微创经椎间孔腰椎椎体间融合术中融合器的应用进展

王中华 综述 刘 林

(甘肃中医药大学临床医学院，兰州 730000)

后路腰椎椎体间融合术(posterior lumbar interbody fusion，PLIF) 因良好的临床和影像学效果[1，2]，一直被认为是治疗退行性病变的金标准。但是PLIF术后因硬膜囊及神经根的牵拉刺激会产生术后疼痛，治疗腰椎滑脱术后一过性下肢麻痛的发生率较高。1982年经椎间孔腰椎椎体间融合术 (transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)首次出现，与传统PLIF相比，经椎间孔入路可以最小限度地减少神经收缩，降低神经根损伤和其他并发症的发生率，且术中对硬膜囊、神经系统造成的创伤较小，较好保存小关节及健侧椎板等结构，对脊柱力学结构影响较小，相对安全系数较高。随着微创理念的发展，微创经椎间孔腰椎椎体间融合术 (minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion，MIS-TLIF)通过椎旁微小切口经Wiltse入路到达病变部位，通过自然肌间隙进入，减少对椎旁软组织的广泛剥离，相比于前两者，术中出血量及术后引流量更少，患者下床时间更早，疼痛缓解更快。MIS-TLIF 疗效确切，优点突出，但对术者的技术要求明显提高。MIS-TLIF操作空间狭小，解剖标志显露不全，操作难度高，学习曲线陡峭[3，4]，妨碍未受过训练的外科医生进行充分的减压和终板准备，并且有可能导致并发症[5]，术者往往需要积累大量开放手术经验方能熟练应用此术。本文对MIS-TLIF术中融合器的临床应用进行文献分析，旨在指导MIS-TLIF在临床中更好的操作。

1 椎间融合器

融合器最初的应用遇到很大的争议。虽然它们提供轴向稳定性且增强节段融合，但早期的研究并没有在单纯后外侧融合和经椎间融合术的患者之间发现显著差异[6，7]。传统术中融合器材料有不锈钢、聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)、钛合金、陶瓷等，以上材料弹性模量较高而导致其与人体骨组织之间弹性模量不匹配，预后效果欠佳。中国科学院沈阳金属研究所已经研制出具有自主知识产权的新型PEEK/羟基磷灰石/碳纤维骨修复材料融合器；融合器有方形、梯形、圆柱状、箱形，更有记忆合金椎间融合器。椎间融合器在腰椎滑脱症的病例中恢复椎间孔高度、保持腰椎前凸和防止腰椎进一步滑脱[8～12]，通过分散拉伸韧带和环状结构来稳定脊柱节段，有专家建议采用双侧融合器来保持关节稳定[13～15]，增加关节融合的表面积，但由于生物力学稳定性和临床结果的相似性，单侧融合器最终成为MIS-TLIF的标准。

1.1 钛合金融合器

钛合金椎间融合装置, 耐腐蚀性强、组织相容性好,抗压强度、疲劳耐受性、生物力学性能均符合人体生理要求，而且钛金属具有记忆性，能增加植入物-骨表面的生物力学作用，提高种植体-骨界面剪切力帮助种植体与终板的锁定，更加有利于骨融合[16]。选择腰椎管狭窄症以及腰椎间盘突出症伴有腰椎不稳经正规保守治疗无效的患者，微创经椎间孔椎体融合术联合单侧方法进行双侧减压。钛合金材料融合器能促进成骨细胞的成熟，也可抑制破骨细胞的活性，生成一种包括骨形态蛋白的骨生成环境而促进骨质融合。钛合金融合器相对锋利，能够牢固的固定在椎体终板上，从而提供一个术后即刻稳定性，同时发挥其促进植入物表面骨生成、增加生长因子、激素等对成骨细胞的作用[17]。钛合金融合器的弹性模量高达110 GPa，远远高于骨皮质12 GPa的弹性，PEEK融合器的弹性模量为3.5 GPa[21]，后者更加与皮质骨相近。然而，钛合金融合器会表现出较高的下沉率，Tokuhashi等[18]报道66例融合术后10年内随访，70.8%的钛合金融合器下沉，上终板下沉深度为4.0 mm，下终板下沉深度为2.7 mm。Kim等[19]报道钛合金组和PEEK融合器组下沉率分别为36%(19/52)和30%(16/52)，二者未见明显统计学差异，与Nemoto等[20]报道钛合金35%(9/23)和PEEK融合器28%(7/25)下沉率基本一致。刘瑞端等[21]报道钛合金融合器下沉主要出现在上终板，可能是因为下终板骨密度较上终板高40%[22]。关于下沉率，还需进行大量临床研究进行对比，轻度下沉可不表现临床症状，重度下沉可引起骨不愈合及椎间高度的丢失和矢状面的失衡。

