金属橡胶角度人工颈椎间盘植入后颈椎的稳定性变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.16.002

摘要/Abstract

摘要：

背景：前期实验设计和制作了钛合金金属橡胶角度人工颈椎间盘假体，于试图复制椎间盘在运动及应力分布这两方面的作用上进行了可行性研究。
目的：进一步观察金属橡胶角度人工颈椎间盘植入后山羊颈椎的稳定性变化。
方法：将9只山羊随机分为手术组(n=6)和正常对照组(n=3)，手术组在C4/5节段植入金属橡胶角度人工颈椎间盘，正常对照组不予任何处理。分别于术前，术后即刻、4周、8周、12周行X射线正侧位、过伸过屈位，测量C4/5节段椎间隙高度、活动度及椎间角度，并进行手术节段硬组织切片包埋，苦味酸品红骨染色和扫描电镜观察。
结果与结论：手术组术后不同时间点C4/5节段椎间隙高度、脊柱活动度与术前及正常对照组比较差异无显著性意义；手术组术后即刻、4周、8周C4/5节段椎间角度高于术前(P < 0.05)；手术组术后4，8，12周C4/5节段椎间角度与正常对照组比较差异无显著意义(P > 0.05)。术后4周时，手术组骨尚未与假体边缘接触；8周时骨与假体边缘间隙缩小，假体边缘有少量新生骨附着；12周时，假体表面有少量骨细胞存在，假体内部已有新生骨组织长入。表明金属橡胶角度人工椎间盘植入椎间隙后短期可维持椎间隙高度和活动度，与椎体结合牢固。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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关键词: 生物材料, 骨生物材料, 金属橡胶, 颈椎, 人工椎间盘, 生物力学, 椎间隙高度

Abstract:

BACKGROUND: Previous studies designed and made titanium metal rubber cervical disc prosthesis, and performed feasible studies on its effect on movement and stress distribution by replicating intervertebral discs.
OBJECTIVE: To further observe the changes in the stability of goat cervical vertebra after metal rubber cervical disc replacement.
METHODS: Nine goats were randomly divided into experimental group (n=6) and normal control group (n=3). Goats in the experimental group received metal rubber cervical disc replacement at C4/5 segment. Goats in the normal control group did not receive any treatment. Radiographic data at anteroposterior and lateral position, hyperextension and excessive flexion were taken to measure intervertebral height, range of motion and intervertebral angle at C4/5 segment before operation, immediately, 4, 8, 12 weeks after operation. Subsequently, slicing and embedding of hard tissue at surgical segment, picric acid-acid fuchsin staining and scanning electron microscopy were conducted.
RESULTS AND CONCLUSION: No significant difference in the intervertebral height and spinal range of motion at C4/5 segment at different time points was detected between postoperative results in the experimental group and preoperative results in the experimental group, normal control group. The intervertebral height at C4/5 segment was higher immediately, 4 and 8 weeks after surgery than preoperative result in the experimental group (P < 0.05). No significant difference in intervertebral angle at C4/5 segment was detectable between 4, 8 and 12 weeks postoperatively in the experimental group and normal control group (P < 0.05). At 4 weeks after surgery, bone did not contact with the edge of the prosthesis in the experimental group. At 8 weeks, the gap between bone and the prosthesis became small, and some new bone attached to the edge of the prosthesis. At 12 weeks, a few osteoblasts were observed on the surface of the prosthesis. New osteogenic tissue grew into the prosthesis. Results suggested that metal rubber cervical disc replacement in the intervertebral space could maintain intervertebral height and range of motion in a short period, and tightly bind to the vertebral body.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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Key words: Prosthesis Implantation, Intervertebral Disk, Biology

中图分类号:

R318

柏传毅，卫文博，党晓谦，王坤正. 金属橡胶角度人工颈椎间盘植入后颈椎的稳定性变化[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(16): 2467-2472.

Bai Chuan-yi, Wei Wen-bo, Dang Xiao-qian, Wang Kun-zheng. Cervical stability changes following metal rubber cervical disc replacement[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(16): 2467-2472.

