腰椎植入物应用于退变性腰椎滑脱：生物相容性评价

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.16.028

摘要/Abstract

摘要：

背景：脊柱内固定物被广泛用于退变性腰椎滑脱症的治疗，其目的是利于腰椎融合、重建腰椎矢状位序列、解除脊髓或神经根的压迫。
目的：综述腰椎植入物应用于退变性腰椎滑脱症的生物相容性。
方法：应用计算机检索2000年1月至2015年1月PubMed数据库和中国期刊全文数据库数据库，在标题和摘要中以“生物相容性，内植物，退变性腰椎滑脱；biocompatibility，Degenerative lumbar spondylolisthesis，Implant”为检索词进行检索。
结果与结论：目前常用的腰椎内植入物为椎弓根螺钉与椎间融合器。椎间融合器主要包括生物型椎间融合器、金属型椎间融合器、复合材料型椎间融合器及可吸收行椎间融合器。不同材料的内固定植入物具有不同的生物相容性，同时也具有不同的稳定性。随着仿生学、3D打印技术、生物力学、材料学的发展，腰椎植入物将具有更好的生物相容性、更好的骨替代能力、更好的生物力学特性。

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, 椎间融合器, 椎弓根螺钉, 退行性腰椎滑脱, 生物相容性

Abstract:

BACKGROUND: Spinal internal fixation is widely used in the treatment of lumbar spondylolisthesis, with the purpose of lumbar fusion, reconstruction of lumbar sagittal sequences, relieving spinal cord or nerve root compression.
OBJECTIVE: To review the biocompatibility of lumbar spinal implants applied in the treatment of degenerative lumbar spondylolisthesis.
METHODS: A computer-based retrieval of PubMed and CNKI was performed for relevant articles published from January 2000 to January 2015. The keywords were “biocompatibility, degenerative lumbar spondylolisthesis, implant” in English and Chinese, respectively, which appeared in the title and abstract.
RESULTS AND CONCLUSION: Lumbar spinal implants commonly used include pedicle screws and interbody fusion cages. The fusion cages are mainly classified as biological fusion cage, metal fusion cage, composite fusion cage and absorbable fusion cage. Internal fixation implants made of different materials have different biocompatibilities, but also develop different stabilities. With the development of bionics, 3D printing technology, biomechanics and materials science, lumbar spinal implants will have better biocompatibility, bone substitute capability and biomechanical properties.

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: Biocompatible Materials, Spinal Fusion, Lumbar Vertebrae

中图分类号:

R318

张志敏，霍建忠. 腰椎植入物应用于退变性腰椎滑脱：生物相容性评价[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(16): 2608-2612.

Zhang Zhi-min, Huo Jian-zhong. Lumbar spinal implants for degenerative lumbar spondylolisthesis: biocompatibility evaluation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(16): 2608-2612.

图/表（结果） 1

2.1 文献纳入流程图见图1。

2.2 退变性腰椎滑脱症的临床表现、体征及影像学表现退变性腰椎滑脱症好发于40岁以上人群，女性多见，男女比例约1∶3.5，多发生于L₄_-5、L₅-S₁节段且退变程度较轻，多Ι度^[1]；临床表现为下腰部坠痛和间歇性跛行，与腰椎管狭窄症相同，劳累后疼痛加重、休息后好转，并且出现一侧或双侧下肢放射性疼痛、肢体麻木与步态异常，一部分患者出现会阴区麻木不适、尿失禁；腰背

部偶尔会出现僵硬感，部分活动受到限制，腰部在做屈伸动作时，其下肢感到不适，腰部会有疼痛感，滑脱部位棘突间可触及台阶感，同时站高位腰椎的前凸弧度会增大，还有一些患者会出现大腿外侧或小腿外侧肌萎缩或是痛觉减退现象，其膝腱反射也会消失或是减弱^[2]；影像学表现为：过伸过屈位片及侧位片可出现椎体滑移、椎间隙变窄、关节突关节增生肥大、骨质疏松、脊柱侧弯或扭转；CT平扫可见椎体滑脱导致椎体后缘呈“双边征”^[3]，MRI可见锥体滑移及退行性改变、椎管狭窄、神经根硬模囊受压变形。正常时神经根管表现为泪滴状或圆点形，腰椎滑脱时则呈“8”字形或呈“双叶症”；脊髓造影可示脊髓完全梗阻或不完全梗阻，神经根充盈不良及“台阶”现象^[4]。

