颈椎融合器的研究历史与现状*

杨毅 刘浩* 孟阳

自20 世纪50 年代Cloward、Smith 等[1-2]相继报道以来，颈椎前路减压融合术（anterior cervical decompression and fusion，ACDF）一直是治疗颈椎退变性疾病的经典手术方式。早期的 ACDF 手术由于缺乏颈椎前路钢板、椎间融合器（Cage）等内植物材料，术后患者需要辅助石膏外固定等长时间制动，且存在椎间隙高度丢失、植骨块移位、植骨不融合等并发症。随着科技的进步，颈椎前路钢板、Cage 等内植物的应用提高了即可稳定性、支撑强度、植骨融合率，ACDF手术的临床疗效不断提高，并发症逐渐降低。本文就颈椎椎间融合器的历史沿革、设计目的、分类及目前研究热点的几类融合器（多孔结构椎间融合器、零切迹椎间融合器、可降解椎间融合器）进行文献综述。

1 椎间融合器设计的历史沿革

融合器设计以早期的植骨块为雏形演变而来，Bagby[3]于1988 年率先设计了一种不锈钢制作的有孔圆柱状椎间融合器，并在马的颈椎上成功实施手术。随后融合器被率先用于人体腰椎融合，并在20 世纪90 年代开始应用于ACDF 手术中。早期的椎间融合器主要以一个具有中心空腔、侧面或上下有开口的可填充植骨材料形状设计，按外形分为螺纹结构和非螺纹结构。螺纹结构融合器是基于Cloward 在早期ACDF 手术中植骨块形状设计的，Sulzer Spinetech 公司在1992 年发布了一种填充自体骨的多孔钛合金圆柱体螺纹结构融合器BAK-C[4]。非螺纹结构融合器主要为圆柱形和箱形融合器，设计来源于Smith 和Robinson[2]早期ACDF 手术中马蹄形植骨块，最初为矩形设计，表面粗糙，与三皮质髂骨块相比具有更好的稳定性。随后箱形融合器出现梯形和楔形设计理念，梯形设计反向匹配终板以增加稳定性，楔形设计前高后低能更好地恢复颈椎曲度。有研究者设计出一种中间为圆柱状两侧带扁平翼的椎间融合器（WING Cage），该融合器侧翼的设计可以降低融合器下沉风险[4]。融合器外形设计的另一重大改进是零切迹设计，以Zero-P 椎间融合器和ROC 融合器为代表[5]。随后，融合器的设计改进重点转向融合器的材料与结构，聚醚醚酮（PEEK）材料融合器、可降解材料融合器、多孔结构融合器等一大批新型的融合器先后问世，成为颈椎融合器的研究热点。

2 椎间融合器的设计目的

2.1 提高即可稳定性

理想的融合器应当尽可能具有良好的即可稳定性（屈、伸、侧偏、旋转）直至颈椎手术节段骨性融合。早期研究集中在椎间融合器的设计形状对即可稳定性的影响，随后融合器增加设计有凸起、倒刺或螺钉，以增加融合器的稳定性。

2.2 融合器的支撑作用

融合器应具有足够的支撑强度，维持椎间隙的高度，避免融合器下沉造成椎间孔的下沉及颈椎曲度改变。融合器的支撑作用是短时间的，最终的支撑作用同样依赖于骨性融合。融合器的支撑作用受多方面因素影响: 融合器尺寸、形态设计、弹性模量、融合器与终板匹配程度、接触面积及椎体骨密度等[6-7]。

2.3 促进植骨融合

理想的融合器应当提供良好骨愈合的生物力学和生物学环境，一定程度的微动和应力刺激可以促进成骨，过多的应力遮挡则可能出现骨质吸收，不利于植骨融合[8]。自体髂骨为松质骨，具有骨诱导性和骨传导性，被认为是最好的骨移植材料，现阶段融合器采用涂层技术、多孔结构技术、使用特殊新材料、混合骨形态蛋白以及其他促进成骨的细胞或因子等多种方法来促进骨的生成和骨的长入[9-10]。

