引用本文: 薛有地, 宋躍明, 劉立岷, 任春朋, 周忠杰, 周春光. 聚氨基酸/納米羥基磷灰石/硫酸鈣融合器在山羊腰椎椎間融合中的作用研究. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(8): 972-977. doi: 10.7507/1002-1892.20150210 復制
自1988年Bagby及Kuslich 首次將Bagby籃作為融合器(Cage)進行椎間融合以來,腰椎椎間融合術已逐漸應用于治療各種腰椎疾病,并取得了滿意療效[1-2]。然而隨著手術病例的增多及隨訪時間延長,出現了一系列Cage相關并發癥,包括Cage下沉移位、椎間植骨不愈合、終板塌陷等[3-4]。研究表明,制備Cage的材料對提高手術效果及降低術后并發癥具有重要作用[4]。聚氨基酸/納米羥基磷灰石/硫酸鈣(poly-amino acid/nano-hydroxyapatite/calcium sulfate,PHC)是一種新型生物復合材料,具有良好的力學性能及生物活性[5-6]。本研究通過將PHC制備的Cage植入山羊腰椎,評價其在腰椎椎間融合方面的應用價值。報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要材料、儀器
2歲齡雌性山羊18只,體重29~33 kg,由四川大學動物實驗中心提供,所有手術均在四川大學動物實驗中心手術室進行;術前禁食24 h,禁水8 h。
PHC Cage、鈦合金Cage、鈦合金固定板(四川國納科技有限公司);螺釘(上海創生醫療器械有限公司)。生物力學試驗儀(深圳瑞格爾儀器設備有限公司);熒光顯微鏡(Olympus公司,日本);掃描電鏡(中國科學院成都分院科學儀器廠);硬組織切片機、硬組織修塊機(Leica公司,德國);測量軟件Canvas 11(ACDSystem公司,美國)。
1.2 實驗分組及方法
將18只山羊隨機分為3組,分別為PHC Cage組(A組)、鈦合金Cage組(B組)及自體髂骨組(C組),每組6只。參考van Dijk等[7]及Kanayama 等[8]的手術方法,建立山羊腰椎椎間融合模型。山羊取右側臥位,肌肉注射鹽酸噻拉嗪(0.04 mL/kg)麻醉后,取腹膜外入路顯露L3、4椎間隙,徹底清除椎間盤及軟骨終板后取同側髂骨松質骨。A、B組將其修剪成骨粒,填充于對應Cage腔內;C組修整成與Cage規格一致的三面皮質骨塊。將Cage或髂骨塊植入椎間隙,于L3、4椎體側方使用鋼板螺釘固定,逐層縫合切口,無菌敷料包扎。手術結束后靜脈注射鹽酸苯惡唑(0.04 mL/kg)催醒。術后8 h進水、24 h進食,3 d內每天肌肉注射青霉素240萬U。術后24周采用安泰注射液深度麻醉后,心臟穿刺放血處死動物,完整切取L3、4節段進行觀察。動物處死前3 d按每次0.25 g/kg、每天2次的劑量將四環素粉末混合于飼料中喂食動物。
1.3 評價指標
1.3.1 一般情況
術后觀察各組山羊一般情況、四肢活動及步態,切口愈合情況、有無滲液及竇道形成 等。
1.3.2 影像學檢查
術前及術后4、12、24周各組行X線片檢查,明確手術節段、Cage或骨塊及內固定物位置,采用測量軟件Canvas 11測量椎間高度(disc space height,DSH),以椎間隙前緣和椎間隙后緣高度均值作為DSH。術后24周行CT三維重建檢查,采用改良Brantigan融合評分[9]評定椎間融合程度,≥3分者視為骨性融合。
1.3.3 生物力學測試
術后24周各組取L3、4節段標本,使用生物力學試驗儀施加非破壞性前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉6個模式載荷,力矩2 N·m,反復加載、卸載循環3次,第3次記錄相應數據,以消除軟組織黏彈性和蠕變對結果的影響,記錄6種載荷下的運動范圍(range of motion,ROM)。
