新型纤维环成形器置入实验猪的影像学评价及生物力学特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1084

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (8): 1214-1221.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1084

• 骨与关节图像与影像 bone and joint imaging • 上一篇下一篇

新型纤维环成形器置入实验猪的影像学评价及生物力学特征

舒高¹，陈晓东²，翟明玉³，李全修²，梁鹏展³，杨学军²，赵海博²，蔚辰强²，白雪岭⁴，李龙⁴

¹广州中医药大学第三临床医学院，广东省广州市 510405；²深圳市罗湖医院集团罗湖区中医院，广东省深圳市 518000；³广州中医药大学附属深圳平乐骨伤科医院，广东省深圳市 518000；⁴中国科学院深圳先进技术研究院，广东省深圳市 518000

出版日期:2019-03-18 发布日期:2019-03-18
通讯作者: 陈晓东，博士，主任医师，深圳市罗湖医院集团罗湖区中医院，广东省深圳市 518000
作者简介:舒高，男，1989 年生，湖北省武穴市人，汉族，广州中医药大学在读硕士，主要从事中医药治疗脊柱退行性疾病研究。
基金资助:
深圳市知识创新计划项目(JCYJ20150402162418740)，项目负责人：陈晓东

Imaging evaluation and biomechanical characteristics of the novel intradiscal electrothermal annuloplasty in pigs

Shu Gao¹, Chen Xiaodong², Zhai Mingyu³, Li Quanxiu², Liang Pengzhan³, Yang Xuejun², Zhao Haibo², Yu Chenqiang², Bai Xueling⁴, Li Long⁴

Online:2019-03-18 Published:2019-03-18
Contact: Chen Xiaodong, MD, Chief physician, Luohu District Hospital of Traditional Chinese Medicine, Shenzhen Luohu Hospital Group, Shenzhen 518000, Guangdong Province, China
About author:Shu Gao, Master candidate, the Third Clinical Medical College of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the Shenzhen Knowledge Innovation Program, No. JCYJ20150402162418740 (to CXD)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

纤维环成形器：创新设计的纤维环成形器由钛合金锚定器，锚定器上有加固防倒退倒挂齿及促进骨连接孔、尾端连接连接件与聚四氟乙烯挡板活动连接而成的，钛合金锚定器主要起到固定及防治倒出，聚四氟乙烯挡板起到阻挡髓核，修复纤维环的作用。

椎板间开窗减压髓核摘除：切开皮肤后达到关节突，使用枪式咬骨钳咬开椎板、开窗暴露纤维环，利用髓核钳潜行切除棘突根部，将髓核组织全部取出摘除髓核。在创伤很小的前提下，彻底治疗腰椎间盘突出症。

摘要

背景：椎间盘突出使纤维环的完整性破坏，可能会导致椎间隙缩小、椎间盘退变及运动节段失稳。而单纯髓核摘除不会阻止这一过程的进展，这些变化会进一步导致椎间盘退变，增加椎间盘再次突出的风险。

目的：探讨髓核摘除术后椎间盘的退变，以及纤维环成形器置入能否恢复椎间隙高度、延缓椎间盘退变及维持运动节段的稳定性。

方法：将实验猪随机分成2组，实验组行髓核摘除纤维环成形术，对照组行单纯髓核摘除术，术后150 d处死后取出腰椎标本，进行影像学检查及生物力学加载，影像学观察椎间隙高度、椎间盘退变程度，生物力学加载评价运动节段的稳定性。

结果与结论：①2组实验标本的一般情况及髓核摘除量之间差异无显著性意义(P > 0.05)；②2组椎间隙高度、椎间盘退变情况差异均有显著性意义(P < 0.05)，实验组优于对照组；③在正常生理7个方向上的生物力学加载中，实验组中性区活动度及腰椎活动范围均显著小于对照组(P < 0.05)；④在实验猪的影像学评价及生物力学研究中发现，纤维环成形器在髓核摘除术中可以一定程度上修复纤维环；对纤维环成形器置入后进行测试，结果显示纤维环成形器对椎间隙高度恢复、椎间盘退变延缓及运动节段稳定性的维持效果是值得肯定的。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0002-3087-7669(舒高)