2.3 腰椎内固定植入物及生物相容性脊柱内固定植入物被广泛用于退变性腰椎滑脱症的治疗，其目的是利于腰椎融合、重建腰椎矢状位序列、解除脊髓或神经根的压迫。脊柱内固定物的优势是能够促进腰椎融合，矫正腰椎畸形，利于患者早期功能恢复。腰椎融合后邻近节段的退变及椎体骨质疏松引起了专家重视，所以治疗理念从坚强的融合内固定向动态融合内固定转变。目前常用的腰椎内植物为椎弓根螺钉与椎间融合器。椎弓根螺钉内固定系统是目前脊柱外科治疗中经常用的后路内固定物，最常用材料是钛合金系统，其优点是：可以行MR检查、耐受腐蚀性好、强度大、密度小、机械加工性能好。目前国际上椎弓根钉的形状大概分为圆柱形和圆锥形两种^[5]；椎弓根螺钉螺纹主要有以下几种：松质骨螺纹、皮质骨螺纹、内椎螺纹、外椎螺纹，代表上述4种螺纹的椎弓根钉系统包括CCD、Dick、AF及Diapason。

自椎间融合器应用于退变性腰椎疾病以来，椎间融合器的种类开始丰富，包括生物型椎间融合器、金属型椎间融合器、复合材料型椎间融合器及可吸收行椎间融合器。生物型椎间融合器一般包括自体骨、同种异体股骨环；金属型的包括BAK融合器、Ray-TFC融合器、LT融合器、TMC融合器、Axia-LIF融合器；复合型椎间融合器包括I/F融合器、PEEK融合器。经过了几十年发展，腰椎椎间融合器种类繁多、样式新颖，在临床治疗过程中，除了手术方式、植骨方式外，椎间融合器材料选择、外形选择也对患者术后临床疗效起着至关重要的作用^[24]。

医用生物材料生物相容性评价的最基本内容之一就是生物安全性评价^[23]，生物安全性评价分为广义上的和狭义上的，狭义上的安全性评价仅指生物相容性评价；而广义上的安全性评价包括临床应用、生物相容性、物理性、化学性等方面的评价。国际上目前公认的安全性评价主要是指狭义的生物相容性评价。评价生物医用材料生物相容性理想的标准是：医用生物材料在与人体作用的过程中，必须对人体没有毒性、没有刺激性、没有致敏性、没有致癌性，并且对人体各系统无不良反应。临床应用医用生物金属材料作为承力植入物，是因为其具有较高的机械强度、韧性、抗弯曲疲劳强度及良很好的加工性能。

关于椎弓根螺钉的生物相容性：不同材料椎弓根螺钉的生物相容性不同，不锈钢材料椎弓根螺钉的刚度大，生物相容性及生物弹性模量与人体间存在巨大的差距；钛材料椎弓根螺钉生物相容性、生物弹性模量与人体比较接近，相反其刚度没有不锈钢材料的刚度大。关于椎间融合器的生物相容性：无论是哪种材料的椎间融合器，在应用过程中都必须满足下列要求^[22]：①植入的材料必须具备良好的生物相容性、生物弹性模量及良好的骨传导性。②不会发生移位，置入后的稳定性有保障，同时促进植骨融合。不同材质的椎弓根螺钉对人体有着不同程度的生物相容性，同时不同材质椎弓根螺钉的稳定性也不同，研究表明与钢材质的螺钉相比，钛合金材质的椎弓根螺钉具有更好的钉-骨界面，可减少螺钉扭转，增加螺钉固定能力。

2.4 退变性腰椎滑脱症手术治疗方式退变性腰椎滑脱症实施手术治疗的目的：通过椎弓根钉、椎间融合器等增强脊柱矢状位稳定性，重建脊柱序列，解除神经压迫。被广大骨科医师认可的手术适应证包括：腰椎滑脱不稳，矢状位不稳，存在继续滑脱的可能，即便临床症状较轻；表现出直肠、膀胱症状即马尾综合征；持续性间歇性跛行、腰腿痛，并且非手术治疗未见好转。术前应对患者年龄、滑脱程度、椎间盘及椎管形态做出综合评价。