1.3.4 組織學觀察
生物力學測試后,用硬組織修塊機修整標本,制作L3椎體-Cage側壁-L4椎體的矢狀面切片,片厚2 mm,每組標本留取2塊切片進行掃描電鏡觀察。其余切片用硬組織切片機切割標本,獲得5 μm厚組織切片,使用熒光顯微鏡觀察四環素熒光標記情況,其中沉積在骨表面的四環素熒光呈黃色。然后取切片行HE染色及甲苯胺藍染 色,光鏡下觀察Cage周圍有無炎性反應,Cage與 椎體骨界面結合情況,以及Cage內植骨融合情 況。
1.3.5 掃描電鏡觀察
各組取2塊切片修剪至直徑與高度均不超過10 mm的塊狀,2.5%戊二醛固定,50%~100%梯度乙醇逐級脫水,離子濺射法噴金,掃描電鏡下觀察Cage與宿主骨的界面整合情況以及PHC Cage表面降解情況。
1.4 統計學方法
采用SPSS17.0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Tukey HSD 檢驗;檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 一般情況
各組山羊均存活至實驗完成,切口愈合良好,無神經損傷、滲液及竇道形成等并發癥發生。
2.2 影像學檢查
2.2.1 X線片
各組術后4周DSH均較術前增高,之后呈下降趨勢。其中,A、B組手術前后各時間點間比較,差異均無統計學意義(P>0.05);C組術后12、24周DSH顯著低于術前及術后4周,差異有統計學意義(P<0.05),術后12、24周以及術前、術后4 周間比較差異無統計學意義(P>0.05)。
術前及術后4周,3組間比較差異均無統計學意義(P>0.05)。術后12、24周,A、B組DSH均顯著高于C組,比較差異有統計學意義(P<0.05);A、B組間比較,差異無統計學意義(P>0.05)。見表 1及圖 1。


2.2.2 CT三維重建檢查
術后24周,CT三維重建示A組椎間骨痂連續,Cage周圍透亮線不明顯,改良Brantigan融合評分為(3.67±0.52)分,均達骨性融合;C組椎間可見連續骨痂通過,評分為(3.50±0.55)分,均達骨性融合;B組部分標本椎間未見明顯骨痂且Cage周圍透亮線明顯,評分為(2.00±1.10)分,其中3只評分達3分以上,達骨性融合。A、C組評分均高于B組,差異有統計學意義(P<0.05);A、C組間比較差異無統計學意義(P>0.05)。見圖 2。
2.3 生物力學測試
術后24周各組前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉ROM均在4°以內。A、B組各方向ROM比較,差異均無統計學意義(P>0.05);但均小于C組,差異有統計學意義(P<0.05)。見表 2。

2.4 組織學觀察
2.4.1 四環素熒光標記觀察
熒光顯微鏡下,A組植骨區域及Cage宿主骨界面可見斑片狀金黃色熒光帶;B組僅在Cage植骨區域見斑片狀金黃色熒光帶;C組在上、下椎體邊緣及植骨區域間出現金黃色熒光帶。見圖 3。
2.4.2 HE及甲苯胺藍染色觀察
光鏡下,A組Cage內部大量新生骨形成,Cage與宿主骨界面結合緊密,Cage表面微降解,可見骨小梁及軟骨細胞形成。B組Cage內部可見少量新生骨形成,大部分區域被纖維組織填充,Cage與宿主骨間隔大量纖維組織。C組植骨區域可見大量新生骨組織,植骨界面可見纖維組織及軟骨細胞。見圖 4、5。

2.5 掃描電鏡觀察
掃描電鏡下,A組Cage與宿主骨連接緊密,界面未見明顯縫隙,部分區域呈骨性結合,Cage表面可見微降解。B組Cage與宿主骨界面連接欠緊密,部分區域可見明顯縫隙,部分區域由纖維組織填充。C組見髂骨植入區域與宿主骨連接緊密,界面未見明顯縫隙。見圖 6。
