3D 打印椎间融合器应用于颈椎病的临床疗效和矢状位平衡随访

王建华，吴迪，孙贺，张义龙，信丽丽，李乐

承德医学院附属医院脊柱外科，河北 承德 067000

颈椎病是常见的颈椎退行性疾病，多发于中老年人，表现为肢体麻木疼痛，肌力下降，精细动作困难和走路不稳等症状，可严重影响患者的工作及生活，脊髓型颈椎病和保守治疗无效的神经根型颈椎病应尽早行手术治疗[1,2]。颈椎前路间盘切除融合术（anterior cervical discectomy and fusion，ACDF）可直接解除来自脊髓或神经根前方的压迫，创伤较后路手术小，减压直接彻底，成为治疗各型颈椎病的经典术式[3,4]。前路减压椎间融合需要使用椎间融合材料，自体髂骨是植骨融合的金标准，不过其取材有限，且容易引起局部的疼痛麻木和感染等并发症，难以广泛应用。针对椎间融合材料，学者们进行了大量的临床研究和实践探索，目前临床常用的椎间融合器主要是聚醚醚酮椎间融合器（PEEK），虽然克服了自体髂骨取材困难，局部疼痛等缺点，但其不具备生物活性，无促进成骨功能，需要同种异体骨或自体骨辅助植骨，同时弹性模量与融合界面差异较大，易出现沉降、移位等并发症[5,6]。近年来3D 打印技术快速发展和成熟，出现多种3D 打印植入材料，并逐渐于临床中得到应用和推广，其中3D 打印椎间融合器独特的孔隙结构，实现了近似松质骨的弹性模量，创造了利于骨细胞增殖和长入的微环境，能很好地弥补聚醚醚酮椎间融合器的缺点，使ACDF 手术的椎间材料有了新的选择[7～10]。我科于2017 年6 月至2019 年6 月采 取ACDF手术治疗单节段颈椎病患者60 例，术中分别应用了两种类型椎间融合器进行椎间融合，现回顾分析两组病例的相关数据，探讨3D 打印椎间融合器应用于ACDF 手术的临床效果和矢状位平衡，为颈椎病ACDF 手术椎间融合器的选择提供参考。

1 资料与方法

1.1 基本资料

1.1.1 病例选取 纳入回顾分析的病例共60 例，其中30 例应用3D 打印椎间融合器设为实验组，30 例应用传统PEEK 椎间融合器设为对照组。两组患者基本资料比较无统计学差异（P＞0.05）（表1）。纳入标准：（1）符合神经根型或脊髓型颈椎病的诊断标准，颈椎MRI 明确诊断；（2）非手术治疗6 周无效，甚至加重者；（3）单节段颈椎病变者；（4）随访期间资料完整者。排除标准：（1）两个及其以上节段病变手术者；（2）非颈椎病行ACDF 手术者；（3）合并颈椎发育畸形或骨质疏松者；（4）随访时间不足1 年的患者。

表1 患者基本资料Tab.1 Comparison of general data of patients

1.1.2 椎间融合器和前路钛板 术中所用3D 打印椎间融合器由北京爱康宜诚有限公司提供，批准号T00035543，钛合金材质，有楔形与弧形两种设计，高5～10 mm，按每1 mm 递增；3 种前凸角（0°、4°、8°），可以符合多种矫形设计。3D ACT 技术所构建的骨小梁结构，孔隙率80%，孔径（800±200）μm，类似骨小梁的构造，可调控弹性模量。聚醚醚酮（PEEK）椎间融合器由山东威高骨科材料有限公司提供，批准号191100433，融合器为玻璃纤维和碳纤维材质，高4～10 mm，具有高强度、高生化稳定性、耐高温等特点。颈椎前路钛板及螺钉均由山东威高骨科材料有限公司提供。

1.2 研究方法

1.2.1 手术 所有患者由同一组医师完成手术。气管插管静吸复合全麻满意后取平卧位，肩下垫软枕，颈椎固定于中立略过伸位，取右侧横形切口，显露、定位病变间隙，摘除间盘组织，潜行减压至脊髓前方，试模测量间隙，确定植入融合器型号，冲洗、止血。然后，实验组将选好的3D 打印椎间融合器植入减压间隙（不需植骨），对照组则取同种异体骨粒1 袋，填充于PEEK 椎间融合器内，之后植入减压间隙。前路钛板固定，再次透视位置满意后放置负压引流管1 枚，冲洗缝合，颈部制动，引流管留置1～2 d 拔除。