图/表（结果） 4

2.1 实验动物一般情况 1只动物于术中麻醉状态死亡，补

充后重新手术；1只山羊术后发生胃内容物反流误吸，导致呼吸困难，给予气管切开插管，2 d后拔管。术后实验动物未发生死亡，所有山羊手术切口1/甲愈合，术后未发生神经损伤症状，术后第2天自主活动。

2.2 术后影像学检测结果术后即刻椎间隙高度较术前略有增高，但差异无显著性意义(表1)；术后4，8，12周山羊C_4/5椎间隙高度与术前相比未见明显异常(P > 0.05)。术后未见假体移位，假体下陷和终板处硬化改变；术前、术后手术节段椎体高度无明显差异。术后12周，X射线显示手术界面模糊(图3)。

术后4周手术组C_4/5节段活动度较术前有所增加，但差异无显著性意义，与正常对照组相比差异无显著性意义(P > 0.05)；手术组术后8，12周椎间活动度较正常对照组有所减

少，但差异无显著性意义(表2)。手术组术后即刻手术节段椎间角度较术前明显增加(P < 0.05)，并高于正常对照组(P < 0.05)；手术组术后4，8周手术节段椎间角度仍大于术前(P < 0.05)，术后12周与术前比较差异无显著性意义(P > 0.05)，与正常对照组相比差异无显著性意义(P > 0.05)，见表3。

2.3 组织学评价结果

光镜下观察：手术组术后4周可见假体表面有少量纤维组织；术后8周可见有软骨细胞贴附于假体表面；术后12周可见假体表面有少量骨细胞存在(图4)。

扫描电镜观察：手术组术后4周时，骨尚未与假体边缘接触；8周时骨与假体边缘间隙缩小，假体边缘有少量新生骨附着；12周时，假体内部已有新生骨组织长入(图5)。

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引言

人工椎间盘置换作为近10年来热门的手术术式选择，可以维持脊柱的稳定性，缓解脊髓或神经根压迫，同时能够避免融合造成的手术节段运动功能丧失，已越来越受到学者们的关注^[1-3]。目前市面上常见的椎间盘假体结构各异，功能侧重点各不相同，对于其疗效的评价，由于应用于临床时间较短，缺乏长期的观察，故很难得到全面的结论^[4-5]。

目前大多数人工椎间盘较正常椎间盘而言，轴向强度高，不能弹性伸缩，缺少震荡吸收功能，容易导致人工椎间盘与其邻近椎体轴向应力较大，加速假体下沉、松动与脱出^[3-9]。此外，目前投入市场的椎间盘假体均为组合式假体，多由几部分组装或两种以上材料相互连接而成。假体的不同部位、不同材料结合处可能存在碎屑磨损，结合处松动及其继发的局部或全身反应也限制了假体的使用寿命^[10]。David^[11]对108例进行CHARITE假体置换患者进行了长达13.8年的随访，其中有2例由于聚乙烯核心过度磨损而出现假体半脱位。Darren等^[12]回顾分析29例Prodisc-C假体植入失败的病例，发现假体金属与聚乙烯界面的磨损是导致术后假体松动、返修的主要原因。

既能保证假体的弹性功能又能保持其运动功能，是目前椎间盘假体研究的热点。金属橡胶是一种新型均质的弹性多孔材料，经特殊的工艺方法将一定质量、拉伸开、螺旋状的金属丝有序地排放在冲压或碾压模具中，通过冲压成型的方法制成，其内部有很多孔洞，既呈现类似橡胶材料的弹性和阻尼性能又保持金属的优异特性，主要应用于航空航天领域，目前尚无金属橡胶应用于临床医学研究的相关报道。

本实验设计出一种新型角度钛合金金属橡胶颈椎间盘假体，并对其进行物理性能测试及体外标本植入测试，使其能够复制椎间盘在运动及应力分布这两方面的作用^[13-14]。本实验所设计的角度椎间盘假体有如下特点：一体化设计可以避免假体内部之间的微动，导致手术失败；金属橡胶材料具有足够的支撑强度和合适的形变量；多孔凸面结构紧贴上下椎体，可获得足够的轴向稳定性，同时也在一定程度上提供了抗旋转和平移的能力，同时利于骨细胞长入，提高长期稳定性。实验通过对山羊行单节段人工角度椎间盘植入，观察手术后其颈部活动状况，并通过影像学及组织学观察，探讨角度人工椎间盘的生物学性能。

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材料方法

设计：随机对照动物实验。

时间及地点：于2012年5月至2013年2月在西安交大二附院外动实验中心完成。

材料：

实验动物：健康6月龄雌性山羊9只，体质量10-15 kg，由西安交大医学院动物试验中心提供。所有动物术前均行颈椎X射线检查排除颈部疾病。实验中对动物的处理方法符合科技部颁发的《关于善待试验动物的指导性意见》的相关要求。将9只山羊随机分为手术组6只和正常对照组3只。