关键词: 纤维环修复成形, 猪, 纤维环成形器, 椎间隙高度, 腰椎间盘退变, 髓核摘除, 运动节段稳定性, 生物力学加载

Abstract:

BACKGROUND: Intervertebral disc herniation can damage the integrity of the annulus fibrosus, which may lead to intervertebral space decreasing, disc degeneration and instability of the motion segment. The removal of the nucleus pulposus will not prevent the progress of this process, but further results in disc degeneration and increases risk of the disc re-herniation.

OBJECTIVE: To explore the disc degeneration after discectomy, and whether intradiscal electrothermal annuloplasty can restore the intervertebral space height, delay disc degeneration and maintain instability of the motion segment.

METHODS: Pigs were randomized into two groups, and received discectomy and intradiscal electrothermal annuloplasty (experimental group) or discectomy (control group). The animals were killed to remove the lumbar specimens after 150 days. Imaging evaluation and biomechanical tests were used to observe the intervertebral disc height, intervertebral disc degeneration and the stability of the motion segment, respectively.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The general situation and amount of removal nucleus pulposus showed insignificant difference between two groups (P > 0.05). (2) The intervertebral disc height and the disc degeneration in the experimental group were significantly superior to those in the control group (P < 0.05). (3) The biomechanical load at the seven normal physiological directions showed that the range of motion of the neutral zone and lumbar region in the experimental group were significantly less than those in the control group (P < 0.05). (4) Our imaging and biomechanical results show that intradiscal electrothermal annuloplasty can maintain the integrity of the annulus fibrosus, intervertebral height, and the stability of the motion segment, decrease disc degeneration.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Intervertebral Disk, Diskectomy, Percutaneous, Swine, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R459.9|R318

舒高, 陈晓东, 翟明玉, 李全修, 梁鹏展, 杨学军, 赵海博, 蔚辰强, 白雪岭, 李龙. 新型纤维环成形器置入实验猪的影像学评价及生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(8): 1214-1221.

Shu Gao, Chen Xiaodong, Zhai Mingyu, Li Quanxiu, Liang Pengzhan, Yang Xuejun, Zhao Haibo, Yu Chenqiang, Bai Xueling, Li Long. Imaging evaluation and biomechanical characteristics of the novel intradiscal electrothermal annuloplasty in pigs[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(8): 1214-1221.

图/表（结果） 3

2.1 实验动物数量分析及一般情况 2组实验标本的体质量、雌雄性别、猪龄及术中出血量、手术时间伤口愈合时间比较差异无显著性意义(P > 0.05)。2组10只实验标本手术后均未死亡，术后未出现感染及重大疾病，各个实验动物进食良好、站立、行走、奔跑活动良好、手术切口愈合良好、尿便正常。

2.2 髓核摘除量的比较 实验组、对照组的髓核摘除量分别为(0.51±0.31) cm³及(0.48±0.38) cm³，行两独立样本t 检验，2组差异无显著性意义(t=0.14，P=0.89)。

2.3 X射线成像结果 10个标本均未发现脊柱的恶性病变；实验组的纤维环成形器均未出现松动、后退等情况，见图1。

2.4 螺旋CT检查成像结果 使用Simens公司64层螺旋CT配置的内置测量软件，测量手术节段L_4/5的椎间隙高度，见图5。实验组的椎间隙高度与对照组比较差异有显著性意义(P < 0.05)。