1.2.2 主要观察指标 观察患者手术时间、术中出血量和平均住院日。疗效评价指标：（1）JOA 评分（颈椎）：满分17 分，分值越大说明脊髓功能越好；（2）VAS 评分：总分值10 分，分值越高，疼痛越剧烈；（3）围术期并发症。影像学参数指标：利用我院PACS 系统分别于术前、术后3 d、3 个月和末次随访时测量患者颈椎正侧位X 线片以下指标：手术节段椎间高度；手术节段椎间角度；C2～7Cobb 角；C2～7矢状位轴向距离（cSVA）；T1倾斜角。

1.3 统计学分析

用SPSS 23.0 软件进行数据分析，计量资料以（）表示，数据比较采用配对t检验，计数资料采用卡方检验。

2 结果

图1 典型病例1 对照组患者，女性，45 岁，术前术后影像资料1a、1b：颈椎正侧位X 线片示颈椎退变，曲度变直 1c、1d：CT 示C4～5 间盘突出，继发椎管狭窄 1e、1f：MRI 示C4～5 间盘突出，颈髓严重受压1g、1h：术后3 d 颈椎正侧位X 线片示C4～5改变，PEEK 椎间融合器位置良好Fig.1 Typical case 1,preoperative and postoperative imaging data of the female patient with 45 years old in the control group1a,1b: Anteroposterior and lateral X-ray films of cervical spine showed cervical degeneration and straightening curvature; 1c,1d:CT showed disc herniation of C4-5,secondary spinal stenosis;1e,1f: MRI showed disc herniation of C4-5 and compressed the spinal cord; 1g,1h:Anteroposterior and lateral X-ray films of cervical spine 3 days after operation showed that PEEK intervertebral fusion cages were in good position

2.1 围手术期指标

实验组手术时间和术中出血量小于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）；平均住院日两组比较无统计学差异（P＞0.05），见表2。

表2 手术时间、术中出血量、术后引流量和平均住院时间（±s）Tab.2 Comparison of operative time,intraoperative blood loss,postoperative drainage and length of hospital stay (Mean±SD)

表2 手术时间、术中出血量、术后引流量和平均住院时间（±s）Tab.2 Comparison of operative time,intraoperative blood loss,postoperative drainage and length of hospital stay (Mean±SD)

2.2 JOA 评分 和VAS评分比 较

两组患者术后JOA 和VAS 评分较术前均有明显改善，差异有统计学意义（P＜0.05）；术后3 月及更远期的随访数据显示实验组优于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05），见表3。

表3 手术前后不同时段JOA 和VAS 评分（±s）Tab.3 Comparison of JOA and VAS scores between the two groups at different times (Mean±SD)

表3 手术前后不同时段JOA 和VAS 评分（±s）Tab.3 Comparison of JOA and VAS scores between the two groups at different times (Mean±SD)

注：a P＜0.05，与同组术前相比Note：Compared with pre-operation in same group，aP＜0.05

图2 典型病例2 实验组患者，男性，49 岁，术前术后影像资料2a、2b：颈椎正侧位X 线片示颈椎退变，曲度变直 2c、2d：CT 示C4～5 间隙变窄，椎体唇样增生 2e、2f：MRI 示C4～5 间盘突出，脊髓受压2g、2h：术后3 d 颈椎正侧位示C4～5改变，3D 打印椎间融合器位置良好Fig.2 Typical case 2,preoperative and postoperative imaging data of the male patient with 49 years old in the experimental group2a,2b: Anteroposterior and lateral X-ray films of cervical spine showed cervical degeneration and straightening curvature; 2c,2d: CT showed narrowing of C4-5 intervertebral disc,and labial hyperplasia of the two vertebral body; 2e,2f: MRI showed disc herniation of C4-5 and compressed the spinal cord; 2g,2h: Anteroposterior and lateral X—ray films of cervical spine 3 days after operation showed that 3D-printed iintervertebral fusion cages were in good position

2.3 手术前后椎间隙高度及角度比较

术前两组患者椎间高度及角度分别为（3.5±0.8）mm、（4.2±1.3）°和（3.6±0.9）mm、（4.1±1.4）°，术后末次随访时分别为（6.8±1.3）mm、（5.7±1.4）°和（7.3±1.3）mm、（6.0±1.4）°，组内术后各期与术前比较有明显改善，术后3 月及更远期的随访显示实验组数据变化小于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05），见表4。

