新型人工颈椎间盘山羊模型的建立及其研究

娄纪刚，刘浩*，武文杰，李会波，王贝宇，戎鑫

(1.四川大学华西医院骨科，四川 成都 610041；2第三军医大学西南医院骨科，重庆 400038)

实验研究

新型人工颈椎间盘山羊模型的建立及其研究

娄纪刚1，刘浩1*，武文杰2，李会波1，王贝宇1，戎鑫1

(1.四川大学华西医院骨科，四川 成都 610041；2第三军医大学西南医院骨科，重庆 400038)

目的 观察新型国产人工颈椎间盘植入山羊体内后的效果，为其进一步的改进和临床应用提供实验基础。方法 12只雄性山羊，均行C3～4新型国产人工颈椎间盘置换术。所有山羊于术前及术后不同时间点均行颈椎正侧位X线检查，测量C3～4节段椎间高度(disc height，DH)，椎间角(intervertebral angle，IVA)和脊柱功能单位(functional spinal unit，FSU)Cobb角，并进行统计学分析。结果 所有实验山羊均成活，无伤口感染，未出现瘫痪。术后第2天，有一只山羊出现声音嘶哑，但1周后逐渐恢复正常。术前及术后不同时间点的C3～4节段椎间高度、IVA和FSU Cobb角的对比分析显示，差异均无统计学意义。结论 新型国产人工颈椎间盘系统操作简便，实验动物术后并发症少，且较好的维持了目标节段椎间高度和颈椎生理曲度。

新型颈椎间盘假体；颈椎间盘置换；动物模型；动物实验；颈椎曲度

人工颈椎间盘置换术的设计理念是使用假体替代原有的椎间盘，行使其功能，达到维持手术节段椎间高度，保留置换节段活动范围，并可能延缓邻近节段椎间盘的加速退变[1-3]。因而，近年来人工颈椎间盘置换术成为了脊柱外科领域研究的热点。但目前国内临床常用的人工颈椎间盘基本都是进口产品，不仅价格昂贵，而且主要参照欧美人种设计，在尺寸、生物力学方面与亚洲人种有差异[4-5]。因此，研发与国人颈椎间盘的生理特征更相符的国产化人工颈椎间盘产品，是一个十分重要且紧迫的课题。

在此形势下，我院与江苏创生医疗器械有限公司等机构合作，共同研发了与国人颈椎间盘的生理特征更相符的国产人工颈椎间盘Pretic-I(国家实用新型专利，专利号ZL201120045610.5)。产品采用球-槽关节设计，由上、下板及1块半球形的内核组成，上下板材料为钛合金(Ti6A14V)，内核材料为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)[6]。人的尸体颈椎标本作为体外生物力学研究的常用模型得到了广泛的应用。而该新型国产人工颈椎间盘植入尸体颈椎后的生物力学研究表明，其能有效维持置换节段的运动功能，并可能延缓邻近节段椎间盘髓核内压力的过度增加[7]。然而，尸体颈椎标本在几何形态和机械特性方面变化较大，不能很好的模拟临床真实状态；且无法良好反映间盘置换对置换节段椎间高度和颈椎曲度的影响。

因此，本实验通过建立国产人工颈椎间盘的山羊模型，观察手术时间、出血量、手术并发症及术后恢复情况等，并对比分析影像学指标，以评估国产人工颈椎间盘在山羊体内的效果，为其进一步的改进和临床应用提供动物实验基础。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取健康成年雄性山羊12只，年龄2～3岁，体重(29±3.1)kg。术前均行颈椎正侧位X线检查，排除明显骨病、畸形、外伤、骨质疏松等。将所有山羊随机编号，均行C3～4椎间盘摘除，Pretic-I新型人工颈椎间盘置换术。术后即刻、3个月、6个月、12个月均行山羊颈椎正侧位X线检查。

1.2 手术方法 术前24 h禁食。术前30 min肌注速眠新Ⅱ注射液合剂1.5 mL，建立静脉输液通道，然后以丙泊酚6 mg/kg·h的速度静滴，麻醉成功后气管插管。动物采用仰卧位，四肢固定于手术床上，颈部垫高固定，常规手术区消毒铺巾。沿颈前右侧胸锁乳突肌内侧缘作一长7～8 cm斜切口，逐层分离皮下组织、颈阔肌，钝性分离，从气管、食管与颈血管鞘之间的间隙进入，直达椎前筋膜。通过触摸寰椎前结节定位。在两侧颈长肌之间进入，骨膜下剥离，用拉钩将颈长肌向两侧牵开，显露C3、C4椎体及椎间盘。切开C3～4椎间盘前方纤维环，髓核钳尽可能清除髓核组织，采用Caspar撑开器平行撑开目标椎间隙，刮匙及椎板咬骨钳清除后方残余纤维环及髓核组织，用高速磨钻打磨终板，明胶海绵彻底止血。使用Pretic-I专用试模器确定植入假体的大小。试模满意后于椎体相应位置打孔、开槽，植入确定型号的假体(见图1)。再次透视颈椎正侧位X线片，明确假体位置合适后(见图2)，冲洗伤口，逐层缝合切口，切口涂抹红霉素软膏。

