引用本文： 楊博, 歐云生, 蔣電明, 王曉峰, 楊東軍. 腎形納米羥基磷灰石/聚酰胺66腰椎間融合器的體外生物力學研究. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(6): 746-750. doi: 10.7507/1002-1892.20150160 復制
經椎間孔腰椎間融合術（transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF）中椎間融合器（Cage）的植入對椎體高度的維持和術后脊柱的穩定性起著重要作用。對Cage的研究主要著眼于材料、形狀和生物力學特性等方面。納米羥基磷灰石/聚酰胺66（nano-hydroxyapatite/polyamide 66，n-HA/PA66）材料具有良好的生物相容性、安全性[1-2]，由其制成的頸腰椎Cage經過幾代更新，臨床療效良好[3-4]，早期融合率可達96%[5]；但臨床應用中仍存在椎體下沉的情況，可能與其形狀設計有關[6-7]。基于此，我們將Cage形狀調整為更符合解剖結構的腎形，前期有限元力學分析結果顯示其力學性能優于子彈頭形Cage[8]；本實驗在動物脊柱標本上模擬TLIF手術方法，旨在進一步驗證腎形Cage的生物力學特性。
1 材料與方法
1.1 腎形n-HA/PA66 Cage的制備
根據豬腰椎參數[9]，參考子彈頭形n-HA/PA66 Cage設計，運用CAD軟件繪制腎形Cage三維模型圖，由四川國納科技有限公司采用n-HA/PA66材料制作成實物。腎形Cage長、寬、高分別為22、10、6 mm，弧度60°；中墻厚3 mm，表面防滑槽深0.5 mm、寬1.5 mm，方向為冠狀位；周墻厚2.5 mm，防滑槽規格同中墻，但方向為矢狀位；前后側壁及中墻有直徑1 mm的圓孔；Cage植入端為圓形邊緣及漸縮頂端；內置3枚金屬定位針便于觀察Cage位置。因豬脊柱標本無前凸角度，故前期有限元實驗中Cage上下表面的4°前凸角設計在本實驗中取消。見圖 1。
圖1
n-HA/PA66 Cage的制備 ? 子彈頭形n-HA/PA66 Cage實物圖 ? 腎形Cage三維模型圖 ? 腎形n-HA/PA66 Cage實物圖 ? ?1.2 標本制備
10具新鮮成年雄性白豬（體重90～110 kg）腰椎標本（重慶市華牧肉業公司）。取L2～L5節段進行實驗，L2、3和L4、5分別為一實驗運動單位，共20個運動單位。行X線透視排除脊柱疾病，測量椎間隙高度（上位椎體下終板中心至下位椎體上終板垂直距離，圖 2）。去除脊柱附屬肌肉、脂肪組織，保留完整椎間盤、韌帶和關節突關節，封裝存于- 20℃冰箱 中。
1.3 實驗分組及方法
將20個運動單位隨機分為4組，每組5個。空白對照組（A組）不作處理。髓核摘除組（B組）僅行左側TLIF入路摘除椎間盤髓核。子彈頭形Cage組（C組）和腎形Cage組（D組）先行椎弓根螺釘（天津正天醫療器械有限公司）植入，水平面進釘方向與終板平行，由于豬腰椎椎弓根角度變異較大，進釘內傾角度為10～40°，螺釘規格為5 mm×35 mm，進釘深度不超過椎體前后徑的80%，然后連接鈦棒初步鎖緊；均選擇左側TLIF減壓入路，清除椎間盤組織，清理上、下軟骨終板，C、D組分別用填充棘突骨粒的相應形狀Cage行椎間植骨融合，適度加壓鎖緊。然后攝X線片了解Cage位置（以正位片上Cage尾端定位針距椎體左邊緣距離表示），并測量B、C、D組椎間隙高度。
1.4 生物力學測試