表4 手术前后不同时段椎间高度和椎间角度（±s）Tab.4 Comparison of intervertebral height and angle between the two groups at different times (Mean±SD)

表4 手术前后不同时段椎间高度和椎间角度（±s）Tab.4 Comparison of intervertebral height and angle between the two groups at different times (Mean±SD)

注：a P＜0.05，与同组术前相比Note：Compared with pre-operation in same group，aP＜0.05

2.4 矢状位平衡参数比较

术前两组患者各影像参数比较差异无显著性意义（P＞0.05)，术后3 d、3 个月和末次随访时C2～7Cobb角和T1倾斜角较术前增大，C2～7矢状位轴向距离较术前减小，差异均具有统计学意义（P＜0.05）。术后两组患者T1倾斜角和C2～7Cobb 角均较术前有一定程度下降，C2～7矢状位轴向距离均较术前有一定程度上升；术后3 d 矢状位平衡参数组间比较差异无统计学意义（P＞0.05），但术后3 个月和末次随访时相关参数组间比较差异具有统计学意义（P＜0.05），见表5。

表5 手术前后不同时段矢状位平衡相关参数（±s）Tab.5 Comparison of parameters of sagittal balance between the two groups at different times (Mean±SD)

表5 手术前后不同时段矢状位平衡相关参数（±s）Tab.5 Comparison of parameters of sagittal balance between the two groups at different times (Mean±SD)

注：a P＜0.05，与同组术前相比Note：Compared with pre-operation in same group，aP＜0.05

2.5 并发症

所有病例手术顺利完成，围手术期未出现相关并发症，后期随访中对照组出现1 例融合器塌陷和螺钉松动，并发症发生率为3.3%。

3 讨论

颈椎病是脊柱外科常见疾病，可严重影响患者的肢体活动和身心健康，治疗的经典术式是颈椎前路间盘摘除减压融合术（ACDF）。ACDF 手术可以直接解除来自脊髓或神经根前方的压迫，同时重建局部稳定[11]。ACDF 术中椎间融合材料可选用自体髂骨、异体骨块、聚醚醚酮椎间融合器等，各有其优缺点，也一定程度影响ACDF 的手术效果[12]。3D 打印椎间融合器作为新兴的椎间融合材料，具有组织相容性好，类骨小梁的微孔结构，可调控弹性模量及表面粗糙技术利于骨细胞长入等优势，逐渐应用于临床[13]。

本研究对分别应用两种不同椎间融合器行ACDF 手术治疗单节段颈椎病的病例进行随访观察，比较治疗效果，结果显示实验组患者平均手术时间、术中失血量均小于对照组，但术后平均住院日组间比较无明显差异。手术时间及术中出血量的差异考虑原因主要是对照组聚醚醚酮椎间融合器需要进行植骨，先将同种异体骨填入椎间融合器，之后才能植入融合间隙，术中如需更换融合器型号，需重复植骨操作；而实验组3D 打印椎间融合器为多孔钛结构，不需植骨，类穹隆的界面设计更利于融合器与终板紧密贴合，降低测量误差引起融合器型号不匹配调换的发生率，简化了手术步骤，节约了手术时间，同时也减少了出血量。这与吴敏飞等[14]的研究结论一致。

脊柱矢状位平衡使人体能够在直立情况下以最小的能耗维持躯体平衡，颈椎矢状位失衡可导致患者出现颈肩部疼痛不适，颈部活动障碍，严重影响生活质量。颈椎矢状位平衡情况对疾病诊断、手术设计和预后评估有重要意义，越来越受到广大学者的重视[15,16]。C2～7Cobb 角、C2～7矢状位轴向距离和T1倾斜角是评估颈椎矢状位平衡最常用的3 个参数，其中C2～7Cobb 角反映颈椎曲度的情况，良好的颈椎曲度是维持正常颈椎功能的基础[17]，C2～7Cobb 角减小，意味着颈椎曲度变直甚至反张，可导致患者颈项部的肌肉过度紧张和痉挛，颈项部疼痛和功能障碍，严重可造成颈椎退变加速，椎管狭窄和脊髓神经受压。因此，颈椎病行ACDF 手术治疗其中一个重要目的就是恢复和重建颈椎曲度[18]。

