椎间融合器的研究进展

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中国临床医学2009年12月第16卷第6期ChineseJournalofClinicalMedicine。2009.V01.16,No,6943

椎间融合器的研究进展

李佳欧云生

(重庆医科大学附属第一医院骨科,重庆400016)

中图分类号R318.19文献标识码A

・综述・

ProgressinStudyofInterbodyFusionCageLIJiaOUYunshengDpartmentofOrthopaedicSurgery,theFirstAffiliatedHospitalofChongqingMedical[.Iniversity,Chongqing400016,China

腰椎退行性滑脱、节段性不稳、椎间盘源性疾病、外伤性腰椎滑脱所致腰椎失稳引起的下腰痛、肢体运动感觉障碍,对非手术治疗无效者一般都需行腰椎固定融合术。20世纪50年代,Cloward首先提出后路腰椎融合术(PI。IF),该技术发展成为当今脊柱外科基本术式之一。1986年Badgy和Kusli—ch[13设计出适用于人体的椎间融合器,即BAK(BagbyandKuslich)系统,并用于治疗退变性下腰痛。此后,腰椎椎体间植骨融合技术有了较大发展,成为治疗腰椎退行性变的标准术式之一。椎间融合’器亦在椎间融合术中的应用逐渐增多,其应用能维持椎间隙的高度、恢复前中柱的支撑、增加椎间孔容量、解除神经根受压、防止椎间隙塌陷及假关节形成。辅助椎弓根钉内固定植入物叮增加后路固定的稳定性和提高腰椎的融合率H]。近年来,腰椎I.日J融合器已广泛用于腰椎融合术。随着脊柱生物力学的发展和腰椎椎间融合术的广泛应用.腰椎椎间融合器发展迅速。其种类繁多。本文对目前临床上常用的椎间融合器的材料研究作一综述。

1椎间融合器(Cage)的设计原理

椎间融合器的设计原理是根据Bagby【3。提出的撑开一压缩稳定(distraction—compressionstabiliza—tion)效应。Brodke等_]也通过实验证实Cage的稳定性主要来源于其获得撑开一压缩效应和界面负荷均分作用。即在植入椎间融合器后,撑开力能够使融合节段的肌肉、纤维环和前、后纵韧带处于持续张力状态下,使融合节段和融合器达到三维超静力学固定,同时其上、下螺纹能够旋入上、下终板,起自稳

基金项目:重庆市卫生局课题(06—02—0201

通讯作者欧云生,E—mail:ouyunshen92001@yahoo.eom.ca作用。其次,椎间融合器具有良好的解剖学支架功能。一方面,通过恢复椎间隙的高度,以恢复脊柱前、中柱的应力及稳定,恢复、维持、稳定脊柱固有生理凸起,扩大椎间孔,缓解神经根的受压。椎I'日J隙高度的恢复可以间接地复张由于椎间隙高度的丢失而致折叠的黄韧带和被压缩的纤维环,从而使中央椎管的狭窄得到明显地改善,增加椎管前后径,减轻原有椎管内占位口]。另一方面Cage还可以为脊柱提供即刻和早期的融合稳定性。能够通过撑开一压缩所产生的作用力与反作用力获得抗剪切、旋转效应。Cage的中空结构为其内的松质骨的融合提供良好的力学环境,从而达到界面永久融合的目的。

2椎间融合器的材料研究

自从椎间融合技术在临床上应用以来,以自体三面皮质骨为融合介质的传统技术在临床上得以广泛应用,但其存在生物力学和生物学的缺陷。为寻找理想的替代材料,使这些材料符合人体生物力学特点,与人体组织有良好生物学的相容性,同时具有自体三面皮质骨优点,学者们在材料方面的研究从未停止过。目前临床上使用的椎间融合器根据其材料可以分为:①金属类融合器。大多为钛合金融合器,如TFC、Harms、BAK椎间融合器等。②非金属类融合器,如Brantigan碳纤维融合器、高分子聚醚醚酮(PEEK)、可吸收的聚一DI。一乳酸(PDLLA)融合器等。

2.1金属类椎间融合器目前用于制作椎间融合器的金属材料主要是钛合金。1979年Wagner和Bagby等将一种壁上有许多/J,孑L的不锈钢中空圆柱状金属椎间融合器用于治疗马Wobbler综合征获得成功。随后经过改良用于人体腰椎椎间融合术。Ray等对Bagby融合器作了改进,增加了螺纹,提高