1.2 PEEK融合器

PEEK是一种强度高、硬度高、耐腐蚀且性质稳定的机械性能良好的塑性聚合物，具有良好的生物相容性，另一优势是可以透过X射线[23]，在术中、术后可观察融合器的位置是否恰当。刘利君等[24]通过对PEEK融合器进行细胞毒性、全身毒性、黏膜刺激等试验，证实PEEK融合器的生物安全性。Vadapalli等[25，26]报道PEEK融合器具有促进骨质融合的优越性及安全性。Niu等[27]认为在保证安全性的同时，PEEK融合器能更好地纠正颈椎前凸的角度，提高椎体的稳定性和维持椎间隙的高度。刘瑞瑞等[21]报道104例单节段腰椎疾病中，54例置入钛合金融合器，50例置入PEEK融合器，随访24个月，未证实PEEK融合器的临床效果优于钛合金融合器，原因可能是PEEK生物活性较低[28]，由于疏水的表面，从而不利于细胞的黏附，使PEEK植入体与宿主骨组织之间的成骨能力较差，经常导致相关并发症的发生。例如融合器移位，融合器下沉或假性关节，特别是对于严重骨质疏松症患者。为解决这一问题，学者们着重改良融合器结构以及研发PEEK复合材料，希望从这两方面改善PEEK成骨能力。Schimmel等[29]认为PEEK融合器表面设计的牙齿不如钛合金锋利，不能够牢固的把持在椎体终板上，这是导致椎间出现微动就可导致不愈合的一个原因[30]。如果将PEEK融合器制成具有多级微纳孔隙结构，可以提高细胞的快速响应、调控干细胞的定向分化以及保障修复过程中的血管新生和营养传输。Evans等[31]采用熔融挤出技术制备一种表面多孔PEEK (SP-PEEK)材料，大鼠的生物试验显示：SP-PEEK能够在保持承载骨科应用所需的结构完整性的同时，提供更好的骨整合。Wang等[32]采用共混法制备PEEK/纳米氟羟基磷灰石(PEEK/n-FHA)生物复合材料，细胞培养试验结果显示：PEEK/n-FHA复合材料培养的细胞中，碱性磷酸酶活性和细胞矿化率相对PEEK组较高，更重要的是，PEEK/n-FHA组的新生骨体积明显高于PEEK组，更快地促进体内骨整合。钛涂层PEEK融合器虽然改善效果，但是表面钛涂层的磨损碎片限制钛涂层PEEK融合器的进一步发展[33]。因此，如何最大发挥生物活性性能的前提下，又能保持PEEK复合材料的力学性是目前临床思维应该解决的重点。今后的研究重点不仅局限于动物及细胞实验，需在临床上验证其可行性。

1.3 陶瓷融合器

陶瓷材料是将良好的力学性能，骨传导作用和可生物降解融为一体，并且符合生物力学的要求。生物陶瓷因良好的生物相容性、可降解性及骨传导作用已广泛应用于骨科临床的骨肿瘤、炎症以及骨病等所致的骨缺损和骨融合等相关疾病。陶瓷是全关节置换术中常用的材料[34]。许多医生探索将自体骨混合β-磷酸三钙(β-tricalcium phosphate，β-TCP)生物陶瓷应用于临床，Muschik等[35]手术矫正28例青少年特发性脊柱侧凸，脊柱融合术使用自体骨颗粒状生物陶瓷，影像学显示术后13个月已融合良好，无假关节形成。生物陶瓷颈椎椎体间融合器的椎间支撑能力、生物力学性能以及椎间融合效果很适合脊椎椎间融合的应用。因为陶瓷弹性模量与骨接近,理论上沉降趋势应该小于钦网等金属制作的椎间融合器，具有良好的抗压强度。Petrovic等[36]研究PEEK与β-TCP(5%、10%、20%和40%) 混合后对培养成骨细胞的影响，采用WST-1法将正常人成骨细胞接种到复合材料表面上，观察培养24、72、120 h后细胞活力和增殖情况，以标准组织培养塑料为对照，PEEK及其复合材料表面上的成骨细胞均存活，随着β-TCP 浓度升高细胞增殖逐渐受到抑制。

1.4 碳纤维(carbon fiber,CF)融合器

CF是一种性能优异的增强纤维，对增强树脂类复合材料具有优异的力学性能。CF亦具有与骨相似的弹性模量，以及对术后成像伪影较小的优点。宋成哲等[37]选择L3～S1腰椎退行性变60例(男33例，女27例)，随机均分为CF组和钛网组，3～27个月随访显示，CF椎间融合器置入治疗腰椎退行性变具有良好的生物相容性，可保持椎体稳定性，恢复椎间高度，且并发症的发生率更低。CF可以通过提高机械性能来增强PEEK融合器的使用效率，减少CT和磁共振成像上的图像伪影。Laux等[38]报道2例手术固定不同解剖区域的溶骨性骨损伤，使用CF/PEEK植入物。与传统钛合金椎弓根螺钉相比，在脊柱内固定模型中，CF/PEEK椎弓根螺钉的伪影体积显著减少，因为CF/PEEK植入物的放射密度更接近于被照射组织的辐射密度，在CT和MRI中显示的伪影明显较少[39]，使骨损伤愈合、进展观察更加清晰，且有利于复发的放射学随访的监测，伪影的减少也改善后续基于CT的放射治疗计划。对于脊柱肿瘤患者，CF减少伪影有利于患者术后影像学和放射治疗计划，可以最大程度优化预后和整体生存[40]。Sardar等[41]报道1例49岁女性患者，在L4～5和L5～S1后路内固定和微创经椎间孔腰椎间融合术后2年行翻修前路腰椎间植骨融合术，患者2个先前融合的节段出现假关节且后路内固定失败，L5～S1的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinfored polymer,CFRP)支架断裂。如果脊柱节段发生机械不稳定或骨不连，CFRP植入物可能会破裂，此个案强调通过优化医疗管理和细致的手术技术来实现CF融合器的稳定。