本研究中两组患者术后C2～7Cobb 角度、椎间高度及角度与术前相比均有明显改善，差异有统计学意义，组间术前及术后3 d 对比差异无统计学意义，说明颈椎病前路手术中应用聚醚醚酮椎间融合器或3D 打印椎间融合器均可以显著改善C2～7Cobb 角度、椎间高度及角度，二者在早期随访中并无显著差异。术后3个月及末次随访发现所有患者C2～7Cobb 角度、椎间高度及角度有不同程度的丢失，但实验组丢失程度明显小于对照组，说明实验组可有效减少甚至避免改善的C2～7Cobb 角度、椎间高度及角度的远期丢失，使其维持长久稳定。考虑主要是由于实验组所用3D 打印椎间融合器具有独特的金属骨小梁多孔隙结构，可调控其弹性模量与上下椎体相似，有效减小局部的应力遮挡效应，从而不易下沉及移位，另外其具有生物学活性，可以诱导骨细胞长入融合器内部，最终实现骨长入，达到骨性融合，维持长期的稳定[19]。而PEEK 椎间融合器的弹性模量介于皮质骨与松质骨之间，存在一定的应力遮挡效应[20]，且融合器中央的大部区域是植骨区，这也造成此类融合器本身与上下椎体的接触面积明显小于3D 打印椎间融合器，使其应力较为集中，另外其锯齿状结构本身也加重了应力集中的情况，增加了融合器下沉的风险。所以实验组所用3D打印椎间融合器可以更加持久稳定地维持颈椎术后矫形效果，远期疗效优于对照组。手术后3 个月及更远期的随访数据显示实验组JOA 和VAS 评分优于对照组，组间同期对比存在统计学差异。毛克政等[19]、Wu 等[21]等制作了3D 打印椎间融合器的动物颈椎融合模型，结果发现3D 打印椎间融合器与聚醚醚酮椎间融合器相比，有更好的力学性能、弹性模量和骨整合能力。杨旭等[22]、Spetzger 等[23]研究发现在ACDF手术中应用3D 打印椎间融合器可显著改善颈椎曲度及椎间高度，术后随访未发生融合器的脱位和下沉，远期疗效优于应用聚醚醚酮椎间融合器。

胸1 椎体连接颈椎和胸椎，起着承上启下的作用，可视其为颈椎的“基座”，T1倾斜角被认为是评估颈椎矢状位平衡的重要参考指标。有研究显示T1倾斜角与C2～7Cobb 角之间存在明显正相关，T1倾斜角增加，人体为维持平视，颈椎曲度会代偿性增加，C2～7Cobb 角变大[24,25]，但Knott 等人[26]认为颈椎曲度的这种代偿能力有限，尤其是当T1倾斜角＞25°时，颈椎重心前移，颈椎有出现后凸的趋势，T1倾斜角＞25°或＜13°均提示颈椎矢状位可能存在失衡，可加速颈椎退变，是导致颈椎病的危险因素。

C2～7矢状位轴向距离是评估颈椎矢状位平衡的另一重要参考指标。研究表明正常人群中C2～7矢状位轴向距离在20 mm 之内，当其≥40 mm 时，考虑存在颈椎矢状位失衡，颈椎矢状位失平衡可加重患者的神经功能障碍[27,28]。余文超等[29]研究认为C2～7矢状位轴向距离较大的患者临床症状更重，行ACDF 手术可明显改善C2～7矢状位轴向距离，重建颈椎矢状位平衡。本研究中实验组和对照组患者行ACDF 手术治疗后T1倾斜角和C2～7矢状位轴向距离较术前均有改善，后期随访中实验组较对照组维持得更稳定，组间比较差异有统计学意义，说明3D 打印椎间融合器与聚醚醚酮椎间融合器相比，能更好地重建和维持颈椎矢状位平衡。

综上，临床随访观察认为颈椎病手术治疗中应用3D 打印椎间融合器效果良好，可长久稳定重建和维持颈椎矢状位平衡，效果优于对照组所用的传统PEEK 椎间融合器。但本研究为回顾性非随机性对照研究，患者选择可能存在偏倚；由于金属伪影的影响，3D 打印钛合金椎间融合器术后远期椎间融合的情况很难准确评估，并且3D 打印椎间融合器在脊柱外科临床应用时日尚短，随访期有限，需更多的基础研究及多中心大样本的临床长期随访研究，进一步评估其安全性及有效性。