2.5 MRI结果 2组行术后腰椎MRI检查，评估椎间盘退变的改良Pfirrmann分级，实验组5例中Ⅰ级1例，Ⅱ级3例，Ⅲ级1例，Ⅳ级0例，Ⅴ级0例；对照组5例中Ⅰ级0例，Ⅱ级0例，Ⅲ级0例，Ⅳ级3例，Ⅴ级2例，见表1。

2.6 腰椎稳定性的生物力学加载结果 使用Instron E10000万能材料试验机对2组标本的生物力学进行测试，主要测试中性区活动度及腰椎活动范围。

中性区活动度：2组在生理活动的7个方向上的中性区活动度差异均有显著性意义(P < 0.05)，实验组的中性区活动度较对照组小，见图6。说明实验组的腰椎稳定性较对照组好，提示纤维环成形器具有较好的维持中立位状态下腰椎稳定性的作用。

腰椎活动范围：2组在生理活动的7个方向上的腰椎活动范围差异均有显著性意义(P < 0.05)，实验组的腰椎活动范围较对照组小，见图7。说明实验组的腰椎稳定性较对照组好，表示纤维环成形器具有较好的维持活动状态下腰椎稳定性的作用。

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引言

腰椎间盘突出症是指椎间盘的纤维环破裂和髓核组织突出，压迫和刺激神经根所引起的一系列症状和体征^[1]。长期的不良姿势、腰部过度负荷、脊柱畸形及急性损伤导致纤维环破裂，髓核突出。目前，国内的青壮年工作及生活习惯中存在较多不良姿势、过度负荷及急性损伤导致椎间盘突出的发病有年轻化的趋势，同时，伴随老龄化及脊柱退变逐渐加速而中老年的发病率逐年增高的趋势。1934年Mixter和Barr在美国哈佛大学医学院首次使用手术治疗腰椎间盘突出症并证实手术治疗的成功是椎间盘突出手术治疗的时代开始。腰椎间盘突出症的手术治疗到目前为止，已有近80多年的发展历史，在长期的临床治疗中发现手术治疗疗效确切，并在临床中逐渐推广。

目前，对腰椎间盘突出症的治疗期待解决手术创伤小及术后复发低两个方面内容，经典椎板间入路椎间盘髓核单纯摘除手术存在较高的复发是因为原手术节段残留的椎间盘、髓核组织再次突出引发神经症状^[2]，如能对破损的纤维环进行封堵成形，促进纤维环修复重建，有望极大的见降低术后复发率，且满足国内椎间盘突出症的发病特点及手术治疗需要。目前对纤维环封堵成形的研究主要是Intrinsic Therapeutics公司设计制作的Barricaid内部治疗装置。Gerrit等^[3]使用该装置在传统的腰椎间盘切除术中对纤维环缺损处进行遮挡，最终减少术后复发率，术后2年的随访中发现，有患者出现了残余髓核从网状结构两侧挤出的情况，在长期的随访中都未出现融合的情况。但是目前国外研制的纤维环遮挡器，设计上缺陷较多：嵌入椎体的锚定器，所有锯齿设计向上，且部件连接处呈直角，这些因素容易导致相邻椎体骨质及终板切割，增加内置物松动风险；用于遮挡髓核组织的网状结构，垂直呈“∣”嵌入椎间隙，残余髓核容易从遮挡器两侧再次突出，髓核保护效果不佳，目前国内尚无相关纤维环修补成形及遮挡器械研究。

对医学骨科内植物的研究主要为生物相容性及生物力学效果。当然，对于医学骨科内植物的研究主要为生物相容性及生物力学效果人类是最适合的，但限于伦理学及实验研究的初级阶段，实验动物研究更具有合理性。对腰椎间盘突出的实验动物模型的有很多^[4-6]，有些报道指出家猪脊柱椎体及椎间盘的相关数据和人类的有一定的相似度，作为实验动物模型不失为一个良好的选择。台大医院的研究者也表示，猪是一种可行的动物实验模型，可用于椎间盘退变的实验动物模型制备^[7]。在此基础上，文章利用创新研制的新型纤维环成形器对家猪椎间盘造模后进行封堵修复，并进行了影像学评价及生物力学分析，为后期利用组织工程修复腰椎间盘提供新的思路。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 随机对照动物实验。