椎间盘假体：由0.2 mm丝径钛合金丝金属橡胶压制而成，具有10°前倾角^[15]，假体表面进行TiO₂加类磷灰石复合涂层喷涂，假体孔径90-500 µm，孔隙率60%-80%，弹性模量平均值为7 MPa^[16](图1)。

实验方法：手术组动物于术前3 d开始禁食，术前给予安定0.5 mg，咪达唑仑5 mg肌注，腹腔给予硫喷妥钠50 mg诱导麻醉，静脉戊巴比妥钠术中维持麻醉。山羊取仰卧位，常规消毒铺单后，沿颈前正中线C₄水平做一横行切口，切开皮肤、浅筋膜，沿胸锁乳突肌内侧缘向外钝性分离颈动脉鞘，横行切断颈长肌，显露椎体前缘。切开C_4/5椎间隙前纵韧带，用颈椎前路撑开器撑开C_4/5椎间隙，用髓核钳彻底咬除髓核组织，刮匙刮除上下终板软骨，在上下椎体中线分别打磨出一个宽度约为6 mm，深度约为4 mm的沟槽，测量椎间隙的高度及深度，置入适合的颈人工椎间盘假体，确认假体中心位置位于椎体中央或稍前方，去除撑开器后(图2)。冲洗伤口，缝合，给予颈部石膏托固定。术后连续5 d给予头孢唑啉钠0.4 g肌注，2周后拆除石膏托。

影像学评价：分别于术前，术后即刻、术后4周、术后8周，术后12周行动物颈椎正侧位及过屈过伸位X射线片，测量手术节段椎间隙高度，手术节段活动度(手术节段椎间隙的过伸/过屈位角度之差)，椎间角度(椎间隙上下缘连线的夹角)，并计算椎间盘高度指数百分比：DHI%=术后椎间盘高度/术前椎间盘高度。

组织学评价：分别于术后4，8，12周处死2只手术组山羊和1只正常对照组山羊，行颈椎标本C_4/5节段硬组织包埋，包埋后进行切片，厚度140 µm，磨片后行苦味酸品红骨组织特殊染色和扫描电镜观察^[17]。

主要观察指标：金属橡胶角度人工颈椎间盘植入后山羊颈椎的稳定性变化。

统计学分析：采用SPSS 13.0统计软件包进行分析。数据以x(_)±s表示，组间比较采用析因分析，检验水准α=0.05。

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讨论

3.1 新型假体的特点颈椎运动的复杂性和重要性要求人工颈椎间盘更安全。虽然人们深刻理解椎间盘的机械性能，但由于椎间盘功能和结构的复杂性，设计完全模仿正常椎间盘以保持其活动、灵活耐用是不可能的，只能尽可能多的接近正常颈椎间盘设计。本实验设计和制作了钛合金金属橡胶角度人工颈椎间盘假体，在试图复制椎间盘在运动及应力分布这两方面的作用上进行了可行性研究。

金属橡胶是用特殊的工艺方法，将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序排放在冲压或碾压模具中，然后用冷冲压方法而成型的，其内部有很多孔洞，是一种均质的弹性多孔物质，既呈现类似橡胶材料优良的弹性和阻尼性能，又保持金属的优异特性^[14]。目前尚无金属橡胶应用于临床医学研究的相关报道。TC4钛合金具有优良的机械性能，良好的生物相容性和耐蚀性，在机体内能够吸附多种蛋白质构成蛋白膜，同时钛合金能明显减少MRI成像下的伪影形成，不至于影响术后对邻近节段解剖结构的评估，在骨科内植入物中有广泛的应用。本实验所设计假体创新性使用TC4金属橡胶这一新型均质弹性材料，其保持了TC4良好的生物相容性、耐腐蚀性，并且能够借助其可压缩特性来完成假体的活动。通过控制假体密度和体积的比值，降低假体的弹性模量，使其在满足椎间盘负荷能力和生理平衡能力的基础上，尽可能的接近髓核及纤维环的弹性模量，达到最佳的仿生效果和接近生理状态的力学性能。