1.3 术后处理 术后无需颈椎外固定护理，正常进食水。术后前3天每日肌注青霉素80万U，术后第1周每日观察动物切口、饮食、呼吸、大小便等，且切口每日碘伏消毒，并涂红霉素软膏，预防切口感染。

1.4 影像学评估 术前、术后即刻、3个月、6个月、12个月均行山羊颈椎正侧位X线检查。采用矢量绘图软件Canvas 11(ACD Systems公司，美国)于颈椎侧位X线片上测量C3～4节段椎间高度(disc height，DH)，椎间角(intervertebral angle，IVA)和脊柱功能单位(functional spinal unit，FSU)Cobb角。C3～4节段平均椎间高度为前缘椎间高度、中间椎间高度和后缘椎间高度的均值(见图3)。采用Cobb法[8]测量C3～4节段IVA，即C3椎体下缘与C4椎体上缘切线的交角；目标节段FSU Cobb角，即C3椎体上缘连线与C4椎体下缘连线的夹角(见图3)，比较术前、术后DH、IVA与FSU Cobb角的变化情况。

1.5 统计学方法 所有的测量指标均以“均数±标准差”表示，采用SPSS 19.0统计软件包(IBM公司，美国)进行统计学分析。术前及术后不同时间点测量指标的比较采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，服从正态分布且方差齐同条件下，采用LSD法；方差不齐条件下，采用Dunnett T3法。检验标准为a=0.05。

2 结 果

2.1 一般结果 12只山羊均顺利完成C3～4椎间盘置换手术，术后所有山羊均成活，且四肢活动良好，切口均未出现感染，为甲级愈合，未出现瘫痪。术后第2天，有1只山羊出现声音嘶哑，疑为术中刺激喉返神经所致，1周后逐渐恢复正常。术后山羊颈椎正侧位X线片显示，颈椎间盘假体位置良好，无明显颈椎不稳等。平均手术时间为(75.0±5.0)min，平均出血量为(5.5±1.5)mL，术后恢复正常活动的时间平均为(5.0±1.3)h。

2.2 影像学结果 山羊术前及术后不同时间点的影像学结果见表1。结果显示，术后即刻、3个月、6个月、12个月的DH均较术前显著增加，且差异均有统计学意义(P<0.05)，而术后不同时间点的DH相比，差异均无统计学意义(P>0.05)。术前、术后即刻、3个月、6个月、12个月不同时间点的IVA及FSU Cobb角对比分析显示，差异均无统计学意义(P>0.05，见表1)。

表1 山羊手术前后不同时间点DH、IVA、FSU Cobb角比较

3 讨 论

山羊颈椎与人的颈椎相似，具有7个椎体和6个椎间盘，虽然形态上与人的颈椎有差别，但在解剖结构和尺寸上与人的颈椎最为接近[9-10]。而且，山羊头部直立，垂直负重，其颈椎的承重轴和力学特点也和人的颈椎相似。因此，山羊颈椎模型是颈椎外科内植物应用于临床前最常用的实验动物模型。Kandziora等[11]的研究表明山羊C2～3、C3～4节段的生物力学特性接近人体颈椎。山羊C2～3节段相比C3～4节段，其椎间隙更窄，且活动度也稍差。Wilke等[10]对山羊与人脊柱特点的对比研究也指出，山羊颈椎与人体颈椎有很大的相似性，特别是C3～4节段与人的C5～6节段最为接近。因此山羊的C3～4节段更适合人工颈椎间盘的植入。

a Pretic-I国产间盘 b 植入确定型号的间盘假体

图1 确定型号的间盘假体植入过程示意

图2 山羊颈椎正侧位X线片示间盘假体位置良好

注：ADH-前缘椎间高度；MDH-中间椎间高度；PDH-后缘椎间高度；DH=(ADH+MDH+PDH)/3；IVA-椎间角，即C3椎体下缘与C4椎体上缘切线的交角；FSU-Cobb角，即C3椎体上缘连线与C4椎体下缘连线的夹角

