功能的硅橡膠。Kostuik 也曾設計了一款依靠鉸鏈鏈接的人工腰椎間盤假體，中間裝有彈簧，具有減震功能。Lee 設計了一種帶有羥基磷灰石涂層的彈性人工腰椎間盤襯墊假體，但這些設計均未見成功應用于臨床的報道[7, 9]。
直到 1982 年，Kurt Schellnack 和 Büttner-Janz 設計了 Charité 型人工腰椎間盤假體，一種由超高分子量聚乙烯（ultrahigh molecular weight polyethylene，UHMWPE）作為髓核，兩個高度拋光的不銹鋼金屬作為終板，且髓核可以在終板之間滑動的椎間盤假體[5]。這種金屬—聚合物配副具有摩擦系數低、磨損率小的優點。1984 年 9 月，SB Charité Ⅰ型假體首先在德國柏林洪堡大學附屬 Charité醫學院第一次被成功植入人體，用以治療嚴重的 DDD。1985 年，下一代 SB Charité Ⅱ型假體經過改進，兩側設有兩翼來防止人工腰椎間盤假體下沉。這兩款人工腰椎間盤假體均由 German Democratic Republic 制造，當時僅僅應用于 Charité醫學院，并沒有進行商業化推廣。1987 年，SB Charité Ⅲ轉由 LINK 公司生產制造，金屬終板改由鈷鉻（CoCr）合金制造，表面帶有生物涂層，于 2004 年獲得美國食品與藥物監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批準，開始大規模應用于臨床。
2 球窩型人工腰椎間盤假體的產品現狀
目前，國際上球窩型人工腰椎間盤假體較多，主要研發地點在美國，少數產品的研發在德國、南非等國家。其中被美國 FDA 批準的只有 3 種。人工腰椎間盤假體按照材料配對情況分為金屬—聚合物（metal-on-polymer，MoP）型、金屬—金屬（ metal-on-metal，MoM）型和聚合物—聚合物（polymer-on-polymer，PoP）型，具體情況如表 1[10-12]所示。
表1
人工腰椎間盤假體產品現狀
Table1.
Artificial lumbar disc prosthesis product status
2.1 金屬—聚合物型
2.1.1 Charité
自 1984 年 SB Charité型人工腰椎間盤假體開始應用于臨床以來，國外 LTDR 已達數千例之多。Charité假體目前歸 DePuy Synthes 公司所有，是一種非限制型假體，具有 5 個自由度。Charité 假體具有獨特的移動聚合物 UHMWPE 髓核，從而能夠再現類似天然脊柱的運動形式。與天然腰椎間盤相似，活動的 UHMWPE 髓核在彎曲時向背側移動，在伸展時向腹側移動。這樣的結構對產品植入的位置要求并不嚴格，能夠減低外科醫生的手術難度，但其缺點在于對上下關節面及小關節會造成很大的應力。
通常，臨床上患者的術后疼痛程度由視覺模擬評分法（visual analog scale，VAS）評估，腰椎功能恢復情況由功能障礙指數（oswestry disability index，ODI）評估。Lu 等[13]在 2015 年對使用 Charité假體的 35 例患者進行了平均 11 年的隨訪，其中 2 例患者進行了再手術，VAS 和 ODI 均顯著改善，但腰椎運動范圍明顯減少，3 例患者假體下沉。2017 年繼續對此 35 例患者進行隨訪，發現假體下沉率增加。van Ooij 等[14]對 26 例患者進行為期 91 個月的隨訪研究，其中有 14 例患者鄰近關節退化，16 例患者假體出現下沉，還有 11 例患者椎體小關節面退化，12 例患者假體材料 UHMWPE 明顯磨損，有 2 例患者 Charité假體被移除，重新進行融合手術，預計隨著時間的推移，手術的成功率將會越來越低。最終，Charité假體由于在長期使用過程中出現較多并發癥，晚期并發癥主要有下沉、鄰近節段退化、關節面退化和假體移位等，導致進行融合再手術，于 2012 年退出國際市場[10, 15-16]。目前此產品已改進，且更名為 INMOTION 人工腰椎間盤假體。
2.1.2 ProDisc-L