在電子萬能試驗機（深圳瑞格爾儀器有限公司）上對標本進行前屈、后伸、左側彎、右側彎、左旋轉、右旋轉、壓縮7個方向的測試。測試前先對1具備用標本予以前屈方向的破壞性力量，測得破壞力量為1 517 N，然后在非破壞力下進行實驗[10]。另測試前施加30 N的預載荷以穩定標本及模擬正常肌肉附著時脊柱受力[11]。壓縮、屈伸、側彎測試以0～500 N載荷、速度5 mm/min進行加載，記錄載荷達500 N時各方向上加壓部件下壓距離，代表脊柱在各狀態下的運動范圍（range of motion，ROM）。為緩解標本軟組織黏附、蠕變的影響，正式測試前行3個循環的加載、卸載，記錄第4次加載所得數據[11]。旋轉測試前處理標本頭尾兩端椎體以契合機器卡 槽，以0～200 N載荷、扭轉速度15°/min進行加載，記錄載荷達200 N時的扭轉角度代表旋轉ROM。
1.5 統計學方法
采用SPSS19.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用獨立樣本t檢驗；組內手術前后比較采用配對t檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 椎間隙高度及Cage位置檢測
術前A、B、C、D組椎間隙高度分別為（6.08± 0.30）、（6.02±0.53）、（6.06±0.30）、（5.92±0.38） mm，比較差異無統計學意義（F=0.166，P=0.917）。術后B、C、D組椎間隙高度分別為（6.00±0.54）、（6.36±0.29）、（6.10±0.23）mm，其中B組手術前后椎間隙高度無明顯變化（t=0.535，P=0.621），C、D組椎間隙高度均較術前增加，但差異無統計學意義（t=0.715，P=0.157；t=0.686，P=0.167）；B、C、D組間兩兩比較差異亦無統計學意義（P＞0.05）。C組術后Cage位置偏左，尾端定位針距左邊緣（3.06±0.51）mm；而D組位置更居中，距左邊緣（5.68±0.69）mm；兩組比較差異有統計學意義（t=6.787，P=0.000）。見圖 3。
2.2 生物力學測試
C、D組前屈、后伸、左側彎、右側彎、左旋轉、右旋轉、壓縮7個方向的ROM均顯著低于A、B組，B組均顯著高于A組，比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。D組右側彎和壓縮2個方向的ROM小于C組，比較差異有統計意義（P＜0.05）；其他方向兩組ROM比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 1。
表1
生物力學檢測各組7個方向ROM（n=5，3 討論
3.1 腎形Cage的設計理念
目前，廣泛用于臨床的腰椎n-HA/PA66 Cage主要為中空子彈頭形設計，上下面有一定弧度，臨床應用獲較好療效，但仍存在植骨不融合和Cage下沉情況[12]。因n-HA/PA66材料的生物安全性、骨誘導性已在相關實驗研究中得到證實[13-14]，故我們考慮出現這些情況可能與Cage形狀有關。Le等[15]研究發現，Cage與終板接觸面積大小對Cage沉陷有明顯影響，接觸面積大、應力分散的Cage沉降率低。
我們前期實驗通過計算機建立有限元模型，對腎形Cage與子彈頭形Cage的生物力學特性進行了比較，結果表明腎形Cage的受力較子彈頭形Cage分散，且最大應力小于子彈頭形Cage，提示腎形Cage可能會減少應力集中導致的Cage下沉[8]。故在此基礎上我們進一步行動物體外生物力學試驗。
3.2 腎形Cage的特點
本研究采用的腎形Cage是參考家豬脊柱標本參數設計，具有以下特點：① 符合椎體橫截面呈腎形的特點，植入后更匹配椎體截面形狀；② 增加了周墻厚度，Cage與椎體終板接觸面積增大，分散了應力；③ 增加了中間隔離墻，提高了Cage本身的穩定性；④ 2個植骨腔及四周的圓孔有利于骨纖維連接，提高融合率；⑤ 頭端圓形漸縮設計提高了植入安全性，弧形Cage便于TLIF手術中單側植入[7]，且更易將Cage放置于椎體中后部；⑥ 不同方向的防滑槽可有效防止Cage位移；⑦ n-HA/PA66 Cage能透過X線，CT、MRI無偽影，便于術后隨訪復查。
