生物材料在脊柱融合重建中的应用现状与展望*

宋跃明 杨曦

(四川大学华西医院骨科·骨科研究所，四川 成都 610041)

脊柱融合重建技术是恢复脊柱稳定性以及正常承重功能最常用的技术，广泛应用于所有脊柱疾病(退变、创伤、肿瘤等)的外科治疗之中。融合是脊柱融合重建技术中最核心的部分。因此，选择何种植骨材料来实现更快速、更坚强的脊柱融合一直以来都是脊柱外科的关注焦点。自体骨具有优异的骨诱导性以及传导性，是脊柱融合中的 “金标准”材料[1]。但脊柱融合术中常规操作时常不能获得足量的自体骨用以植骨。此时，人工合成的生物材料的辅助应用能够有效弥补自体骨植骨量的缺乏，规避在患者其他部位取自体骨(如髂骨)所带来额外损伤和风险，具有极大的临床应用价值和市场前景。目前，应用于脊柱融合的生物材料种类众多，且新型产品层出不穷。而这些生物材料成骨活性和实际功效如何？临床应用过程中又有哪些问题？其未来的改进方向是什么？围绕这些问题，在此，我们就脊柱融合中生物材料的应用现状和展望做一述评。

1 填充植骨材料

在脊柱融合重建术中，有大量不同的操作步骤需要填充植骨，如最常见的在脊柱椎板间及横突间的后外侧植骨(Posterior-lateral Fusion, PLF)、 椎体-椎体之间植骨(椎间融合)以及椎体内缺损的填充植骨。为了弥补脊柱融合手术本身能够获取的自体骨的不足，许多不同的生物材料被制备成人工骨材料应用于脊柱融合术中。目前临床上常用的填充植骨材料主要包括钙磷无机盐和硅基无机盐材料。

1892年，德国学者Dressmann通过实验发现填充硫酸钙材料进入骨膜下方的骨缺损区域，能够促进血管和新骨的长入。这一特性便是我们现在已经熟知的骨传导作用，而硫酸钙材料是目前临床脊柱融合最常用的人工骨材料之一[2-3]。20世纪，人们发现β-磷酸三钙(β-Tricalclum phosphate,β-TCP)及羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)材料具有与硫酸钙类似的骨传导性以及成骨活性。HA与自然状态下人类骨骼无机盐成分构成相似，钙磷离子交换能力强，但可吸收性差；β-TCP是HA高温煅烧后的产物，其生物溶解性比HA要强很多，但成骨能力弱于HA材料。而目前临床上应用较多的双相磷酸钙(Biphasic calclum phosphate,BCP)材料实际上是不同比例HA与β-TCP混合，从而具备更适合脊柱融合的降解率和成骨活性[4-5]。1969年，美国的L.L.Hench教授发现硅基生物活性玻璃(Bioactiveglass,BAG)材料在与植入体内与体液接触后，表面会形成与骨组织类似的HA矿化层，与宿主骨组织形成紧密的化学键合，具有优异的成骨活性[6]。到20世纪末，BAG也正式作为人工骨材料被广泛应用于临床脊柱融合术中，并获得良好临床疗效[7]。

从已被临床普遍接受并广泛应用的填充植骨材料来看，应用于脊柱融合重建中的该类材料往往对力学强度无太大的要求，但要求其必须具备优异的成骨生物活性(植入体内能够在材料表面形成类骨磷灰石层)以及骨传导性(具备多孔支架结构，利于骨爬行替代生长，并最终与新骨组织完全整合)。尽管硫酸钙、磷酸钙以及生物活性玻璃材料属性不同，但是临床上应用这几种材料进行脊柱融合的总体效果并未表现出显著的差异。保障其融合效果的一个重要前提需要我们充分理解材料性能，从而规范地应用于临床。现有的无机盐人工骨材料是作为自体骨植骨不足时的补充材料，而并非替代材料，因此临床使用时强调其与自体骨进行混合后进行填充植骨。只有做到规范使用，才能充分发挥此类材料最大功用，减少因植骨材料选择不当造成的融合失败等问题[8]。

