矿化胶原型椎间融合器在山羊颈椎椎间融合中的初步效果观察

陶春生 孙培锋 赵金柱 胡健 刘建东 曲良 刘琪 梁超

随着脊柱外科学及医用骨科材料学的迅猛发展，椎间融合器在脊柱外科手术中的应用日益普遍。传统的钛合金椎间融合器虽然具有足够的机械强度，但其弹性模量是人体骨骼的4 ～10 倍，术后存在应力遮挡效应而降低植骨融合率，容易发生融合器下沉等并发症，且钛合金不具有透光性，也不利于观察术后X 线植骨融合的情况[1-2]。碳纤维材料同样可以发生下沉，而且材料表面容易产生磨损，引发局部组织炎性反应，不利于植骨融合[3]。总之，无论是钛合金、聚醚醚酮还是碳纤维等材料制备的椎间融合器，其生物相容性均取决于它们的生物惰性，这些融合器并不具备与人体天然骨组织形成骨性融合的生物活性，不参与人体的新陈代谢，不具有可降解性，最终作为异物存在于人体内，对脊柱融合术后的远期疗效构成隐患[4-5]。由此可见，研发具有良好的机械强度、组织相容性、可降解性及更符合生理成骨过程的可吸收脊柱融合器至关重要。本研究采用清华大学生物材料研究所提供的高强度胶原/纳米钙磷盐/聚乙内酯自组装制成的矿化胶原型椎间融合器进行羊颈椎融合实验，以聚醚醚酮型椎间融合器进行对比研究，初步评价矿化胶原型椎间融合器的融合效果。

1 材料与方法

1.1 材料及主要试剂

矿化胶原型椎间融合器由清华大学生物材料研究所提供，采用高强度胶原/纳米钙磷盐/聚乙内酯自组装而成的仿生人工骨材料，模具压制成中空的颈椎间融合器，具体指标包括：纳米钙磷盐的粒径为20 ～200 nm，钙元素和磷元素的摩尔比即Ca/P 比为（1 ～2）∶1；融合器密度为1.8 g/cm3，孔隙率为50%～80%，压缩强度106MPa，规格6 mm×16 mm×12 mm，上下终板接触面带有咬合齿。主要试剂包括：聚乳酸（济南岱罡生物科技有限公司）、I 型胶原（Sigma 公司，美国）、CaCl26H2O（Alfaaesar 公司）、NaOH（Alfaaesar 公司）、Na2HPO4（Alfa aesar 公司）、醋酸（Alfa aesar 公司）、1,4-二氧六环（济南岱罡生物科技有限公司）。聚醚醚酮型椎间融合器及颈椎前路钛板内固定系统由苏州欣荣博尔特医疗器械有限公司提供。

1.2 方法

选取健康2年龄山羊12 只，由青岛奥特种羊场提供。选取山羊C2/3和C3/4为实验融合节段，其中C2/3植入矿化胶原（MC）型椎间融合器设为实验组，C3/4植入聚醚醚酮（PEEK）型椎间融合器设为对照组。速眠新麻醉，置于特制动物手术台上，经颈椎前路分别在每只羊C2/3和C3/4节段切除椎间盘，并用骨刀凿除部分骨质进行开槽，开槽大小与本实验设计制作的胶原矿化型椎间融合器相仿，C2/3和C3/4椎间隙分别植入填塞自体骨碎粒的矿化胶原型和聚醚醚酮型椎间融合器，嵌牢后使用颈椎前路钛板和螺钉进行内固定，术后当天对实验羊颈椎进行X 线摄片，见两组椎间融合器及颈椎前路钛板和螺丝钉植入位置基本满意。术后给予克林霉素注射液0.6 g 肌注/d，共3 d。术后12 只实验羊均健康存活，融合器植入后3 个月随机处死12 只山羊中的6 只，取颈椎标本行大体观察、X 线和CT 摄片及组织学检测，初步评价矿化胶原型椎间融合器对羊颈椎的融合效果。其余6 只于术后12 个月处死取材，进一步评价融合效果，并深入观察矿化胶原型椎间融合器的降解情况。

2 结果

2.1 大体观察

矿化胶原型椎间融合器植入时颜色为蜡白色，质地坚硬，表面光滑，植入3 个月后，材料内部仍为蜡白色，质地坚硬，与骨接触面材料颜色变淡黄，表面略粗糙，与骨组织接触紧密。聚醚醚酮型椎间融合器无论颜色、质地及表面形态均无明显变化，与骨组织界限清晰，彼此无紧密联系，见图1。

图1 A.矿化胶原型椎间融合器植入3 个月后植骨区骨组织长入良好，材料表面部分变粗糙并与骨组织接触紧密；B.聚醚醚酮型椎间融合器植入3 个月后植骨区骨组织长入良好，材料表面无变化并与骨组织界限清晰