3 討論
脊柱動物模型主要用于研究脊柱的生物力學特點和脊柱內固定器械及植入物的應用。研究表明,四足動物的脊柱生物力學及形態學與人一致,其脊柱承受負荷方向與脊柱長軸一致,且骨小梁方向也是平行的[8, 10-12]。為此,本研究選擇山羊作為研究對象。但四足動物椎體承受軸向負荷較大,椎體骨小梁密度高于人類,這一點在力學測試時需注意[10]。
術后DSH變化與術中椎間隙撐開、終板準備,Cage或髂骨塊力學性能及Cage降解性能等有關[7]。本研究結果顯示,術后4周3組間比較差異均無統計學意義;12、24周時A、B組DSH均顯著高于C組,但A、B組間差異無統計學意義。其原因可能為PHC Cage支撐強度大、彈性模量低,體內僅產生微降解,且與宿主骨結合緊密,因而能夠有效維持椎間高度;鈦合金Cage力學性能優異,雖然應力遮擋明顯但仍能維持椎間高度;而山羊三面皮質髂骨皮質較薄,支撐強度差、吸收快,故維持椎間高度的能力較差[13]。加之山羊脊柱軸向應力高[10],因而髂骨吸收速度可能會遠高于新生骨形成速度,進而出現DSH降低。
生物力學測試ROM可評價融合節段穩定性,從而間接衡量椎間融合效果(<4°視為融合) [14-15]。本研究結果表明,術后24周各組前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉ROM均在4°以內,A、B組各方向ROM差異無統計學意義,且均優于C組。A組使用PHC Cage椎間融合良好,且Cage支撐強度高,與宿主骨結合緊密,故穩定性良好。雖然B組鈦合金Cage椎間融合較A組欠佳,但其力學強度大、支撐作用好,加上周圍組織包裹及纖維連接,也保證了融合節段穩定性。而C組自體髂骨雖椎間融合良好,但因山羊髂骨本身強度較差,且新生骨未完成改建、塑形,因此雖已達到融合標準,但穩定性較A、B組差。
CT檢測植骨融合的敏感性及特異性均優于X線片檢查,而且可對骨痂形成體積進行量化[16]。本研究采用CT改良Brantigan融合評分[9]觀察椎間骨痂形成、Cage周圍有無透亮線判斷椎間融合情況。結果提示A、C組評分均達3分以上,獲骨性融合,而B組僅3例獲骨性融合。組織學觀察可直接、客觀評價椎間融合 [17]。組織學觀察示A組植骨區域可見大量新生骨形成,部分區域連續骨小梁通過,Cage表面微降解伴新生骨形成;C組植骨區域見大量新生骨;B組新生骨范圍較小,界面大量纖維組織形成。其原因可能是PHC Cage 彈性模量低,應力遮擋小,適當應力能夠刺激Cage內新生骨的形成,同時材料中Ca2+釋放及表面磷灰石結晶的沉積利于新生骨的形成并與納米羥基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-HA)直接鍵性結合[9, 18-19]。鈦合金Cage彈性模量大,應力遮擋明顯,Cage內部新生骨缺少應力刺激,骨生成緩慢[8, 20]。三面皮質髂骨具有骨誘導、骨傳導和骨生成的作用,故植骨融合較 快。
四環素在熒光顯微鏡下自發金黃色熒光,與成骨細胞有特殊親和力,能夠反映新生骨合成情況[21]。A組植骨區域出現大量斑片狀金黃色熒光帶,范圍與C組類似,明顯大于B組,說明PHC Cage 椎間植骨融合能力優于鈦合金Cage,與髂骨類似;另外PHC Cage與骨界面熒光帶的出現提示界面結合處亦有新生骨形成。
掃描電鏡結果顯示PHC Cage與椎體結合較鈦合金Cage緊密,且Cage表面可見微降解伴界面新生骨形成。PHC Cage中硫酸鈣降解后Ca2+釋放,表面新生骨與n-HA直接鍵性結合,故Cage與宿主骨能夠形成緊密的骨性結合[13]。而鈦合金Cage植入體內后,Cage骨-界面靠纖維組織連接,故界面結合欠緊密。