1.5 多孔钽融合器

钽不仅对人体无害，还有利于骨骼细胞附着生长。Matsuno等[42]通过将钽丝植入鼠腹部皮下和股骨髓腔内，证实钽不仅不会引起炎性反应，且硬组织学检测显示植入物周围有新骨形成，具有良好生物相容性。由于多孔钽良好的生物相容性及三维多孔结构，使骨组织能长入多孔钽内部，且多孔钽制成的新型融合器可加快骨骼生长和关节融合，原因是多孔钽在结构上与松质骨非常相似[43]，较低的弹性模量不仅改善载荷传递，同时也减少应力屏蔽，但是还需进一步的研究来完善[44]。张振军等[45]选取L2～5作为手术模型的原始对照组，建立不同入路的完整腰椎三维有限模型，实验方法获得多孔材料的力学参数，研究显示多孔钛椎间融合器在提高融合效果的同时，细微的骨小梁结构可能会导致终板表面损伤，需要对多孔钛椎间融合器的表面微观结构优化，从而使椎体和多孔钛椎间融合器之间的表面融合更加接近自然生理状态。Kasliwal等[46]报道13例多孔钽环装置治疗单节段退行性颈椎间盘疾病的安全性和有效性，5例多孔钽装置碎裂，1例装置侵蚀累及椎体，从而认为独立的多孔钽材料因为关节融合率低，存在设备碎裂风险，并非颈椎椎体间融合术的理想材料，提示我们对独立钽椎间装置用于颈椎融合术有效性的关注。

各种融合器不断地被设计和完善，以优化脊柱生物力学和临床结果[20]，倾斜定向的曲线或“香蕉形”椎间融合器的放置符合人体工程学原理。2种类型的融合器具有相似的融合率，原因可能与相似的表面区域相关，这一观点有待被证实，但是关于沉降率，直线和曲线的设计仍然存在问题。另一方面，可膨胀形融合器的探索有了进展[47]，外形细长的可膨胀形融合器，不仅可以原位膨胀，更可以通过内侧向外侧扩张或通过机械牵张而变得“量身定做”，加上所需视野暴露的减少，使微创手术的学习曲线变的平缓。可膨胀融合器在经孔入路中表现出较好的临床和影像学效果[48]。然而，无论融合器的设计如何，充分的终板准备对于优化整个脊柱节段的融合仍然是至关重要的。

2 融合器相关并发症

腰椎融合术在治疗腰椎滑脱症、腰椎管狭窄的同时，术后邻近节段的退变引起更多关注。陈纪宝等[49]通过螺旋CT扫描以及利用Mimics、HyperMesh及GeomagicStudio逆向工程软件建立腰椎植骨融合的有限元模型，并对比以及利用ABAQUS运算邻近节段的压应力变化，得出术后各腰椎整体平均刚度均增大，邻近节段间盘应力均增加。Harrop等[50]系统性回顾分析1216例腰椎融合术，术后3～21年随访结果显示，邻近节段退变性疾病发生率14%(173例)。Hayashi等[51]对32例腰椎后外侧融合术后进行至少4年随访，12例(46.3%)出现邻近节段退变的影像学改变。融合器植入椎间后，与椎体的上下终板接触，植骨也将与终板形成骨性融合，因此，椎体和终板的解剖及力学特征对融合器的稳定和植骨融合起到至关重要的作用。李光灿等[52]改进外侧及后侧支撑面，将其适当变窄，内侧支撑面不变，这样可以在保证融合器植入椎间后，终板后外侧较高的强度，防止融合器陷入椎体，同时又极大地增加融合面的面积，改进后的融合面面积增加29.8%，理论认为融合器体积越大、骨性终板与融合器接触面积就越大，腰椎融合节段就越稳定，融合率越高，但实际较大体积融合器对关节突和椎间盘纤维环等原有结构破坏过多反而变得不稳定，希望可以将椎体终板作为一个整体进行有限元分析，进一步指导优化融合器的设计，减少并发症发生率。

3 小结

随着我们对复杂脊柱病理和治疗认识的加深，脊柱微创手术也在不断发展。MIS-TLIF的引入使腰椎退变和不稳定的治疗模式发生转变。然而，在掌握手术技术和选择合适的手术器械以优化手术效果方面仍然存在挑战。总的来说，椎间融合器技术的进步使融合速度和稳定性达到最佳水平，已经开发多种骨移植方案来促进融合，并提供安全有效的补充骨融合的特性，以提供最大的融合率。类似地，椎弓根螺钉和棒系统提供即时的结构支持，直到脊柱节段的椎体间融合完成。