ProDisc-L 假體是由 Thierry Marnay 在 19 世紀 80 年代末研發的，1998 年以后 ProDisc-L 經歷了兩代改進，并于 2006 年獲得美國 FDA 批準，現屬于 DePuy Synthes 公司。ProDisc-L 假體仍然采用 CoCr 合金和 UHMWPE 配副，但與 Charité假體不同的是，UHMWPE 鑲嵌在 CoCr 合金下終板上，轉軸固定，屬于半限制型結構。終板中間有脊骨，起到主要固定的作用，鈦涂層可以進行二次固定。ProDisc-L 假體能夠保持腰椎原始運動功能，減少腰椎關節面的壓力，但對外科醫生的手術技術要求比 Charité假體高。
ProDisc-L 假體在治療 DDD 方面具有恢復時間快、保留運動功能、手術時間短等優點，優于融合術。許多研究 ProDisc-L 假體的工作仍在進行[17]，對患者進行隨訪發現，術后 VAS 和 ODI 指數均顯著改善，手術成功率和患者滿意度均較高。
2.1.3 Activ-L
Activ-L 是被美國 FDA 最新批準的一種人工腰椎間盤假體，也是半限制型結構[18]。與 ProDisc-L 不同的是，Activ-L 假體的聚合物髓核可以在移動槽內沿著一個方向微小移動，在另一個方向上無法移動，轉軸不固定。Activ-L 假體表面具有適合骨生長的微孔鈦和磷酸鈣涂層，其設計更好地匹配了腰椎生理結構。
Girardi 等[19]對 Activ-L 假體進行短期隨訪研究表明，使用 Activ-L 假體是一種安全有效的腰椎融合替代療法，但仍需要進行長期的臨床隨訪和生物力學研究。Yue 等[18]對比之前兩種 FDA 批準的 Charité和 ProDisc-L 假體，Activ-L 假體采取特定的設計改進以及合適的活動范圍，可以更好地重建腰椎生理活動，具有更好的臨床效果。
2.1.4 Mobidisc-L
Mobidisc-L 是一種新型 MoP 假體，在 Activ-L 假體基礎上增加了一個自由度，UHMWPE 髓核的外周設有停止控制結構，使其能夠限制在生理范圍內移動，其活動自由度和 Charité假體相同，有助于恢復腰椎的生理活動，同時減少假體內應力。Mobidisc-L 上下終板通過固定嵌片進行終板與椎體骨的固定，其固定嵌片設計為前方和側方，假體可以通過中線或靠近中線位置入路植入，這取決于患者的生理解剖結構，可以最大限度地減小創傷。
2.1.5 Baguera-L
Baguera-L 假體金屬終板采用鈦合金材料，該材料的低偽影特性可有效降低金屬對核磁影像的干擾。為避免摩擦和磨損，鈦合金表面沉積了 DIAMOLITH 涂層，該涂層是一種采用等離子體增強化學氣相沉積技術形成的類金剛石薄膜，硬度高，耐磨損。髓核與下終板的接觸處留有一定的空隙，可以起到進一步的緩沖作用，因此 Baguera-L 假體要比其他假體多一個自由度。假體與椎體骨的接觸表面涂有多孔鈦涂層，可促進骨的生長。Baguera-L 假體提供兩種髓核可供選擇，分別為固定髓核和移動髓核。
2.2 金屬—金屬型
2.2.1 Maverick
Maverick 假體是由 Mathews 等設計，2002 年在歐洲首次使用，屬于半限制型 MoM 結構，耐磨損性能好，采取偏后旋轉中心的結構設計，減少了上下小關節面的負載[12, 20]。MoM 配副結構可以減少 UHMWPE 產生的磨損碎片顆粒的刺激及其對骨的吸收，有效減少疼痛，提高生活質量。對患者的長期隨訪顯示，VAS 和 ODI 指數均有顯著改善，手術恢復情況良好，術后并發癥在可接受范圍內，是治療 DDD 安全有效的方式[21]。Bastien 等[22]對 345 例患者進行為期 2 年的隨訪發現，81% 患者表現良好，并且沒有出現嚴重的并發癥。
2.2.2 Flexicore
Flexicore 也是一種 MoM 型人工腰椎間盤假體，采用 CoCr 合金，旋轉中心放在端板的中央，直徑為 13 mm。該假體為一體化假體，醫生在植入之前已經裝配好，沒有設置前凸角度，醫生抓取后可直接植入腰椎間隙，其卡扣結構能自行調節角度，并適應椎體弧度，避免因椎體弧度與假體型號不匹配而造成的假體松動、應力集中等情況。
2.2.3 Kineflex
