EBM铸造多孔钛合金腰椎间融合器的可行性

吴大鹏 万广 彭玲 李鹏辉 谢会彬 宋凯 梁秋冬 李鹏 毛克亚

(1新乡医学院第一附属医院骨科，河南 新乡 453100；2武汉市第四医院；3重庆市人民医院；4中国人民解放军总医院骨科)

腰椎退行性疾病、腰椎不稳定、脊柱畸形是脊柱外科较多见的疾病，治疗方案包括保守治疗、手术治疗，对于合并腰椎不稳的患者，腰椎融合术仍是手术治疗的金标准，随着外科手术不断微创化，手术方法也在向减少患者痛苦、快速康复、优质康复的方向发展，医疗器械的不断进步发展也在一定程度上促进了骨科的发展，传统手术方法取患者自身髂骨填充植骨，增加了并发症及术后疼痛发生的概率。随着椎间融合器的广泛应用，其在充分利用椎板减压骨质、避免取髂骨的同时，又能有效恢复椎间高度，辅助后方内固定增加脊柱初始稳定性，为脊柱融合创造有利条件，显著提高椎体间融合率〔1〕，众多椎体间融合材料、器械已用于临床。材料从最初的不锈钢，发展到如今的钛合金、钽合金、高强度碳纤维、高分子聚合物(如聚醚醚酮)、可吸收生物材料等。尽管这些材料已在临床广泛应用，但许多问题仍未解决，如金属融合器过高的弹性模量造成相邻椎体内沉降，从而影响椎体间融合。PEEK材料融合器的生物弹性模量虽然与人体皮质骨相近，有更好的力学传导，但仍存在椎间融合器致密性较高，骨组织难以长入等缺陷。研究显示〔2〕，在巴马小型猪建立髋臼缺损模型，制备个性化3D打印多孔钛合金加强块置于缺损处，结果显示3D打印多孔钛合金加强块具有良好的骨组织生物相容性和生物力学性能。本研究采用EBM铸造的多孔钛合金融合器，植入巴马小型猪腰椎椎间隙，分析其用于腰椎椎体间融合的可行性，为研发一种新型椎间融合器奠定基础。

1 材料与方法

1.1实验动物 选用54头成年巴马猪，单头饲养在新乡医学院第一附属医院生命科学中心实验室，体重30～35 kg，所有实验动物按照动物使用原则进行实验，术前禁食水24 h，术后3 d，肌肉注射青霉素钠120万IU/d。

1.2药品及器材 戊巴比妥钠(华北制药);注射用青霉素钠(80万IU，华北制药);10%甲醛溶液(新乡医学院第一附属医院生命科学中心);实验动物手术台(新乡医学院第一附属医院生命科学中心);脊柱手术器械(苏州优贝特);高分辨小动物微型CT(Siemens 公司，德国);硬组织切片机(Leica 公司，德国)；万能材料实验机(Instron，美国)。

1.3椎间融合器 普通钛合金椎间融合器(苏州优贝特)；EBM铸造的多孔钛合金椎间融合器(中诺恒康公司)；本研究技术方法及实验内容均经新乡医学院第一附属医院伦理部门审核并批准，该研究项目符合相关实验动物使用伦理的规定，同意开展此次研究。

1.4手术方法 气管插管全身麻醉成功后，将动物固定于手术台上，取右侧卧位，于左侧腹部、背部术区备皮，依次碘伏消毒，铺无菌手术巾。在腰5椎体后正中线旁开7 cm，做一长约15 cm纵行切口，依次切开皮肤、皮下组织、深筋膜，分离椎旁肌肌间隙显露横突，牵开椎旁肌肉显露椎体侧面。仔细分离并结扎腰4/5椎旁动脉和静脉丛，仔细游离相应椎体旁神经根加以保护并显露相应椎间隙，切开后纵韧带及纤维环，髓核钳咬出部分髓核组织后，依次用绞刀、刮匙处理腰4/5椎间盘组织。测量椎间隙高度，取部分横突咬碎留作备用。试模测试后，植入碎骨粒，根据分组不同，植入合适大小不同类型的钛合金椎间隔合器，安放钛板，拧紧螺钉并。彻底止血后，生理盐水冲洗术区，观察术区无明显活动性出血，依次缝合深筋膜、皮下组织、皮肤，无菌敷料覆盖伤口。所有动物手术由本文作者及助手完成。多孔钛合金椎间融合器组(实验组)和普通钛合金椎间隔合器组(对照组)各27例。