图3 山羊颈椎侧位X线片上影像学指标测量示意

颈椎间盘置换的目的是有效维持置换节段椎间高度，保持手术节段活动范围[12-13]。我们将国产人工颈椎间盘植入山羊C3～4节段后，术后即刻、3个月、6个月、12个月的椎间高度相比术前均显著增加，且差异均有统计学意义(P<0.05)；术后不同时间点的C3～4节段椎间高度对比分析，结果均无显著性差异，表明新型国产人工颈椎间盘置换后较好的维持了目标节段的椎间高度。另外，术前及术后即刻、3个月、6个月、12个月不同时间点的IVA和FSU Cobb角的对比分析，也表明差异均无统计学意义；且颈椎曲度(FSU Cobb角)与之前的研究结果类似[14]，这表明新型国产人工颈椎间盘较好的维持了C3～4节段IVA和FSU Cobb角，有利于颈椎生理曲度的良好保持。

尽管人工颈椎间盘置换术具有其优势，但假体相关的并发症也时有报道。其中，假体下沉是人工颈椎间盘置换术后最常见的假体相关并发症，发生率约3%～10%[15]。造成假体下沉的原因主要有两点：一是终板过度打磨，导致其生物力学强度下降；二是间盘假体的形态与颈椎终板不符，或假体尺寸偏小，均造成板-骨接触面积减小，下沉风险增大[16-17]。而国产间盘假体终板的设计具有一定的凸度，可一定程度的提高假体终板与颈椎终板在形态上的契合度，增加板-骨接触面积，减少点状受力，进而减少下沉等并发症的发生。此外，异位骨化也是颈椎间盘置换术后的一种常见并发症[18]。但实验山羊的随访研究中，并未发现明显的下沉和异位骨化的发生。这可能与我们的临床观察时间较短和样本量相对较少有关，仍需进一步的深入研究。而我们对于山羊颈椎屈伸活动范围的观察，均是在山羊麻醉的情况下，人为的屈、伸山羊颈椎并拍摄X线片，但该法差异性较大，不能准确反映山羊颈椎的活动情况，值得我们探究一种合适的方式用于评估在体运动状况。另外，间盘置换术后邻近节段的退变情况仍需后续的深入研究。

新型国产人工颈椎间盘相比目前临床常用的人工颈椎间盘，具有如下特点：a)设计上主要参照国人的颈椎解剖特点；b)该间盘上、下板为钛合金材质，内核采用超高分子量聚乙烯，尽可能减少假体磨损后产生的细小的金属碎屑，进而减少假体相关并发症的发生；c)该间盘终板表面设计上具有一定的凸度，与颈椎下终板契合更佳，板-骨接触面积增大，不仅可提高假体植入后的初期稳定性，并有利于其长期稳定性和减少下沉等相关并发症。另外，进口产品价格昂贵，人工颈椎间盘国产化后，将更具有价格优势。但对于国产人工颈椎间盘的临床有效性和实用性，仍需进一步的深入研究。

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Establishment of Novel Artificial Cervical Disc Goat Model and Related Study

Lou Jigang1，Liu Hao1，Wu Wenjie2，et al

(1.Department of Orthopaedics，West China Hospital，Sichuan University，Chengdu 610041，China；2.Department of Orthopaedics，Southwest Hospital，The Third Military Medical University，Chongqing 400038，China)

Objective To observe the effect of novel domestic-made artificial cervical disc in vivo with goat model，in order to provide an experimental basis for further improvement and clinical application.Methods 12 male experimental goats underwent C3～4novel domestic-made artificial cervical disc replacement.All the goats were examined preoperatively and postoperatively on anteroposterior and lateral radiographs.The disc height (DH)，intervertebral angle (IVA) and functional spinal unit (FSU) lordosis angle were measured and analyzed statistically.Results All experimental goats survived after operation，without incision infection and paralysis.Hoarseness occurred in one goat the second day after operation，and disappeared one week later.Statistical comparison in DH，IVA and FSU lordosis angle at C3～4segment showed no significant difference among different time points.Conclusion Novel domestic-made artificial cervical disc system is easy to operate，has less complications，and can maintain the postoperative disc height and cervical spinal curvature well.

new cervical disc prosthesis；cervical disc replacement；animal model；animal experiment；cervical curvature

1008-5572(2017)05-0426-04

四川省科技支撑计划(2014SZ0236)；国家实用新型专利：一种人工椎间盘(ZL201120045610.5)；*本文通讯作者：刘浩

R322.7+1

A

2016-11-04

娄纪刚(1988- )，男，博士研究生在读，四川大学华西医院骨科，610041。

娄纪刚，刘浩，武文杰，等.新型人工颈椎间盘山羊模型的建立及其研究[J].实用骨科杂志，2017，23(5)：426-429.