1.2 时间及地点 实验于2017年5月至2018年1月完成。于广东省河源市紫金县家猪养殖厂进行纤维环成形器植入及实验动物养殖，于深圳平乐骨伤科医院进行影像学检查，于中国科技研究院深圳市先进科学技术研究院进行生物力学加载。

1.3 材料

1.3.1 实验动物选用普通健康同一窝的家猪10头(广东省河源市紫金县家猪养殖厂，猪种：长白猪，批号：CEMPI20170220)，雌雄不限，体质量 60-65 kg，年龄 100 d，无脊柱疾病，食用猪疫苗按正常进行。所有猪均采用圈中独立圈养的方法，定时、定量摄食，自由饮水，实验前12 h禁食水。实验全过程均符合动物伦理学标准。

实验前将家猪编号，使用随机数法将家猪分为实验组和对照组(n=5)。实验组进行椎间盘摘除后纤维环封堵修复重建术，对照组进行椎间盘单纯摘除术。

1.3.2 实验器材自主研制纤维环成形器^[8]，由北京精雕公司代替加工提供；高频电刀，北京英杰华科技有限公司(GE-350)，由深圳平乐骨伤科医院手术室提供；后路腰椎手术器械包(张家港青牛脊柱后路手术器械包)，由深圳平乐骨伤科医院手术室提供；DR-X射线机(飞利浦，深圳平乐骨伤科医院)；64层三维螺旋CT机(西门子，深圳平乐骨伤科医院)；1.5T MRI机(西门子，深圳平乐骨伤科医院)进行影像学检查；3%戊巴比妥钠，后路腰椎手术耗材物品(深圳平乐骨伤科医院)；Instron E10000万能材料试验机、力学记录软件，深圳瑞格尔仪器有限公司，中国科技研究院深圳市先进科学技术研究院。

1.4 方法

1.4.1 动物模型的建立动物术前独立圈养适应性饲养1周，术前禁水、禁食12 h。使用3%戊巴比妥钠10 mL耳后肌注，待实验动物麻醉倒地后，改用3%戊巴比妥钠静脉注射持续麻醉动物(施加剂量为 1 mL/kg)，经口腔气管插管，将动物俯卧于手术台，固定四肢及头部。腰部备皮，常规消毒、铺巾和贴膜^[9]。

入路方式均选择腰椎后路右侧开窗减压入路，拨开棘突旁肌肉及组织，暴露L_4/5关节突位置，去除右侧椎板上软组织组织，使用8 mm宽的骨刀在椎板上凿开一小口，用枪式咬骨钳逐步咬除下关节突和部分椎板，直至通道可直观见到椎间盘中上部及下终板下缘，咬开通道大小约 8 mm×10 mm。

实验组手术操作：去除右侧椎板上软组织组织，使用 8 mm宽的骨刀在椎板上凿开一小口，用枪式咬骨钳逐步咬除下关节突和部分椎板，直至通道可直观见到椎间盘中上部及下终板下缘，咬开通道大小约8 mm×10 mm，使用自主设计的宽度为6 mm的尖刀由椎体后方后纵韧带旁切开椎间盘的纤维环层，用髓核钳和刮匙摘除椎间盘中髓核组织(摘除深度达切口深15 mm)，用自制8 mm宽度骨刀，在下位椎体上终板下缘纤维环切口正下方凿开皮质骨，开出锚定件通道，用把持器固定纤维环成形器，将锚定件置入下位椎体上终板下缘锚定件通道中，遮挡板通过纤维环切口置入纤维环中，固定牢靠后撤出把持器，用敲打器将纤维环成形器敲入椎体内。生理盐水3 000 mL冲洗，高频电刀止血，检查无明显出血点后分层缝合，留橡皮引流片1 根，局部加压包扎。完成手术。