綜上述,動物實驗表明PHC復合材料制備的腰椎Cage植入體內后可促進腰椎椎間融合,植入體內24周表面微降解并與宿主骨緊密結合,但長期降解情況仍需進一步觀察。
自1988年Bagby及Kuslich 首次將Bagby籃作為融合器(Cage)進行椎間融合以來,腰椎椎間融合術已逐漸應用于治療各種腰椎疾病,并取得了滿意療效[1-2]。然而隨著手術病例的增多及隨訪時間延長,出現了一系列Cage相關并發癥,包括Cage下沉移位、椎間植骨不愈合、終板塌陷等[3-4]。研究表明,制備Cage的材料對提高手術效果及降低術后并發癥具有重要作用[4]。聚氨基酸/納米羥基磷灰石/硫酸鈣(poly-amino acid/nano-hydroxyapatite/calcium sulfate,PHC)是一種新型生物復合材料,具有良好的力學性能及生物活性[5-6]。本研究通過將PHC制備的Cage植入山羊腰椎,評價其在腰椎椎間融合方面的應用價值。報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要材料、儀器
2歲齡雌性山羊18只,體重29~33 kg,由四川大學動物實驗中心提供,所有手術均在四川大學動物實驗中心手術室進行;術前禁食24 h,禁水8 h。
PHC Cage、鈦合金Cage、鈦合金固定板(四川國納科技有限公司);螺釘(上海創生醫療器械有限公司)。生物力學試驗儀(深圳瑞格爾儀器設備有限公司);熒光顯微鏡(Olympus公司,日本);掃描電鏡(中國科學院成都分院科學儀器廠);硬組織切片機、硬組織修塊機(Leica公司,德國);測量軟件Canvas 11(ACDSystem公司,美國)。
1.2 實驗分組及方法
將18只山羊隨機分為3組,分別為PHC Cage組(A組)、鈦合金Cage組(B組)及自體髂骨組(C組),每組6只。參考van Dijk等[7]及Kanayama 等[8]的手術方法,建立山羊腰椎椎間融合模型。山羊取右側臥位,肌肉注射鹽酸噻拉嗪(0.04 mL/kg)麻醉后,取腹膜外入路顯露L3、4椎間隙,徹底清除椎間盤及軟骨終板后取同側髂骨松質骨。A、B組將其修剪成骨粒,填充于對應Cage腔內;C組修整成與Cage規格一致的三面皮質骨塊。將Cage或髂骨塊植入椎間隙,于L3、4椎體側方使用鋼板螺釘固定,逐層縫合切口,無菌敷料包扎。手術結束后靜脈注射鹽酸苯惡唑(0.04 mL/kg)催醒。術后8 h進水、24 h進食,3 d內每天肌肉注射青霉素240萬U。術后24周采用安泰注射液深度麻醉后,心臟穿刺放血處死動物,完整切取L3、4節段進行觀察。動物處死前3 d按每次0.25 g/kg、每天2次的劑量將四環素粉末混合于飼料中喂食動物。
1.3 評價指標
1.3.1 一般情況
術后觀察各組山羊一般情況、四肢活動及步態,切口愈合情況、有無滲液及竇道形成 等。
1.3.2 影像學檢查
術前及術后4、12、24周各組行X線片檢查,明確手術節段、Cage或骨塊及內固定物位置,采用測量軟件Canvas 11測量椎間高度(disc space height,DSH),以椎間隙前緣和椎間隙后緣高度均值作為DSH。術后24周行CT三維重建檢查,采用改良Brantigan融合評分[9]評定椎間融合程度,≥3分者視為骨性融合。
1.3.3 生物力學測試
術后24周各組取L3、4節段標本,使用生物力學試驗儀施加非破壞性前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉6個模式載荷,力矩2 N·m,反復加載、卸載循環3次,第3次記錄相應數據,以消除軟組織黏彈性和蠕變對結果的影響,記錄6種載荷下的運動范圍(range of motion,ROM)。
1.3.4 組織學觀察