3.3 研究結果分析
3.3.1 生物力學檢測
各組標本ROM結果顯示，B組單純髓核摘除對脊柱的穩定性影響較大，C、D組使用Cage輔以內固定可有效維持脊柱的穩定。C、D組7個方向的ROM均小于A組，這與椎弓根釘棒內固定關系較大，豬脊柱標本骨質條件好，螺釘植入后有很強的把持力和抗拔出力，明顯限制了原運動單位的活動[16-17]。D組在右側彎和壓縮2個方向上的ROM較C組小，但在其他方向上兩組ROM無明顯差異，分析原因可能是由于子彈頭形Cage的上下表面為弧形，與終板接觸面較腎形Cage小，垂直加壓后應力集中，Cage陷入上下椎體終板中；而腎形Cage上下表面整體平行且僅有0.5 mm深凹槽，受力分散，可以減小Cage下沉現象。腎形Cage設計了60°的弧度，連接植入柄后術中植入角度較大，能更理想地將Cage放于椎體終板較堅強的中后部[18]，本實驗均經左側植入Cage，故C組Cage的位置更偏于左后，在向植入方向的對側彎曲時，即右側彎加載時C組以其Cage作為支點的側彎力矩更大，故右側彎ROM較大。在旋轉負荷下，C、D組ROM無明顯差別，但明顯小于A、B組，原因可能是內固定系統可明顯增加脊柱的抗旋轉性；但椎弓根螺釘內固定后旋轉測試主要反映釘棒內固定系統本身的抗扭轉能力，故C、D組間 ROM無顯著差異。
3.3.2 椎間隙高度
術后B、C、D組椎間隙高度差異均無統計學意義，但C、D組術后椎間隙高度較術前增加，這與術中Cage植入時對椎間隙的撐開有關。髓核摘除后在X線透視下未發現B組椎間隙明顯降低，這與豬腰椎穩定性較好以及后部結構未完全破壞有關。在施以垂直載荷后B組標本椎間隙高度降低，ROM明顯大于A組，說明髓核摘除后對脊柱的穩定性破壞較大。
綜上述，通過腎形n-HA/PA66 Cage在豬脊柱標本上的生物力學測試表明，其較子彈頭形n-HA/PA66 Cage更穩定，與前期有限元實驗[8]結果一致。腎形Cage符合椎體解剖形狀，應力更分散，可有效避免Cage下沉；其縱軸弧形設計，使術中植入更方便。但由于動物脊柱與人存在差異，其臨床療效還有待進一步實驗證實。
經椎間孔腰椎間融合術（transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF）中椎間融合器（Cage）的植入對椎體高度的維持和術后脊柱的穩定性起著重要作用。對Cage的研究主要著眼于材料、形狀和生物力學特性等方面。納米羥基磷灰石/聚酰胺66（nano-hydroxyapatite/polyamide 66，n-HA/PA66）材料具有良好的生物相容性、安全性[1-2]，由其制成的頸腰椎Cage經過幾代更新，臨床療效良好[3-4]，早期融合率可達96%[5]；但臨床應用中仍存在椎體下沉的情況，可能與其形狀設計有關[6-7]。基于此，我們將Cage形狀調整為更符合解剖結構的腎形，前期有限元力學分析結果顯示其力學性能優于子彈頭形Cage[8]；本實驗在動物脊柱標本上模擬TLIF手術方法，旨在進一步驗證腎形Cage的生物力學特性。
1 材料與方法
1.1 腎形n-HA/PA66 Cage的制備
根據豬腰椎參數[9]，參考子彈頭形n-HA/PA66 Cage設計，運用CAD軟件繪制腎形Cage三維模型圖，由四川國納科技有限公司采用n-HA/PA66材料制作成實物。腎形Cage長、寬、高分別為22、10、6 mm，弧度60°；中墻厚3 mm，表面防滑槽深0.5 mm、寬1.5 mm，方向為冠狀位；周墻厚2.5 mm，防滑槽規格同中墻，但方向為矢狀位；前后側壁及中墻有直徑1 mm的圓孔；Cage植入端為圓形邊緣及漸縮頂端；內置3枚金屬定位針便于觀察Cage位置。因豬脊柱標本無前凸角度，故前期有限元實驗中Cage上下表面的4°前凸角設計在本實驗中取消。見圖 1。
圖1