Kineflex 是一種由一個可以移動的 CoCr 合金髓核和兩個 CoCr 合金終板組成的 MoM 型人工腰椎間盤假體，相關臨床報道表明，它能夠有效治療單節段 DDD，已被證實在臨床上是成功的。CoCr 合金終板具有鈦等離子體噴涂表面以促進骨融合，采用后置旋轉中心。此假體具有不同的高度，按照其相對于髓核中心線的厚度來定義，組合尺寸從 10 mm 到 13.75 mm 不等，且具有 5°、10° 和 15° 的前傾角可供選擇。由于經濟和商業原因，Kineflex 假體的 IDE 實驗終止。研究結果顯示 Kineflex 假體的失敗率要少于 Charité假體和 Maverick 假體，是一種有效的治療 DDD 的方式[23]。血清離子水平分析發現，任何隨訪點的最大平均值都低于 FDA 推薦的用于監測髖關節置換術患者水平最小值的 20%[24]。
2.2.4 XL TDR
XL TDR 假體目前還是一種試驗階段的人工腰椎間盤假體，通過腰椎側入路植入。采用 CoCr 合金材料，椎間盤切除術后可植入。臨床效果顯示 XL TDR 側入路植入是一種可行的手術方式，術后能夠有效保護鄰近節段，患者 VAS 和 ODI 指數均有顯著改善[25-27]。
2.2.5 TRIUMPH
TRIUMPH 假體是第一個可以通過后側入路植入的人工腰椎間盤假體，由兩個 CoCr 合金終板組成，帶有的多孔涂層可幫助其固定，獨特的設計使得無論插入角度如何，都能進行合適的生理范圍運動。IDE 研究始于 2007 年，目前仍在進行中，但不再招聘志愿者。
2.3 聚合物—聚合物型
ORBITTM-R 是第一個結合生理運動和成像兼容性的人工腰椎間盤聚合物假體。由于采用 PEEK 材料，因而不存在干擾影像的問題，同時 PEEK 的生物相容性較好，有利于體內長期植入。InOrbitTM同 ORBITTM-R 材料相同，但采用從側入路植入，可最大限度地減少對包括前縱韌帶在內等結構的破壞，創傷小。由于目前尚處于試驗階段，所得臨床數據有限。
3 球窩型人工腰椎間盤假體的設計因素
3.1 材料配副種類
如表 1 所示，人工腰椎間盤假體材料主要分為 MoP、MoM 和 PoP 三種。目前，雖然人工關節產品可使用陶瓷材料，但由于陶瓷的脆性，為避免腰椎神經的傷害，市場上仍對陶瓷配副作為人工腰椎間盤材料保持較為謹慎的態度。對于 MoP 假體，除 Baguera-L 假體采用鈦合金外，其余 4 種人工腰椎間盤假體均采用 CoCr 合金與 UHMWPE 配副組合，且髓核均放置在終板中心，UHMWPE 髓核與 CoCr 合金的相對運動如表 2 所示，ProDisc-L、Activ-L 和 Mobidisc-L 假體運動自由度依次增多，Charité和 Mobidisc-L 運動自由度相同。
表2
CoCr-UHMWPE 材料配副假體不同的髓核固定方式
Table2.
Different ways on core fixation of CoCr-UHMWPE type prosthesis
這三種材料配副的優缺點如表 3 所示。CoCr 合金與 UHMWPE 配副組合具有良好的摩擦學性能。PoP 配副假體目前只有 PEEK-PEEK 材料，PEEK-PEEK 具有良好的生物相容性和摩擦學性能。使用聚合物可以緩沖吸振，減少對椎骨的沖擊，但長期惡劣的力學環境使得聚合物容易磨損，發生邊緣破裂[28]，而聚合物的磨屑則會引起骨溶解，導致手術失敗。
表3
不同材料配副的優缺點
Table3.
Advantages and disadvantages of different material pairings
由于腰椎的受力情況惡劣，Baguera-L 假體采用的鈦合金必須進行類金剛石涂層以防止磨損嚴重。采用 CoCr 合金能夠防止過重的磨損和假體破壞，由于 CoCr 合金良好的耐磨損性能和力學性能，MoM 型假體設計者常采用后置球窩位置以減小小關節面的壓力，但后置之后，增大了球窩關節面應力，這也是 MoP 配副結構不采取后置球窩位置的主要原因之一。CoCr 合金可以承受后置之后的受力環境，但也會存在 MoM 配副金屬離子釋放引起炎癥等不良反應問題，影響了 MoM 配副人工腰椎間盤假體的長期壽命[29-30]。
3.2 產品設計規格
如表 1 所示，人工腰椎間盤假體外形分為橢圓形、D 字形和長方形。長方形由于寬度較小，大多是為了采用側入植入方式以減小手術創傷和恢復時間。XL TDR、TRIUMPH、InOrbitTM均為長方形，剩余假體為橢圓形或 D 字形。
表 4 所示為人工腰椎間盤假體的產品尺寸設計規格，不同產品生產商的測量規則不同，如圖 1 所示，H1 代表總后高，H2 代表總前高，h 代表內高，角度是兩個終板上下表面的總角度。
圖1
人工腰椎間盤假體尺寸標注示意圖
Figure1.