生物力學測試后,用硬組織修塊機修整標本,制作L3椎體-Cage側壁-L4椎體的矢狀面切片,片厚2 mm,每組標本留取2塊切片進行掃描電鏡觀察。其余切片用硬組織切片機切割標本,獲得5 μm厚組織切片,使用熒光顯微鏡觀察四環素熒光標記情況,其中沉積在骨表面的四環素熒光呈黃色。然后取切片行HE染色及甲苯胺藍染 色,光鏡下觀察Cage周圍有無炎性反應,Cage與 椎體骨界面結合情況,以及Cage內植骨融合情 況。
1.3.5 掃描電鏡觀察
各組取2塊切片修剪至直徑與高度均不超過10 mm的塊狀,2.5%戊二醛固定,50%~100%梯度乙醇逐級脫水,離子濺射法噴金,掃描電鏡下觀察Cage與宿主骨的界面整合情況以及PHC Cage表面降解情況。
1.4 統計學方法
采用SPSS17.0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Tukey HSD 檢驗;檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 一般情況
各組山羊均存活至實驗完成,切口愈合良好,無神經損傷、滲液及竇道形成等并發癥發生。
2.2 影像學檢查
2.2.1 X線片
各組術后4周DSH均較術前增高,之后呈下降趨勢。其中,A、B組手術前后各時間點間比較,差異均無統計學意義(P>0.05);C組術后12、24周DSH顯著低于術前及術后4周,差異有統計學意義(P<0.05),術后12、24周以及術前、術后4 周間比較差異無統計學意義(P>0.05)。
術前及術后4周,3組間比較差異均無統計學意義(P>0.05)。術后12、24周,A、B組DSH均顯著高于C組,比較差異有統計學意義(P<0.05);A、B組間比較,差異無統計學意義(P>0.05)。見表 1及圖 1。


2.2.2 CT三維重建檢查
術后24周,CT三維重建示A組椎間骨痂連續,Cage周圍透亮線不明顯,改良Brantigan融合評分為(3.67±0.52)分,均達骨性融合;C組椎間可見連續骨痂通過,評分為(3.50±0.55)分,均達骨性融合;B組部分標本椎間未見明顯骨痂且Cage周圍透亮線明顯,評分為(2.00±1.10)分,其中3只評分達3分以上,達骨性融合。A、C組評分均高于B組,差異有統計學意義(P<0.05);A、C組間比較差異無統計學意義(P>0.05)。見圖 2。
2.3 生物力學測試
術后24周各組前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉ROM均在4°以內。A、B組各方向ROM比較,差異均無統計學意義(P>0.05);但均小于C組,差異有統計學意義(P<0.05)。見表 2。

2.4 組織學觀察
2.4.1 四環素熒光標記觀察
熒光顯微鏡下,A組植骨區域及Cage宿主骨界面可見斑片狀金黃色熒光帶;B組僅在Cage植骨區域見斑片狀金黃色熒光帶;C組在上、下椎體邊緣及植骨區域間出現金黃色熒光帶。見圖 3。
2.4.2 HE及甲苯胺藍染色觀察
光鏡下,A組Cage內部大量新生骨形成,Cage與宿主骨界面結合緊密,Cage表面微降解,可見骨小梁及軟骨細胞形成。B組Cage內部可見少量新生骨形成,大部分區域被纖維組織填充,Cage與宿主骨間隔大量纖維組織。C組植骨區域可見大量新生骨組織,植骨界面可見纖維組織及軟骨細胞。見圖 4、5。

2.5 掃描電鏡觀察
掃描電鏡下,A組Cage與宿主骨連接緊密,界面未見明顯縫隙,部分區域呈骨性結合,Cage表面可見微降解。B組Cage與宿主骨界面連接欠緊密,部分區域可見明顯縫隙,部分區域由纖維組織填充。C組見髂骨植入區域與宿主骨連接緊密,界面未見明顯縫隙。見圖 6。
3 討論