2 骨诱导生物材料

1965年，1991年诺贝尔生物学奖获得者美国医生Marshall R. Urist通过一系列实验证明脱钙骨基质(Decalcified bone matrix, DBM)能够在动物皮下或肌肉组织中诱导生成新骨组织[9]。自此“骨诱导”的概念应运而生，而DBM也成为最早应用于脊柱融合的骨诱导生物材料。而随着深入的研究发现，DBM的骨诱导性其实来源于其内含的成骨因子——骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic protein，BMP)[10]。BMP存在于正常骨组织中，但又被骨组织中钙质为主的矿物质包绕，因而很难发挥功能；通过脱钙处理后的DBM，其中BMP获得了充分暴露、释放，进而起到骨诱导作用[11]。事实上，DBM的骨诱导作用是十分有限的，同时因其本身骨传导性较差，应用于脊柱融合术时，通常还需要和自体骨或其他无机盐类人工骨材料混合后使用[12-13]。

为了追求更稳定、更优异的骨诱导作用，人们致力于研究分离纯化的BMP材料。通过大量的实验验证，至少有6种BMP蛋白(BMP-2,4,6,7,9,14)被相继证实对骨修复过程具有极大的促进作用。2002年，全球第一款BMP人工骨材料产品重组人骨形态发生蛋白-2(rhBMP-2)正式获得美国FDA批准，开始应用于脊柱融合的临床患者。最经典的应用方式是通过可吸收的胶原海绵吸附定量的rhBMP-2蛋白，结合腰椎前路椎间融合器(LT-cage)一同植入椎体间，通过缓释rhBMP-2起到诱导成骨作用，实现椎间融合。随后，越来越多的BMP产品(rhBMP-7、载rhBMP-2无机盐人工骨等)被相继开发并应用于临床脊柱融合术中。鉴于纯化后的BMP材料所表现出极强的骨诱导活性，2014年版美国神经外科医师协会腰椎融合术相关指南中指出rhBMP-2材料可以作为自体骨的替代物应用于腰椎椎间或后外侧融合术中[14-15]。

尽管BMP材料骨诱导效果值得肯定，但是回顾该类产品近20年的临床实际应用状况，发现目前BMP在脊柱融合临床应用中突显的问题与其优点相伴而生。首先，BMP临床适应症的问题：从FDA批准最初的仅能在腰椎前路椎间融合术(Anterior lumbar interbody fusion, ALIF)中应用，到随后扩大批准适应于腰椎斜前方椎间融合术(Oblique anterior lumbar interbody fusion, OLIF)，到目前一些适应症外的应用(如颈椎ACDF术和腰椎PLIF/TLIF术)。BMP材料(主要是rhBMP-2)的临床应用已覆盖了脊柱融合所有的术式[16-17]。但是本文认为BMP材料在脊柱融合中最适用的术式还是ALIF或OLIF等腰椎前路椎间融合术。此类术式本身无法获得足够的自体骨用以植骨，而BMP材料能够单独使用替代自体骨完成植骨，这是其他无机盐人工骨材料无法比拟的。相反，在其他脊柱融合术式中应用BMP，需仔细权衡材料所增加的不良反应风险、高昂医疗费用，与其对比普通人工骨材料所能获得的增益之间的平衡关系；其次,BMP生物安全性相关问题，作为一种生物制剂，该材料应用于临床时，其浓度和剂量是引起材料相关不良反应的重要因素。因此，近期针对BMP的临床研究更多的是探讨其最低有效浓度/剂量与其降低不良反应风险之间的关系。这提醒临床医师在选用BMP材料进行脊柱融合时也必须要关注植入患者体内的具体剂量浓度，警惕其可能引起的并发症，而非盲目地追求使用复合有BMP材料。

生长因子类的骨诱导材料(BMP等)无疑是革命性的发现，但是这类材料生物制剂相关的特性反而也限制了其在一些特殊脊柱融合重建领域的应用。比如脊柱感染和肿瘤性疾病，目前仍是BMP使用的禁忌证。如何进一步提高其生物安全性能以适用于所有脊柱疾病患者是未来需要进一步探索研究的方向。

3 支撑重建材料

脊柱前中柱承担了其主要的承重作用，椎间融合术是针对脊柱前中柱的重建手术，因此，能够应用于椎间融合术中的生物材料首先需要具备良好的生物力学强度(抗压强度)。带三面皮质的自体髂骨块是椎间融合的“金标准”材料[18]。但为了减少自体髂骨获取带来相应的取骨并发症，同时解决长节段前中柱融合重建手术中可获取的自体髂骨长度不足等问题，椎间融合器(cage)应运而生。