目前已应用于临床上的PCM假体、Discover假体设计带有7°前倾角，可以维持椎间角度，Miao等^[18]随访了79例应用Discover假体行人工颈椎间盘置换的颈椎退行性疾病患者，经过30个月的随访，发现Discover假体7°的前凸角设计有利于矢状面椎体序列重建ACDF术中常用的CeSPACE^® PEEK 融合器，亦是带有一定的角度的，能够更好地维持椎间隙角度，保持颈椎序列正常，减少术后轴性症状发生。本实验根据对西北地区40岁以上人群调查结果设计的假体有10°前凸角^[15]，有利于矢状面椎体序列重建，避免脊柱后凸成角畸形，其动态性设计具有轴向顺应性及震荡吸收功能。前期计算机有限元模拟测试及体外生物力学试验均表明，10°前倾角设计椎间盘假体对维持手术节段椎间活动度和相邻椎间活动度均有重要意义。本实验中，手术节段椎间高度和椎间角度与术前无明显变化，说明角度椎间盘能够较好地维持椎间隙正常结构形态，保持正常颈椎序列。

3.2 术后活动度大量研究显示，人工椎间盘置换具有保留手术节段椎间运动、避免相邻节段椎间盘退变加速的作用^[19-22]。Gao等^[23]对107例患者147个节段CHARITE假体置换后进行10年的随访，评价指标包括目测类比评分、ODI评分和脊柱正侧位、过伸过屈位X射线片，随访结果显示，术后优良率高达90%，有95例患者能够在术后重返工作岗位，所有手术后手术节段的前屈后伸活动度约为10.3°。Shi等^[24]关于置换Bryan假体和ACCEL假体后2年的随访发现，假体置换临床效果安全有效。前期计算机有限元模拟试验及体外生物力学测试中发现，10°椎间盘假体置入组活动度与正常对照组相比无统计学差异^[13-14]。本实验中，手术山羊术后4周/8周活动度与术前一致，这与前期试验结果相一致，说明10°椎间盘假体能够维持正常的椎间活动度。术后12周活动度略有减少，可能与假体孔径过大，骨细胞长入假体过大，导致假体活动度减少有关。与术前相比，术后即刻手术节段高度较术前略有增加，其原因有以下几点：术中对手术节段上下位椎体终板进行了打磨，并使用前路撑开器，故术后手术节段间隙增高；因为颅骨会对假体产生一个轴向载荷，会使假体在体内呈压缩状态，所以植入假体时选择假体高度较测量间隙高约1 mm。术后无假体下沉，无异位发生，活动度与术前相比略有减少，但仍能够维持颈椎节段的活动度。

3.3 假体稳定性的维持人工椎间盘假体的稳定分为初始稳定和长期稳定。初始稳定性依赖于软组织的张力，假体表面的形状设计，比如锯齿状边缘和螺钉固定。假体的长期固定依赖于骨生长入假体的表面。骨细胞的长入与假体表面孔径大小及孔隙率密切相关，同时，通过表面涂层的处理(如羟基磷灰石和氧化钛)可以诱导骨细胞的长入，最终使假体与相邻椎体间达到稳固的结合。

本实验将假体上下缘设计为上下缘梯形凸起结构，其嵌入上下椎体可获得足够的轴向稳定性，同时在颈椎屈曲和后伸时也具有较强的抗张力和抗压力，在一定程度上也提供了抗旋转和侧方移位的能力。同时参照Bryan假体、PCM假体、Discover假体等主流假体的设计特点，对假体表面进行类羟基磷灰石及二氧化钛涂层处理，可诱导软骨细胞及骨细胞长入，有利于手术节段椎间运动功能的重建，对假体在体内的长期稳定性起了重要的作用。Hacker等^[25]动物实验使用了12只成年山羊，在C_3/4间隙行椎间盘切除PCM人工椎间盘植入，术后12周观察假体表面骨长入情况、组织病理学特性，结果显示假体与上下椎体结合牢固。本实验将假体的孔径控制在90-500 µm，孔隙率控制在60%-80%，利于骨细胞的长入，保证了假体与骨的长期稳定结合，避免术后假体松动的发生。手术组术后8周可见有软骨细胞贴附于假体表面；术后12周可见有假体表面有骨细胞存在并渗入假体内部，使假体获得长期稳定性。手术组术后8周活动度与正常对照组相比无明显差异。

本实验动物采用山羊，因为山羊具有颈部直立，颈椎结构与人类相似的特点。但由于山羊群居时喜欢用头相互顶撞对方，加之摄片时不断挣扎，对术后疗效的评价会造成一些干扰。本实验观察时间较短，中远期疗效尚无法评价，有待于进行近一步试验观察。

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