Size labeling schematic diagram of artificial lumbar disc prosthesis
表4
人工腰椎間盤假體產品設計尺寸規格
Table4.
Design sizes of artificial lumbar disc prosthesis products
由于不同節段腰椎間盤的角度不同，通常從 L1 到 S1 的角度逐漸增大，較大角度是為了 L5-S1 階段準備，這個腰椎節段受力嚴重也最容易出現問題。由于一些假體處于試驗階段或退出市場，目前只能查到以上 5 種假體的參數。
3.3 表面生物涂層和固定方式
如表 5 所示，假體生物涂層大體分為 3 種，分別為多孔鈦、磷酸鈣和羥基磷灰石；終板與椎體固定方式分為 3 種，分別為脊骨、尖齒和固定嵌片。
表5
人工腰椎間盤假體產品表面生物涂層和固定方式
Table5.
Biological coatings and fixation methods of artificial lumbar disc prosthesis products
其中脊骨和尖齒固定方式使用較多，僅有 Mobidisc-L 假體使用固定嵌片，脊骨的固定效果好，不容易發生移位，但需要剔除的骨組織較多。尖齒的固定效果差，但可保留較多的骨組織。
3.4 其他參數
關于假體自由度，較多的自由度會增加小關節面的應力，但會減少假體內部應力。關于球窩關節面，固定的關節面結構會增加球窩表面的應力，一般金屬材料可采取固定的關節面，聚合物材料一般采用移動關節面以保護聚合物。同時，MoM 型假體可進一步采用后置的固定關節面，有利于減小腰椎小關節應力。關于球體半徑和徑向間隙，根據赫茲接觸理論可以計算所得最大接觸壓力與徑向間隙和球體半徑的關系[31]，更小的徑向間隙和更小的球體半徑具有更小的最大接觸應力，從而減小磨損。Moghadas 等[32]對球半徑 10、12、14、16 mm 的 CoCr-CoCr 型人工腰椎間盤假體進行磨損測試，實驗結果展示半徑越小摩擦系數越低。
4 總結與展望
從 Kurt Schellnack 和 Büttner-Janz 設計 Charité腰椎間盤假體成功應用于臨床開始，球窩型人工腰椎間盤假體已經走過 30 多年的歷史，人工腰椎間盤假體在結構方面越來越符合天然椎間盤的生理結構，在材料方面逐漸強化材料的性能并加以改性，在涂層、手術方式等方面均有較大改進，LTDR 因此也得到的較大的發展，但目前人工腰椎間盤假體還存在諸多不足與技術瓶頸[33]。
首先，術后疼痛、終板下沉或移位、小關節面退化等諸多術后并發癥發生率仍然較高。這是由于 CoCr 合金的彈性模量與人體骨的彈性模量不匹配導致的，可考慮從個性化治療方面探索解決方案，如采用金屬三維（three-dimensional，3D）打印技術使得人工腰椎間盤假體終板和椎骨形狀完全貼合，從而防止下沉。Mróz 等[34-35]通過有限元分析得出采用金屬 3D 打印技術生產的個性化人工腰椎間盤假體是有潛力的。金屬 3D 打印技術可以打印適合細胞生長的多孔梯度結構貼合骨表面以促進骨長入，進一步減小假體下沉風險[36]。其次，MoM 配副金屬離子釋放目前仍然是一個焦點問題，可通過耐磨涂層加以強化，因而耐磨涂層的研發是未來發展方向之一。另外，LTDR 更加長期的隨訪有待進一步進行。
目前，已經實現國產化的人工腰椎間盤假體數量幾乎為零，該領域仍然被國外所壟斷。2014 年四川大學華西醫院首次將自主研發的一款人工頸椎間盤應用于臨床，此舉具有重要意義，若后續臨床隨訪能證明產品的有效性，該產品將打破歐美在頸椎外科領域的壟斷。而今，人工腰椎間盤假體國產化仍需努力，以期早日打破國外壟斷。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