1979年，Bagby使用不锈钢材料制备了一个中空带孔柱状体，其中装满自体碎骨后植入马颈椎，取得了良好的融合疗效，这也建立了椎间融合器最初模型：即通过具有一定力学强度的材料制备中空的支架结构提供椎间融合所需的支撑强度需求，同时将自体碎骨填充进入支架材料中，实现椎体间最终融合[19]。在此模型基础上，以钛合金为代表的金属材料cage和以聚醚醚酮(Poly ether ether ketone,PEEK)为代表的高分子材料cage相继问世，并逐步成为目前临床上应用最为广泛的两大类融合器材料。但事实上钛合金和PEEK材料均是生物惰性材料，其本身并不具备成骨活性。作为融合器材料能够提供的是非常有限的骨传导作用，脊柱融合的最终实现极大地依赖于融合器中装载的自体骨。同时，钛合金的弹性模量过高，植入椎间极易出现椎体切割，产生材料-骨界面沉降。PEEK材料自身疏水性特性，植入后易形成材料-骨界面纤维炎性包裹，可能导致延迟融合或者不融合的发生[20]。这从侧面证明了一个事实：真正理想的椎间融合材料，不仅要求材料本身具有良好的生物相容性和力学属性，更要求材料也能够具备优秀的成骨活性、骨传导性甚至骨诱导性。

因此，一些新型的具备力学强度，同时保留成骨生物活性的材料相继问世，而以这些材料制备获得的生物活性椎间融合器也陆续投入临床应用之中。最具代表性的如国内自主研发的纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合材料(n-HA/PA66)。通过材料复合的方式改变纯羟基磷灰石脆性过大，不适合用于椎间支撑融合重建的弊端，同时保留纳米级羟基磷灰石优秀的成骨生物活性[21]。而最近还有利用硼酸盐生物活性玻璃材料，研发制备出新型生物活性BAG椎间融合器，在韩国被率先应用于临床颈椎前路(ACDF)以及腰椎后路(TLIF)椎间融合重建术中[22-23]。临床研究显示，生物活性材料椎间融合器具有更优异的材料-骨界面整合，从而有效减少cage下沉和融合失败的情况发生，具有相较钛合金或PEEK材料更优秀的临床效果[24]。

近年来，随着3D打印技术等增材制造方式的快速发展和普及，该技术也为新型椎间融合器的研发带来新的思路。自2016年FDA批准第一款3D打印钛合金椎间融合器以来，目前全球已有上百种同类的产品可供临床使用[25-26]。3D打印钛合金cage在维持其整体力学支撑强度的同时，将融合器设计为更适合成骨爬行替代的多孔结构，在增加融合器的骨传导性能的同时，有效减少了融合器沉降。初步临床研究显示，这类多孔cage同样具有优秀的材料-骨界面整合能力[27]。相信在不久的将来，除了金属材料外，越来越多其他材料，尤其是生物活性材料的3D打印多孔椎间融合器也必然会给椎间融合材料带来进一步的发展。

4 小结与展望

目前，临床上普遍使用的脊柱融合生物材料距离作为“金标准”的自体骨仍有不小的差距。具有生物活性及优异骨传导性的无机盐类人工骨材料也仅能作为人工骨的补充植骨材料，而具有骨诱导性的BMP材料虽然在一定范围内能够替代自体骨材料，但其生物安全性、卫生经济学等一系列问题仍有待进一步解决；此外，因对材料力学强度有严格要求，适用于椎间支撑植骨的生物材料十分有限。现有的椎间融合器材料仍在不断改进以提高成骨活性、优化骨传导性，真正具有骨诱导性的椎间融合器材料目前尚属空白；未来，为了获得理想的脊柱融合材料，一方面需要通过材料制备工艺，优化材料的多孔孔隙结构，使之具备与自体骨相媲美，甚至更优的骨传导性能；而另一方面是探索新的材料体系，或者通过复合其他活性材料(成骨因子等)的方式获得更高成骨活性，甚至是具有骨诱导性的植骨材料。