对照组手术操作：去除右侧椎板上软组织组织，使用 8 mm宽的骨刀在椎板上凿开一小口，用枪式咬骨钳逐步咬除下关节突和部分椎板，直至通道可直观见到椎间盘中上部及下终板下缘，咬开通道大小约8 mm×10 mm，使用自主设计的宽度为6 mm的尖刀由椎体后方后纵韧带旁切开椎间盘的纤维环层，用髓核钳和刮匙摘除椎间盘中髓核组织(摘除深度达切口深15 mm)。生理盐水3 000 mL冲洗，高频电刀止血，检查无明显出血点后分层缝合，局部加压包扎。完成手术。

术后连续3 d，每天3次肌注头孢呋辛钠2.0 g，以预防感染，术后第2天去除加压包扎，并进软食1周，1周后改普通饲料喂养。

10台实验操作，分5 d完成，每天完成实验组及对照组各1只，手术操作主刀为文章通讯作者，第一作者作为第一助手共同完成，术后护理由第一作者完成。

1.4.2 髓核摘除量的比较应用体积差法测量髓核摘除量。由同一位实验人员同时进行读数测量计算。保持实验稳定恒定20 ℃。应用滴管吸取5%的生理盐水，小心滴入10 mL量筒中。将量筒放置水平实验台上，视线与液面最低点水平，所读的读数为Va。再将髓核放入，用同样的方法所读的读数为Vb。Vb减去Va得到的Vc即为髓核摘除体积。

1.4.3 影像学检查 10只实验标本手术后均未死亡，术后未出现感染及重大疾病，各个实验动物进食良好、站立、行走、奔跑活动良好、手术切口愈合良好、尿便正常。影像学检查于术后第150天，将实验动物进行麻醉屠宰后取出腰椎模型，为避免取出时对脊柱腰椎标本头尾端造成的破坏的影响，选取实验节段为所有腰椎加上下各加1个节段的T₁₅-S₁节段。

(1)X射线检查：采用Philips公司的DR-X射线机拍摄X射线，了解纤维环成形器的位置情况，是否存在松动，退出等情况及排除标本的恶性病变，见图1。

(2)CT检查：采用Simens公司64层螺旋 CT(球管电压设置为120 kV，电流2.5 mA，层厚0.64 mm，共150层，并进行三维重建)，使用Simens公司内置软件测得椎间隙高度，见图2。

(3)MRI检查：采用Simens公司1.5T高场超导核磁共振，线圈C:SYNERGY-SPINE，体位(Situation )：仰卧位，头先进，常规腰椎矢状面、横断面扫描，用T2WI TSE序列(TR 2.0 s，TE 120 ms)常规经椎间盘层面横断面扫描，选取L₄_-₅手术节段作为研究对象。观察纤维环修复后的愈合情况及椎间盘的退变情况，了解锚定件是否松动、脱落，见图3。

1.4.4 腰椎稳定性的生物力学加载

(1)牙托粉包埋：实验前将冰冻标本取出，置于在恒温4 ℃下解冻24 h。使用切割机、游标卡尺及激光水平定位切割，使标本在包埋过程中保持水平。包埋前剃除包埋部分的软组织及韧带等，避免包埋后不牢靠导致加载过程中标本滑脱。包埋时按照聚甲基丙烯酸甲脂(牙托粉，自凝型，上海齿科材料厂)使用说明，应严格按照聚甲基丙烯酸甲脂使用说明进行包埋，包埋的整个过程中在温度恒定(16 ℃)空气流动的环境下进行，并不断向标本喷淋生理盐水，保持标本温度及湿度恒定。

(2)腰椎稳定性的三维运动生物力学加载：牙托粉夹具包埋成功后，将夹具上端固定在加载盘上，下端固定在试验机的基座上。调整并设计基准点，后进行三维运动测试，包括前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转及压缩7种运动情况，见图4。为以消除标本韧带、关节囊等软组织的黏弹性和因解冻、组织松弛、蠕变等时间效应产生的影响，先完成3次加载后，记录第4次加载的参数^[10]。压缩、屈伸、侧弯测试从准静态零载荷到最大500 N 载荷，加载速度为100 N/min进行加载，旋转测试从准静态零载荷到力矩最大为20 N·m 载荷，力臂为0.1 m，加载速度为10 N·m/min进行加载，记录相关数据。