2.4 维持和纠正颈椎曲度

早期楔形设计的植骨块旨在维持颈椎曲度，众多的融合器采用前高后低的设计可更好地维持或者纠正颈椎曲度。

2.5 减少其他相关并发症

零切迹椎间融合器的设计被认为可降低 ACDF 术后吞咽困难发生率[11]。

3 椎间融合器的分类

目前，已经用于基础研究和临床应用的颈椎融合器种类繁多，根据不同的分类标准有不同分类体系，大致可以根据融合器形态设计分类、融合器材质分类。

根据融合器形态设计分类可以分为螺纹结构融合器和非螺纹结构融合器，螺纹结构融合器为横置的圆筒状或螺纹状，代表产品为BAK 融合器。非螺纹结构融合器主要为圆柱形融合器和箱形融合器，常见的有 CornerStone-SR 椎间融合器、WING Cage 等。此外，在外形设计上还具有一些特殊的融合器，如将钢板和融合器固定在一起的一体化钢板融合器（plate cage benezech，PCB）、将融合器前端与微型钢板螺钉系统结合在一起的零切迹椎间融合器Zero-P、将自锁定装置与椎间融合器结合在一起自锁式零切迹椎间融合器ROC。

融合器根据材质可以分为金属类融合器和非金属类融合器。目前，金属类融合器材质主要为钛合金; 非金属类融合器主要有碳纤维融合器、聚醚醚酮（PEEK）融合器、可降解材料融合器及复合材料融合器等。PEEK 材料融合器是目前市面上比较主流的一类非金属类融合器，其弹性模量较低、应力遮挡较小、内植物下沉风险降低、强度大、刚度高、生物相容性好且透过X 线光可清楚地显示成骨情况[12]; 可降解材料融合器的主要材质是聚乳酸、聚乙醇酸及羟基磷灰石/左旋聚乳酸复合材料等;复合材料融合器是指将两种或以上的材料复合制作融合器，以发挥各自的优势或产生新的作用优势，并改善单一材料的不足，如纳米羟基磷灰石/聚酰胺66 复合材料等[13]。

4 常用的椎间融合器

4.1 多孔结构椎间融合器

多孔结构椎间融合器主要为骨小梁钽金属和多孔Ti-6Al-4V 合金两大类。骨小梁钽金属是钽金属经气化沉淀技术制作而成的具有高孔隙率的结构性生物材料，其内部结构非常类似骨组织。骨小梁钽金属融合器表面摩擦系数高，能够提高其即可稳定性; 弹性模量低，能减少其应力遮挡和假体下沉风险;高空隙率的结构能够快速且广泛地使软组织及液体渗入并牢固地附着提供骨小梁长入的微环境[14]。目前，已经有多项研究显示骨小梁钽金属融合器的良好疗效，但是骨小梁钽金属融合器的远期安全性和疗效仍有待进一步研究[15-16]。另一类多孔Ti-6Al-4V 合金椎间融合器是一种由内部网格状多孔结构的钛合金制作而成的，弹性模量与骨组织接近、强度高、抗腐蚀，具有良好的组织相容性，其特殊的内部多孔结构可以促进骨的长入，在基础实验研究中已经观察到细胞的长入和增殖[17]。目前，多孔结构椎间融合器仍主要停留在基础研究阶段，尚缺乏足够的临床证据验证其促进骨小梁长入的能力。

4.2 零切迹椎间融合器

零切迹椎间融合器主要以将融合器前端与微型钛板螺钉系统结合在一起的 Zero-P 零切迹椎间融合器和将自锁定装置与椎间融合器结合在一起的 ROI-C 自锁式零切迹椎间融合器为代表。Zero-P 零切迹椎间融合器研究热点主要集中在生物力学强度、融合器下沉、术后颈椎曲度、术后吞咽困难发生率及术后邻近节段退变等方面。生物力学研究表明，单节段和多节段 Zero-P 椎间融合器固定组的生物力学强度均不及传统钢板固定组，但生物力学的差异性是否会导致临床疗效及融合率的差异仍存在争议[18]。尽管有研究报道，利用 Zero-P 椎间融合器治疗三节段和四节段颈椎病临床疗效可靠，其长节段固定生物力学强度、融合器下沉风险、术后颈椎曲度的保持和纠正能力等仍有待进一步研究考证[19-20]。一些研究者对 Zero-P 椎间融合器应用于颈椎骨科脱位患者也持有谨慎态度，尤其是对于那些存在明显不稳的患者[21]。Zero-P 椎间融合器的另外一个研究热点是假体下沉，Duan 等[22]进行一项系统评价和Meta 分析结果显示，Zero-P 组沉降率为17.8%，而传统组只有5%。融合器下沉可能导致颈椎后凸畸形或颈椎曲度改变，但是也有研究认为其不会影响临床疗效和融合率[23]。目前，已经有多项研究和Meta 分析研究结果均显示，Zero-P 椎间融合器相比传统颈椎前路钢板能降低患者术后吞咽困难发生率，这可能与零切迹设计减少了对食道的刺激和激惹有关[11,24]。桥形椎间锁定融合器（ROI-C）是另一类零切迹融合器，其固定强度可能不如 Zero-P 椎间融合器的锁定螺钉固定强度大，其临床应用广泛显示其可靠的临床疗效[25]。尽管有研究报道ROI-C融合器应用于Hangman骨折患者疗效可靠，但Hangman 骨折术中运用ROI-C 融合器复位难度可能增大[26]。零切迹椎间融合器设计主要为融合器外形与固定方式的革新，材质上仍主要为钛合金材料结合PEEK 材料，目前已有大量临床研究证实其安全性与有效性，充分显示了其降低术后吞咽困难发生率能力，但零切迹椎间融合器在多节段ACDF 手术中的固定强度、纠正曲度能力仍存在争议，尚需进一步研究。