2.2 X 线及CT 摄片

术后3 个月两组椎间融合器中央自体骨植骨区的上下椎体间均可见骨桥形成，椎体间高度保持良好；聚醚醚酮型椎间融合器周围无明显透光带，而矿化胶原型椎间融合器周围可见均匀表浅的密度减低区（见图2）。术后12 个月两组椎间融合器椎体间高度保持良好，聚醚醚酮型可见螺钉松动；聚醚醚酮型椎间融合器周围仍无明显透光带，而矿化胶原型椎间融合器周围密度减低区较术后3 个月时更加明显（见图3）。

2.3 组织学检测（HE 染色）

术后12 个月分别取矿化胶原型和聚醚醚酮型组织标本进行脱钙，常规HE 染色进行组织学检测（×100）。两组融合器中央自体骨植骨区均可见大量骨细胞长入；矿化胶原型椎间融合器材料表面粗糙，周围可见明显纤维组织细胞包绕区，其间充满成纤维细胞和幼稚编织骨形成，聚醚醚酮型椎间融合器材料表面光整，周围未见特殊组织细胞反应区。具体见图4。

图2 A.植入术后3 个月X 线片，黑箭头为聚醚醚酮型，红箭头为矿化胶原型；B.矿化胶原型椎间融合器植入术后3 个月CT 平扫；C.聚醚醚酮型椎间融合器植入术后3 个月CT 平扫

图3 A.植入术后12 个月X 线片，黑箭头为聚醚醚酮型，红箭头为矿化胶原型；B.矿化胶原型椎间融合器植入术后12 个月CT 平扫；C.聚醚醚酮型椎间融合器植入术后12 个月CT 平扫

图4 A、B.两组融合器中央植骨区可见大量骨细胞；C.矿化胶原型融合器材料周围可见成纤维细胞和幼稚编织骨形成；D.聚醚醚酮型椎间融合器材料表面光整，周围未见特殊组织细胞反应区（×100）

3 讨论

椎间融合技术是脊柱外科最基本、最常用的手术技术之一。尽管自体髂骨仍是椎间融合最理想的植骨材料，但其来源有限，且存在供骨区伤害及感染、疼痛等相关并发症风险而被越来越少的医生和患者选择和接受。当前，聚醚醚酮材料融合器仍是临床椎体间融合的主流选择。但越来越多的基础和临床研究表明，作为一种不可吸收有机材料，聚醚醚酮具有生物学惰性，其表面具有的疏水性，影响了新生骨在其表面的附着，使得移植物与骨组织之间的骨整合能力差，在临床使用中会出现许多并发症，如融合器移位、下沉和形成假性关节等[6]。尽管有学者通过一定技术手段将聚醚醚酮表面多孔化，在保证聚醚醚酮作为骨移植物必要强度的同时，增强了聚醚醚酮的诱导成骨的能力[7]。但在融合过程中聚醚醚酮材料融合界面还是会出现明显的应力遮挡效应，最终影响融合效果及长期稳定[8]。基于传统椎间融合器存在的诸多固有内在缺陷，给可吸收椎间融合器的研制和发展提供了良好的条件和契机[9-10]。因此，近年来越来越多学者已开始转向研发更适宜人体脊柱融合需要的生物可吸收型椎间融合器[10]。本课题组研制的矿化胶原型椎间融合器即采用了生物可降解材料高强度胶原/纳米钙磷盐/聚乙内酯经自组装而成，其孔隙率达50%～80%，压缩强度为106MPa，弹性模量与人体骨骼相近[11-12]。

本课题组以往实验研究已经表明[13]，矿化胶原型可吸收椎间融合器具有良好生物力学强度。本动物活体实验研究结果也初步证实，矿化胶原型椎间融合器在术后3 个月及12 个月影像学检查结果均显示椎体间高度维持良好，无明显间隙变窄及融合器下沉，其支撑性能与聚醚醚酮型椎间融合器相比无显著差别。本研究在实验中同时发现，矿化胶原型可吸收椎间融合器植骨区可见大量骨细胞长入，材料表面因逐渐降解吸收而变粗糙，且与骨组织接触更紧密并可见明显成纤维细胞和类骨质包绕，而聚醚醚酮型椎间融合器表面形态光整无明显变化，周围也未见特殊组织细胞反应区。因此，本实验研究初步证明，本课题组研制的矿化胶原型可吸收椎间融合器与传统的聚醚醚酮型椎间融合器相比，具有良好的可吸收性能及骨整合能力。

综上所述，采用高强度胶原/纳米钙磷盐/聚乙内酯自组装制成的矿化胶原型可吸收椎间融合器在羊颈椎初步活体实验中达到了良好的骨性融合效果，与传统的不可吸收型聚醚醚酮型椎间融合器相比具有同样的生物力学支撑性能，且可逐步降解吸收，并可能具有更符合生理成骨过程的骨-材料结合界面，具有良好的临床应用前景。不足之处，本文仅是矿化胶原型椎间融合器初步活体实验研究结果，对融合器最终降解吸收情况以及远期融合稳定效果还有待进一步实验研究和临床验证。