脊柱動物模型主要用于研究脊柱的生物力學特點和脊柱內固定器械及植入物的應用。研究表明,四足動物的脊柱生物力學及形態學與人一致,其脊柱承受負荷方向與脊柱長軸一致,且骨小梁方向也是平行的[8, 10-12]。為此,本研究選擇山羊作為研究對象。但四足動物椎體承受軸向負荷較大,椎體骨小梁密度高于人類,這一點在力學測試時需注意[10]。
術后DSH變化與術中椎間隙撐開、終板準備,Cage或髂骨塊力學性能及Cage降解性能等有關[7]。本研究結果顯示,術后4周3組間比較差異均無統計學意義;12、24周時A、B組DSH均顯著高于C組,但A、B組間差異無統計學意義。其原因可能為PHC Cage支撐強度大、彈性模量低,體內僅產生微降解,且與宿主骨結合緊密,因而能夠有效維持椎間高度;鈦合金Cage力學性能優異,雖然應力遮擋明顯但仍能維持椎間高度;而山羊三面皮質髂骨皮質較薄,支撐強度差、吸收快,故維持椎間高度的能力較差[13]。加之山羊脊柱軸向應力高[10],因而髂骨吸收速度可能會遠高于新生骨形成速度,進而出現DSH降低。
生物力學測試ROM可評價融合節段穩定性,從而間接衡量椎間融合效果(<4°視為融合) [14-15]。本研究結果表明,術后24周各組前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉ROM均在4°以內,A、B組各方向ROM差異無統計學意義,且均優于C組。A組使用PHC Cage椎間融合良好,且Cage支撐強度高,與宿主骨結合緊密,故穩定性良好。雖然B組鈦合金Cage椎間融合較A組欠佳,但其力學強度大、支撐作用好,加上周圍組織包裹及纖維連接,也保證了融合節段穩定性。而C組自體髂骨雖椎間融合良好,但因山羊髂骨本身強度較差,且新生骨未完成改建、塑形,因此雖已達到融合標準,但穩定性較A、B組差。
CT檢測植骨融合的敏感性及特異性均優于X線片檢查,而且可對骨痂形成體積進行量化[16]。本研究采用CT改良Brantigan融合評分[9]觀察椎間骨痂形成、Cage周圍有無透亮線判斷椎間融合情況。結果提示A、C組評分均達3分以上,獲骨性融合,而B組僅3例獲骨性融合。組織學觀察可直接、客觀評價椎間融合 [17]。組織學觀察示A組植骨區域可見大量新生骨形成,部分區域連續骨小梁通過,Cage表面微降解伴新生骨形成;C組植骨區域見大量新生骨;B組新生骨范圍較小,界面大量纖維組織形成。其原因可能是PHC Cage 彈性模量低,應力遮擋小,適當應力能夠刺激Cage內新生骨的形成,同時材料中Ca2+釋放及表面磷灰石結晶的沉積利于新生骨的形成并與納米羥基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-HA)直接鍵性結合[9, 18-19]。鈦合金Cage彈性模量大,應力遮擋明顯,Cage內部新生骨缺少應力刺激,骨生成緩慢[8, 20]。三面皮質髂骨具有骨誘導、骨傳導和骨生成的作用,故植骨融合較 快。
四環素在熒光顯微鏡下自發金黃色熒光,與成骨細胞有特殊親和力,能夠反映新生骨合成情況[21]。A組植骨區域出現大量斑片狀金黃色熒光帶,范圍與C組類似,明顯大于B組,說明PHC Cage 椎間植骨融合能力優于鈦合金Cage,與髂骨類似;另外PHC Cage與骨界面熒光帶的出現提示界面結合處亦有新生骨形成。
掃描電鏡結果顯示PHC Cage與椎體結合較鈦合金Cage緊密,且Cage表面可見微降解伴界面新生骨形成。PHC Cage中硫酸鈣降解后Ca2+釋放,表面新生骨與n-HA直接鍵性結合,故Cage與宿主骨能夠形成緊密的骨性結合[13]。而鈦合金Cage植入體內后,Cage骨-界面靠纖維組織連接,故界面結合欠緊密。
綜上述,動物實驗表明PHC復合材料制備的腰椎Cage植入體內后可促進腰椎椎間融合,植入體內24周表面微降解并與宿主骨緊密結合,但長期降解情況仍需進一步觀察。