记算出各方向上力学测试机压头下降的距离代表脊柱活动范围，扭转角度代表旋转活动范围。计算标本在前屈、后伸、左右侧弯时的活动范围及中性区。活动范围是指从中立位的起点到最大加载载荷终点，此时各韧带保持紧张状态，中性区是指从标本中立位置到弹性位移的起点，为无阻抗运动区，此时各韧带保持松弛^[11]，此实验中性区的测量方法是从中立位至0载荷时力学试验机探头的位移，活动范围的测量方法是从中立位至最大载荷时力学试验机探头的位移。在载荷相同的情况下，活动范围及中性区越小，表明其稳定性越高。

1.5 主要观察指标 术中记录摘除髓核的量，处死取出标本后立即行影像学检查(X射线、CT、MRI)测量椎间隙高度及椎间盘退变分级(Pfirrmann分级)，最后进行生物力学加载，测量稳定性及疲劳试验。

MRI对腰椎间盘退变的判定主要是采用2001年Pfirrmann等^[12]提出的一种椎间盘退变分级标准，此次实验对MRI评价采用改良Pfirrmann分级标准，退变椎间盘表现以低信号为主，即T2加权像信号强度降低，椎间盘变薄。具体评价方法参考舒高等^[13]的评价内容。

1.6 统计学分析 使用SPSS 20.0软件分析实验数据，数据用x(_)±s表示，2组间均数的比较采用t 检验，椎间盘退变分级因为样本量较小，采用秩和检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

世界各国学者通过对纤维环修复能力的研究发现，纤维环因其薄弱的营养环境及人体的衰老导致的退变，在受到超出生理承载载荷损伤后自我修复能力较弱，目前外科手术可以对椎管彻底减压，解除神经根压迫，但对椎间盘退变及破损的修复仍在探索，这使目前椎间盘摘除术后高复发率的主要原因。如果可以通过外科手术技术同时纤维环进行成形修复、纤维环完整结构重建以植入及容纳新的具有生理功能的椎间盘，使椎间盘自我修复恢复正常的生理功能，从而可以彻底地治疗腰椎间盘退变性疾病^[14]。随着脊柱外科手术的微创化及精细化的发展，纤维修复成形术及其理念已被脊柱外科学者及医师认同并应用^[15]。Yin等^[16]通过临床观察报道，腰椎间盘突出症术后复发的率高达18%。在常规的髓核摘除后再进行纤维环修复成形术可有效的降低腰间盘突出术后复发率及慢性腰痛发生率，从而提高患者对手术治疗的满意度。

正常的椎间盘通过生理压力可以维持纤维环、髓核和脊柱后柱之间的生物力学的平衡。研究表明，椎间盘髓核摘除术破坏纤维环的完整性，导致纤维环缺损可以减少椎间盘内的压力，而对脊柱的稳定性产生不利影响。在此次课题的研究中，对实验组和对照组的10个实验标本的影像学进行评价及生物力学的测量，对2组的髓核进行了部分摘除，并对实验组的纤维环进行了修复。实验结果表明，纤维环成形器可以很好维持椎间隙的高度、延缓椎间盘退变及维持脊柱生物力学的稳定性。这些结果表明，纤维环成形器可能有利于椎间盘的修复，在一定程度上逆转了单纯椎间盘摘除术后可能对节段力学稳定性丢失造成椎间盘退变的加速。在长期的随访过程中发现，髓核摘除术可能会导致腰椎运动节段的进一步退化^[17]。McGirt等^[18]在髓核摘除术后随访6个月后发现，髓核摘除越多，手术后6个月椎间盘高度丢失越多。Barth等^[19]研究结果表明较大的纤维环切口与较小的纤维环切口相比，较大切口的椎间盘的椎间盘高度的丢失和椎间隙退变更为严重。