1.5一般情况 记录术中情况及术后进食、精神、活动、切口是否有红肿、渗出情况，常规予以切口换药处理。

1.6Micro-CT检测 在术后4、12、24 w处死18只，并分别取腰1～5完整的腰椎标本，注意保留两侧关节囊和韧带的完整性。将标本行Micro-CT扫描，采集图像后经3D可视化重建及配套骨骼分析软件处理，选择椎体内材料植入感兴趣区域，测算骨密度、骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量。

1.7腰椎生物力学测试-融合器的稳定性测试实验 术后12 w，两组共18只在经过MicroCT测试后，取出手术节段椎体，在600 N最大负荷下，测量两组在侧屈、旋转、屈曲、后伸4个方向的活动度情况，按照实验操作流程处理。

1.8组织学观察 进一步处理经Micro-CT检查的组织标本，制备硬组织切片，采用徕卡硬组织切片机将标本切成约150 μm薄片以备组织学观察，保证每份切片标本涵盖多孔金属的每个层面，然后打磨至40～50 μm，采用Masson三色法染色，制作好切片后封片采用倒置相差显微镜摄片评估计算骨长入情况。

1.9统计学分析 采用SPSS26.0软件进行t检验、方差分析及χ2检验。

2 结 果

2.1术后一般情况 两组与普通钛合金cage组腰椎融合手术顺利完成，手术时间约1 h，术程顺利，术中未损伤血管、神经，术后动物活动良好。实验组术后无切口感染发生，少许切口渗出，予以换药处理后愈合良好，对照组1只动物出现部分切口裂开予以换药后愈合。动物均存活至实验完成。

2.2Micro-CT检测结果 随着时间延长，两组骨密度、骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量逐步增大，且两组各时间点比较差异均有统计学意义(均P<0.05)，见表1。

表1 两组术后不同时间点骨形成相关指标比较

2.3两组脊柱稳定性比较 在施予600N载力负荷情况下，实验组前屈、后伸、侧屈、旋转4个方向活动度小于对照组，差异有统计学意义(P<0.001)。见表2。

表2 在600 N载力负荷下两组椎体活动度比较

2.4组织学观察 实验组可见成熟骨组织逐渐从周围长入融合器内部。术后4 w融合器周围为不成熟的骨组织，融合器内可见少许不成熟骨组织；术后12 w，融合器周围可见部分成熟骨组织，融合器内部可见部分成熟的骨组织，但数量较少；术后24 w发现融合器内部及四周成熟骨组织较术后12 w明显增加，切片可见融合器内有微小血管形成并长入。对照组：融合器内部可见有部分成熟骨组织和纤维组织逐渐从四周小孔长入椎间隔合器；术后4 w融合器周围植骨基本吸收，周围可见少许不成熟的骨组织和纤维结缔组织；术后12 w椎间隔合器内部和四周小孔处的骨组织为少许不成熟骨组织；术后24 w椎间隔合器内部和四周小孔处可见到成熟骨组织，混合部分纤维组织及成熟骨质，见图1。

图1 两组术后4、12、24 w组织学观察(×200)