n-HA/PA66 Cage的制備 ? 子彈頭形n-HA/PA66 Cage實物圖 ? 腎形Cage三維模型圖 ? 腎形n-HA/PA66 Cage實物圖 ? ?1.2 標本制備
10具新鮮成年雄性白豬（體重90～110 kg）腰椎標本（重慶市華牧肉業公司）。取L2～L5節段進行實驗，L2、3和L4、5分別為一實驗運動單位，共20個運動單位。行X線透視排除脊柱疾病，測量椎間隙高度（上位椎體下終板中心至下位椎體上終板垂直距離，圖 2）。去除脊柱附屬肌肉、脂肪組織，保留完整椎間盤、韌帶和關節突關節，封裝存于- 20℃冰箱 中。
1.3 實驗分組及方法
將20個運動單位隨機分為4組，每組5個。空白對照組（A組）不作處理。髓核摘除組（B組）僅行左側TLIF入路摘除椎間盤髓核。子彈頭形Cage組（C組）和腎形Cage組（D組）先行椎弓根螺釘（天津正天醫療器械有限公司）植入，水平面進釘方向與終板平行，由于豬腰椎椎弓根角度變異較大，進釘內傾角度為10～40°，螺釘規格為5 mm×35 mm，進釘深度不超過椎體前后徑的80%，然后連接鈦棒初步鎖緊；均選擇左側TLIF減壓入路，清除椎間盤組織，清理上、下軟骨終板，C、D組分別用填充棘突骨粒的相應形狀Cage行椎間植骨融合，適度加壓鎖緊。然后攝X線片了解Cage位置（以正位片上Cage尾端定位針距椎體左邊緣距離表示），并測量B、C、D組椎間隙高度。
1.4 生物力學測試
在電子萬能試驗機（深圳瑞格爾儀器有限公司）上對標本進行前屈、后伸、左側彎、右側彎、左旋轉、右旋轉、壓縮7個方向的測試。測試前先對1具備用標本予以前屈方向的破壞性力量，測得破壞力量為1 517 N，然后在非破壞力下進行實驗[10]。另測試前施加30 N的預載荷以穩定標本及模擬正常肌肉附著時脊柱受力[11]。壓縮、屈伸、側彎測試以0～500 N載荷、速度5 mm/min進行加載，記錄載荷達500 N時各方向上加壓部件下壓距離，代表脊柱在各狀態下的運動范圍（range of motion，ROM）。為緩解標本軟組織黏附、蠕變的影響，正式測試前行3個循環的加載、卸載，記錄第4次加載所得數據[11]。旋轉測試前處理標本頭尾兩端椎體以契合機器卡 槽，以0～200 N載荷、扭轉速度15°/min進行加載，記錄載荷達200 N時的扭轉角度代表旋轉ROM。
1.5 統計學方法
采用SPSS19.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用獨立樣本t檢驗；組內手術前后比較采用配對t檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 椎間隙高度及Cage位置檢測
術前A、B、C、D組椎間隙高度分別為（6.08± 0.30）、（6.02±0.53）、（6.06±0.30）、（5.92±0.38） mm，比較差異無統計學意義（F=0.166，P=0.917）。術后B、C、D組椎間隙高度分別為（6.00±0.54）、（6.36±0.29）、（6.10±0.23）mm，其中B組手術前后椎間隙高度無明顯變化（t=0.535，P=0.621），C、D組椎間隙高度均較術前增加，但差異無統計學意義（t=0.715，P=0.157；t=0.686，P=0.167）；B、C、D組間兩兩比較差異亦無統計學意義（P＞0.05）。C組術后Cage位置偏左，尾端定位針距左邊緣（3.06±0.51）mm；而D組位置更居中，距左邊緣（5.68±0.69）mm；兩組比較差異有統計學意義（t=6.787，P=0.000）。見圖 3。
2.2 生物力學測試
C、D組前屈、后伸、左側彎、右側彎、左旋轉、右旋轉、壓縮7個方向的ROM均顯著低于A、B組，B組均顯著高于A組，比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。D組右側彎和壓縮2個方向的ROM小于C組，比較差異有統計意義（P＜0.05）；其他方向兩組ROM比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 1。