使用纤维环成形器可以使脊柱外科医生更安全地保留更多的自身髓核，避免椎间盘高度的丧失和椎间盘突出的复发。Mariconda等^[17]表示，在接受髓核摘除术的患者中，进行性退行性变化比接受保守治疗的患者要更快、更严重。髓核摘除术后这些进行性退行性变化的病理生理学机制很可能是多因素的，但纤维环的修复成形可能是一个整体原因^[20-21]。例如，在退变的椎间盘中，纤维环的完整性破坏，在髓核摘除术后，椎间盘中的压力可能会降至接近零的水平，在这种情况下，几乎没有髓核被移除，而在健康的椎间盘中，相同的髓核摘除术后，健康的椎间盘仍保持了相当大一部分的压力^[22]。在此次研究中，在髓核摘除术后，髓核压力消失了，即使没有发生再次突出，也意味着椎间盘失去了完整性。纤维环的破坏是直接导致椎间盘内压力损失的原因，这也许是通过髓核在负载下膨胀挤压纤维环成形器而封堵缺损。此次实验结果表明，在髓核摘除术的时候使用纤维环成形器封堵纤维环缺损，使纤维环内压力恢复，或接近恢复正常。这样的恢复接近正常的椎间盘的压力反应可能会中断椎间盘退变的循环。Steffen等^[23]证明，纤维环破裂髓核内静水压力的减少导致了纤维环中的应力增加，导致了纤维环各层层状结构的分离，并破坏了纤维环两层之间交错排列的结构，其次才是髓核向四周放射状的压力。类似地，Adams等^[24]表明，退变的椎间盘减少了30%的髓核内压力，同时纤维环的纵向压应力增加达到160%。该研究还表明，退变的髓核的静水压力降低，导致外层纤维环的纤维环被迫向外，而内层纤维环则被迫不规则的向内或向外。这种纤维环内裂隙现象最终削弱了纤维环的强度，使椎间盘更容易出现破裂和髓核突出。因此，纤维环修复或椎间盘假体置换手术，可以帮助恢复椎间盘中的自然压力平衡，更适当地将负荷转移到纤维环，减缓进一步的退变^[25]。

此次课题创新研制一种新型纤维环成形器，对纤维环进行封堵，通过实验动物学、影像学、生物力学等基础研究进行比较评价。此次课题发现，创新研制的新型纤维环成形器具有较好的生物相容性，置入实验动物体内未出现排异反应，置入后与实验动物的椎间盘及椎体融合良好，置入后未出现松动及脱出，纤维环成形器未出现破损等情况，但纤维环内部愈合的细胞生物学的变化需要进一步研究。在64层螺旋CT的影像学观察中发现，纤维环成形器对实验猪腰椎间盘摘除术后，椎间隙高度的维持具有很好的维持作用。这表明纤维环成形器可避免椎间盘摘除术后椎间隙下降导致椎间隙变窄、纤维环松弛、腰椎退变加速、椎间稳定性下降及上下关节间压力及摩擦力增加，椎间孔变小压迫神经根引起临床症状^[26]。MRI可获得三维结构影像，阳性率较高，可清晰的了解椎间盘有无退行性改变，椎间盘是突出还是脱出，还可显示椎管内占位情况^[27]。此次课题在对实验动物腰椎标本的MRI检查发现，在椎间盘摘除后置入纤维环成形器可很好的修复纤维环，不仅可防止髓核突出，还可明显延缓椎间盘的退变。在进行生物力学实验中发现，与对照组相比，实验组在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转及压缩7个方向上的中性区活动度及腰椎活动范围均具有明显差异，中性区活动度及腰椎活动范围可直观明确地反映腰椎的稳定性。生物力学实验结果表明，纤维环成形器可以很好地维持腰椎的生物力学稳定性，这可能是纤维环成形器在对髓核的封堵及纤维环的修复而发挥的作用。此次研究通过对实验动物腰椎标本的影像学评价及生物力学分析认为纤维环成形器可以为髓核摘除术后防止髓核再次突出及纤维环的修复创造条件^[28]，可有效的维持椎间隙高度、延缓椎间盘退变维持腰椎的稳定性，可以为腰椎间盘突出术后纤维环缺损的修复提供一种新的途径。研究结论将为纤维环成形器治疗腰椎突出症提供了影像学评价依据及生物力学方面的重要依据，以探索更适合临床的腰椎间盘突出症治疗的手术方式，具有重要临床指导意义。但进一步的修复机制及对椎间盘的分子生物学影响有待进一步研究。