4.3 可降解椎间融合器

可降解椎间融合器是近年来椎间融合器研究的热点之一，目前主要的可降解材料有三大类:聚乙醇酸（PGA），是最早应用到临床的可吸收材料，PGA 的缺点是分解速度较快，中间代谢产物使pH 降低，植入物周围炎症反应较明显，局部表现有皮肤红肿疼痛、破溃等无菌性炎症表现，严重者形成窦道[27]。另外，其力学强度不足，在体内难以维持固定强度。PGA 目前主要用于制作可吸收缝线。聚乳酸（PLA），具有 3 种异构体（左旋聚乳酸、右旋聚乳酸、混旋聚乳酸），聚乳酸在体内的降解时间约为3.5 年，降解后生产 乳酸经三羧酸循环后可以生产二氧化碳和水。Krijnen等[28]进行研究后发现，如果不使用内固定，混旋聚乳酸融合器在术后3 ～6 个月即发生破裂变形并且失去足够的机械强度，并且能影响融合率。Thomas 等[29]将混旋聚乳酸融合器植入山羊颈椎进行生物力学、影像学和组织学检测，术后6 个月在生物力学和影像学上发生了融合，但在组织学检测只有部分融合，术后12 个月和36 个月均发生了组织学融合，无融合器塌陷、移位等。Vaccaro 等[30]分析了8 例用混旋聚乳酸融合器行 ACDF 手术的患者，术后患者融合率达94%。尽管众多基础研究和临床研究证实了聚乳酸融合器的安全性和有效性，聚乳酸融合器的机械强度仍有待加强。聚乳酸复合材料，为了克服聚乳酸机械强度不足等理化性质，将聚乳酸复合其他的可吸收材料、细胞因子等增加其机械强度、成骨能力，成为聚乳酸复合材料。常见的聚乳酸复合材料有聚乳酸复合无机物、聚乳酸复合重组骨形态蛋白-2（BMP-2）。将聚乳酸与无机物（如磷酸三钙、羟基磷灰石等）混合不仅可以提高其机械强度，还可以在与聚合物降解过程中生成的乳酸中和，释放的钙、磷离子还可以参与促进成骨[31-32]。多项研究对聚乳酸复合BMP-2 材料进行了探索，Kandziora 等[33]将聚乳酸融合器复合BMP-2 并与胶原海绵载体复合BMP-2 在山羊颈椎上进行对照研究后发现，聚乳酸复合BMP-2 能够有效促进成骨。Lippman 等[34]将rhBMP-2填充到可降解融合器中并与髂骨对照进行比较发现rhBMP-2在术后3、6 个月随访均优于髂骨组。BMP-2 在颈椎前路手术中应审慎使用，有研究报道BMP-2 有引起软组织肿胀并激发颈椎吞咽困难的风险[35-36]。

总之，可降解椎间融合器具有良好的生物学性能、弹性模量与骨组织接近、应力遮挡小、假体下沉风险下降，但目前尚缺乏理想的可降解材料及大规模的临床应用研究论证，未来研究的热点是如何进一步增强其机械强度、减少其降解过程中的局部炎症反应及增加其成骨能力。

5 展望

理想的椎间融合器不仅需要具有良好的支撑作用、与骨皮质接近的弹性模量和可靠的即可稳定性，还应该提供良好的生物力学和生物学环境促进植骨融合，一定程度的微动和应力刺激可以促进成骨，融合器的设计应当避免过度应力遮挡。目前，临床上常用的PEEK 材料融合器及钛金属融合器与理想的椎间融合器仍存在差距。钛金属融合器因弹性模量高、存在一定的应力遮挡，PEEK 材料融合器弹性模量与骨皮质接近，但两种椎间融合器均存在成骨性能差、不可吸收等不足。目前的融合器研究的热点主要集中于融合器材料的研究，如何从生物力学与生物学方面提高融合器促进成骨的能力是未来研究的重点，随着多孔结构材料、可降解材料及新型复合材料融合器研究的进一步深入，未来椎间融合器促进成骨能力必将进一步提高。