表1
生物力學檢測各組7個方向ROM（n=5，3 討論
3.1 腎形Cage的設計理念
目前，廣泛用于臨床的腰椎n-HA/PA66 Cage主要為中空子彈頭形設計，上下面有一定弧度，臨床應用獲較好療效，但仍存在植骨不融合和Cage下沉情況[12]。因n-HA/PA66材料的生物安全性、骨誘導性已在相關實驗研究中得到證實[13-14]，故我們考慮出現這些情況可能與Cage形狀有關。Le等[15]研究發現，Cage與終板接觸面積大小對Cage沉陷有明顯影響，接觸面積大、應力分散的Cage沉降率低。
我們前期實驗通過計算機建立有限元模型，對腎形Cage與子彈頭形Cage的生物力學特性進行了比較，結果表明腎形Cage的受力較子彈頭形Cage分散，且最大應力小于子彈頭形Cage，提示腎形Cage可能會減少應力集中導致的Cage下沉[8]。故在此基礎上我們進一步行動物體外生物力學試驗。
3.2 腎形Cage的特點
本研究采用的腎形Cage是參考家豬脊柱標本參數設計，具有以下特點：① 符合椎體橫截面呈腎形的特點，植入后更匹配椎體截面形狀；② 增加了周墻厚度，Cage與椎體終板接觸面積增大，分散了應力；③ 增加了中間隔離墻，提高了Cage本身的穩定性；④ 2個植骨腔及四周的圓孔有利于骨纖維連接，提高融合率；⑤ 頭端圓形漸縮設計提高了植入安全性，弧形Cage便于TLIF手術中單側植入[7]，且更易將Cage放置于椎體中后部；⑥ 不同方向的防滑槽可有效防止Cage位移；⑦ n-HA/PA66 Cage能透過X線，CT、MRI無偽影，便于術后隨訪復查。
3.3 研究結果分析
3.3.1 生物力學檢測
各組標本ROM結果顯示，B組單純髓核摘除對脊柱的穩定性影響較大，C、D組使用Cage輔以內固定可有效維持脊柱的穩定。C、D組7個方向的ROM均小于A組，這與椎弓根釘棒內固定關系較大，豬脊柱標本骨質條件好，螺釘植入后有很強的把持力和抗拔出力，明顯限制了原運動單位的活動[16-17]。D組在右側彎和壓縮2個方向上的ROM較C組小，但在其他方向上兩組ROM無明顯差異，分析原因可能是由于子彈頭形Cage的上下表面為弧形，與終板接觸面較腎形Cage小，垂直加壓后應力集中，Cage陷入上下椎體終板中；而腎形Cage上下表面整體平行且僅有0.5 mm深凹槽，受力分散，可以減小Cage下沉現象。腎形Cage設計了60°的弧度，連接植入柄后術中植入角度較大，能更理想地將Cage放于椎體終板較堅強的中后部[18]，本實驗均經左側植入Cage，故C組Cage的位置更偏于左后，在向植入方向的對側彎曲時，即右側彎加載時C組以其Cage作為支點的側彎力矩更大，故右側彎ROM較大。在旋轉負荷下，C、D組ROM無明顯差別，但明顯小于A、B組，原因可能是內固定系統可明顯增加脊柱的抗旋轉性；但椎弓根螺釘內固定后旋轉測試主要反映釘棒內固定系統本身的抗扭轉能力，故C、D組間 ROM無顯著差異。
3.3.2 椎間隙高度
術后B、C、D組椎間隙高度差異均無統計學意義，但C、D組術后椎間隙高度較術前增加，這與術中Cage植入時對椎間隙的撐開有關。髓核摘除后在X線透視下未發現B組椎間隙明顯降低，這與豬腰椎穩定性較好以及后部結構未完全破壞有關。在施以垂直載荷后B組標本椎間隙高度降低，ROM明顯大于A組，說明髓核摘除后對脊柱的穩定性破壞較大。
綜上述，通過腎形n-HA/PA66 Cage在豬脊柱標本上的生物力學測試表明，其較子彈頭形n-HA/PA66 Cage更穩定，與前期有限元實驗[8]結果一致。腎形Cage符合椎體解剖形狀，應力更分散，可有效避免Cage下沉；其縱軸弧形設計，使術中植入更方便。但由于動物脊柱與人存在差異，其臨床療效還有待進一步實驗證實。