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其抗拔出力、机械强度和稳定性。其后逐渐发展成为目前临床常用的金属融合器。以BAK、RayTFC为代表。均为螺纹状融合器。TFC最初用于椎问盘性下腰痛和I度腰椎滑脱,目前其适应证扩大至腰椎峡部崩裂滑脱、腰椎不稳等。但在有些情况需要附加椎弓根内固定,如腰椎峡部裂滑脱。在临床应用后期。钛合金类腰椎间融合器不足之处逐渐表现出来:不能从X线片判断其内部骨融合情况、存在应力遮挡、异物感、金属结构松脱等并发症。另外,可在CT、MRI图像产生伪影不利于对融合器的影像学评价,价格比较昂贵,这些均限制其I临床应用。2.2非金属类椎间融合器非金属融合器主要包括生物非吸收性椎问融合器和生物可吸收性椎间融合器,I临床上常用的椎间融合器为生物非吸收型椎间融合器。目前已成为临床上最常用的椎间融合器之一。主要由碳纤维(carbonfiber)和聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)材料制成。2.2.1碳纤维椎问融合器1991年,Britigan和Steffee设计出应用于PI。IF的碳纤维椎间融合器,并逐渐发展成为临床上常用的椎间融合器。目前应用的碳纤维椎间融合器的弹性模量接近骨组织。生物力学特性接近皮质骨,应力遮挡较小,能有效恢复脊椎生理弯曲。其上下表面的棘状突起可有效地防止Cage的滑移。其突出的优点是碳纤维Cage透光性好,前后缘镶有钛珠,可透过普通X线准确清晰的观察植骨融合情况。碳纤维椎间融合器应用于临床取得了较好的临床效果。Vadapalli等山。设计的立方形碳纤维Cage的主要特点是凸起的两个面与终板的凹面解剖曲率相嵌合,使它能与终板界面充分嵌合,增加与终板的结合面积,从而减少塌陷,提高稳定性。促进骨融合。人体IrS:标本的体外力学实验发现该椎间融合器在结合椎弓根螺钉系统后所提供的稳定性与其它融合器相似。但是据以往在人工关节和韧带蓖建方面的经验,碳纤维的组织结构能分离造成关节内感染、滑膜炎、淋巴扩散,且脆性大,容易造成融合器装置破坏,引起组织学反应。

2.2.2聚醚醚酮(PEEK)椎间融合器PEEK是一种人工合成的、高性能的、线形的芳香族、半水晶样多聚体。1997年Scient’s通过实验后应用PEEK椎问融合器于临床,它具有透光性好,可透过X线,也町行CT和MRI检查,弹性模量较好,具有抗腐蚀性及生物相容性,减少植骨量,提高融合率。PEEK是目前l临床应用最广泛的椎间融合材料,被认为是理想的椎间融合器,其弹性模量接近正常人体骨组织一]。由于其弹性模量与皮质骨相近,因此产生较小的应力遮挡。能够刺激骨的生长。取得良好的融合效果。Rousseau等[83对57例应用PEEK材料的椎间融合器进行360。腰椎间融合,经X线评估其融合率达98%,且能够纠正和维持腰椎前凸。Desogus等‘。。随访观察2()例应用PEEK材料行腰椎间融合的患者。无Cage移位、塌陷等并发症,达到骨性融合.能够提供即刻的稳定性,认为单独应用PEEK材料的Cage可以获得好的效果。辅助椎弓根螺钉系统能够获得与钛合金同样的稳定性,并且减少与之接触椎体终板应力,增强骨传导。虽然PEEK椎间融合器具有以上优点。但也导致了一系列并发症:融合器松动、神经根损伤、融合器塌陷、椎间隙及椎间孔高度减小、椎间不融合等n…。该材料在正常负荷下产生碎屑,且影响骨融合。

2.2.3可吸收性椎间融合器采用高分子量的聚一DL一乳酸(poly—D,L-lacticacidPDLLA)制作可吸收性椎间融合器已应用于临床。PDLLA椎间融合器是1966年Kulkarni首次提出,由外消旋DI。型乳酸或左旋L乳酸制备的聚一DI。一乳酸(PDLI,A)或聚一L一乳酸(poly—I,一lacticacidPI。LA)制作成体内植入物,特别是骨折内固定物。PLLA的晶体部分难以被人体降解、吸收。PDI。IA是一种完全非晶体结构的聚合物,可以被人体完全降解吸收。单一的可吸收材料由于其理化特性,在应用过程中存在一定的问题,如机械强度差。因此,复合另外一种可吸收材料可能更利于临床应用,由此衍生出不同比例的复合物。临床上常用的可吸收椎间融合器为聚一L-乳酸(PI,I。A)和聚一DL乳酸(PDI。LA)按不同比例制成的复合物,如常用的(70:30)PLDI。I。A(poly—L—lactide-co—D,L-lactide)是指含有70%PI。LA和30%PDI。I。A的复合物。有研究u1]显示,PLDLLA在屈、伸、轴向旋转及侧屈方面的节段稳定性优于金属融合器,后期其降解速度会影响骨融合。还有将Pl』)I。I。A与多聚乙醇酸(polyglycolicacid,PGA)按不同比例混合制成椎间融合器。Totoribep等¨23将羟基磷灰石(HA)颗粒混入PDI。I。A研制出F—U—HA/PDl。I。A两种材料按不同比例复合成的融合器,该材料能增加骨结合力。除添加各种材料之外还可在材料内充填促进骨生长的各种生长因子以促进骨愈合,如在PLDLLA/PGA或羟基磷灰石和胶

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