此次研究结果表明，纤维环成形器置入，恢复纤维环结构的完整性，可能会在一定程度上逆转由髓核摘除术引起的压力损失，从而恢复椎间隙高度，延缓椎间盘退变，恢复运动节段的稳定性。可以为腰椎间盘突出术后纤维环缺损的修复提供一种新的途径，研究结论将为纤维环成形器治疗腰椎突出症提供了影像学评价依据及生物力学方面的重要依据，以探索更适合临床的腰椎间盘突出症治疗的手术方式，具有重要临床指导意义。但进一步的修复机制及对椎间盘的分子生物学影响有待进一步研究。

实验存在的不足与展望：尽管此次实验结果表明，在实验动物腰椎髓核摘除术中置入纤维环成形器的方法可能有效地恢复椎间隙高度、延缓椎间盘退变及维持运动节段的稳定性，但也有一些缺点需要指出。

首先，这项研究是在实验动物家猪标本上进行的，而不是患者。实验动物家猪模型不能解释人类站立及肌肉收缩过程中发生的变化，也不能解释诸如坐着、躺着、站着的生理功能^[29]。目前还不清楚这些差异是否会对椎间隙高度、椎间盘退变及运动节段稳定性产生重大影响。

这项研究的第2个限制是，椎间盘退变是由影像学MRI检查的，而不是病理诊断及细胞生物学分析。病理诊断及细胞生物学分析可能会了解椎间盘退变过程中的病理生理及细胞生物学变化，更具体有助于明确分析椎间盘退变过程有，它可以从细胞及分子层面更加细致地分析椎间盘退变过程中的变化。

第三，测试过程中纤维环缺损的部位是后纵韧带右侧外缘，破损大小固定(6 mm)，这可能不是大多数典型腰椎间盘突出纤维环缺损的位置及大小。但有类似的研究表示不同切口部位及大小与椎间盘突出复发有一定的相关性，切口越大复发的风险越高^[30-31]。因此纤维环成形器治疗腰椎间盘突出症具有一定的局限性，更广泛的应用需要进一步的探索。

第四，以避免标本的变质，实验过程中限制实验的时长，只进行了几个周期的加载负荷，这些活动范围代表了日常生活中的活动^[32]。作者的假设是，如果在这种模拟日常活动的范围情况下，纤维环成形器可以很好的维持脊柱的稳定性，那么循环加载测试实验结果是可取的。

第五，实验选择的模型为家猪腰椎标本，实验的样本量也存在一定的限制。作者的假设认为，实验家猪的腰椎间盘虽不会和人类一致，但在一定的程度上可以反映纤维环成形器的效果，如果假设成立，那么纤维环成形器对椎间隙高度的维持、椎间盘退变的延缓及运动节段的稳定性维持效果是值得肯定的。

最后一个不足是，实验从纤维环内取出的髓核一定，因此很难将结果推断给髓核摘除量不一致的患者。故纤维环成形器对椎间盘突出大小不同的效果有待进一步探讨。

结论：此次研究在实验猪的影像学评价及生物力学研究中发现，纤维环成形器在髓核摘除术中可以一定程度上修复纤维环，并对纤维环成形器置入后进行测试，发现纤维环成形器对椎间隙高度恢复、椎间盘退变延缓及运动节段稳定性的维持效果是值得肯定的。目前作者的研究只在实验动物层面，更进一步临床应用研究将需要继续探索。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

新型纤维环成形器置入实验猪的影像学评价及生物力学特征

Imaging evaluation and biomechanical characteristics of the novel intradiscal electrothermal annuloplasty in pigs

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