3 讨 论

腰椎椎间融合术作为脊柱畸形、退行性椎间盘疾病和退行性腰椎滑脱患者的手术治疗已日益普及，特别是对于通过保守治疗未得到改善的患者。腰椎椎间融合术的常见手术方法包括后腰椎椎间融合术(PLIF)、经椎间孔腰椎椎间融合术(TLIF)、外侧腰椎椎间融合术(LLIF)、斜交腰椎椎间融合术/腰大肌前融合术(OLIF/ATP)、前腰椎椎间融合(ALIF)〔3〕及微创经腰椎间孔椎间融合术TLIF(Mis-TLIF)〔4〕等术式。从简单的单纯植骨融合到伴有椎弓根内固定辅助，大多数融合器需要后外侧椎弓根螺钉和连接棒来维持脊柱稳定性直到融合发生，但一些在前路和侧向入路期间使用的椎间融合器可以与钢板固定结合使用，或包含集成的螺钉或楔块，以便立即稳定并避免患者重新放置椎弓根螺钉和连接棒。从椎间融合器植入替代块状自身髂骨，再到脊柱微创技术的广泛开展，腰椎融合技术正在朝精准、微创、快速康复、优质康复一步步创新、发展和完善〔5，6〕，椎间融合设备也不断更新，包括金属类、PEEK材料、膨胀性融合器及各类可吸收的椎间融合器〔7〕，这些发展都为实现更好的融合率和腰椎融合手术的临床效果做出了贡献，但融合器在临床使用过程中依旧面临诸多挑战及问题，如金属铸造的融合器弹性模量高于正常人体骨质，在邻近椎体终板内沉降、影响椎体间融合，PEEK材料融合器的生物弹性模量虽然与人体皮质骨相近，有更好的力学传导，但仍存在椎间融合器致密性较高，骨组织难以长入等缺陷〔8〕，发生融合器移位、松动，最终造成脊柱不稳定，需要再次翻修手术。

随着3D打印技术的发展尤其是EBM技术在组织工程中的应用〔9〕，多孔金属铸造的融合器应用到椎间融合手术成为了可能。本研究采用了EBM技术铸造的多孔钛合金椎间融合器，具有外表面粗糙、疏松的多孔结构，同时与人体的弹性模量相匹配，良好的生物相融性、耐腐蚀性〔10，11〕。具有更快的融合时间和即时稳定的优点，同时最大分散高度也降低了，弯曲和伸展的稳定性较普通钛合金融合好，沉降率更低。已有多项研究表明生物材料粗糙的外表面有利于骨细胞的黏附、爬行、增殖和分化〔12，13〕。EBM打印多孔钛合金融合器的多孔隙结构为骨组织成骨细胞的黏附、微血管长入提供有利环境，通过空隙结构有利于营养物质的交换，实现骨组织细胞长入和血管供应获得长期的生物力学稳定。本研究采用的多孔钛合金融合器的弹性模量约为16 Gpa，其生物力学特性与皮质骨(3.20 Gpa)最为接近，远低于普通钛合金的弹性模量(50.90 Gpa)，因此EBM铸造的多孔钛合金椎间融合器的应力遮挡明显小于普通钛合金，而弹性模量适中，使得对成骨影响远小于普通钛合金〔14，15〕。椎间融合器技术已在脊柱外科手术中显示出令人鼓舞的进展，多孔结构和粗糙表面增加了椎间融合器与椎体终板及成骨微环境的有效接触面积，有利于人体微血管的长入和营养成分的传送，因此EBM铸造的3D打印多孔金属在椎间融合方面一定会有广阔的临床应用前景，会在提高脊柱的固定率和整体临床疗效方面发挥巨大作用〔16～18〕。

本研究结果表明，EBM铸造的多孔钛合金融合器有良好的骨长入，其融合效果较对照组更佳，表明脊柱稳定性较对照组增强〔19〕。但本研究尚存在许多不足，由于巴马猪为四足触地动物，与直立行走的人类差异明显，故在实验时应充分考虑脊柱生物力学性能的不同，生物力学长期稳定性尚需要进一步观察和完善，本实验动物例数尚不充足，有待扩大标本数量做进一步探讨。

综上，EBM铸造的多孔钛合金融合器，将其用于腰椎融合，具有良好的生物相容性、骨诱导性，优良的融合能力，足够的刚性及与骨骼相接近的弹性模量，具有广泛的临床应用前景。