2.4.1 神经减压神经减压大概包括节段性单纯开窗、半椎板切除减压、全椎板减压。大多数学者认为在不影响减压效果的前提下，应尽可能多的保留关节突关节及后柱软组织。

2.4.2 脊柱融合通过椎间融合器植骨融合可以防止腰椎滑脱加重。腰椎融合的主要目的是去除腰椎不稳定因素，从而缓解腰背痛。但脊柱融合改变了正常的生物力学环境，使相应节段运动功能丧失，容易导致再滑脱、小关节突退变、继发椎管狭窄。可依据融合方式和植骨部位不同将其分为极外侧入路腰椎椎间融合XLIF、轴向腰椎椎间融合AxiaLIF、椎体环周360°融合、后外侧融合、原位融合、椎体间融合；按手术入路不同椎体间融合又分为经椎间孔椎体间融合、后路椎体间融合、前路椎体间融合等。笔者认为治疗退变性腰椎滑脱症的关键是进行后路充分的神经减压、松解和充分融合。

椎体间融合：后路椎体间融合通过一种入路对病变节段进行神经减压、滑脱椎体间的复位、椎体间内固定、植骨融合，此种融合与前路手术相比有效避免了对血管、生殖系统损伤，但同时它会引起另外一些并发症，例如植入骨粒发生移位、神经根与硬模囊损伤、脑脊液漏等；前路椎体间融合的适应证主要是：程度比较轻的退变性腰椎滑脱、通过后路广泛的椎板减压难以再次行后路手术者。前路手术的优点是：术后腰椎假关节的发生率低、并发症少、术后腰部疼痛发生率低、术中出血相对少、切口处暴露时间短；缺点是：容易出现生殖系统并发症，例如逆向射精及腹膜后大血管损伤。经椎间孔椎体间融合是在后路行单侧小关节切除，显露出椎间隙进行处理。其优点是：完全切除一侧小关节，术中对神经根牵拉比较小，显著降低了对神经根、硬膜囊的损伤率^[6]；而且该术式对脊柱的稳定性影响小，因为保留了对侧椎弓及关节突。经椎间孔椎体间融合比后路椎体间融合并发症的发生率更低，目前已被大多数学者所认可^[7]。虽然文献报道后路椎体间融合与经椎间孔椎体间融合手术均是治疗单节段退行性腰椎病变的有效方法，短期内对邻近节段稳定性干扰小^[8]，但经椎间孔椎体间融合创伤小、出血少、并发症发生率低，值得推广。然而目前尚缺乏大样本的对照试验来证实，且临床融合术式的选择一般遵循医患个体化原则。

原位融合：原位融合是在椎弓根内固定器械发明前流行的治疗腰椎滑脱方法，即在滑脱椎体间进行直接植骨融合，不对滑脱椎体进行复位，也不刻意暴露椎间隙，该术式假关节发生率高，可能遗漏神经根受压和椎间盘病变。Poussa等^[11]发现与复位融合相比，原位融合对重度滑脱患者而言是一种较好的手术方案。

后外侧融合：后外侧融合是指后路行关节突外侧、横突间的植骨融合。其优点是：操作较其他融合术简单；手术时间比较短；出血量少、风险小、损伤低；学习曲线不长。其缺点是：对前柱和中柱的支持不够，节段稳定性欠佳；植骨粒容易吸收、不融合率高。

椎体环周360°融合：椎体环周360°融合包括椎体后侧或后外侧植骨融合和后路椎体间融合。其缺点是手术时间长、失血量多、住院时间长、费用较高，并有前后路手术并发症的风险。Helenius等^[9]通过对重度滑脱儿童或青少年分别行后外侧、前侧和环周植骨融合，经过统计学检验和长期随访，发现环周植骨融合疗效要优于前两者，是种较好的治疗方法。Hakalo等^[10]建议在传统方法处理退变性腰椎疾病失败后采用椎体环周360°融合。一般主张融合术式的选择应遵循医患个体化原则。在进行椎体环周360°融合时，建议联合复位内固定一同进行。

轴向腰椎椎间融合：轴向腰椎椎间融合是指：经皮从骶骨前直肠后间隙到达骶部对L₅/S₁进行椎体间融合，可实现该阶段牢固固定^[12]。其优点是：不损伤椎间盘纤维环、后纵韧带，尽量保留原有正常结构，力学上稳定；不剥离椎旁肌、创伤小。缺点是：伴有椎间盘突出时不能同时处理，有损伤直肠、骶前血管神经的可能。可能的并发症：直肠损伤、神经损伤，骶前血肿。

极外侧入路腰椎椎间融合：Ozgur等2006年报道了一种与以往腰椎前后入路截然不同的入路术式，命名为极外侧入路腰椎椎间融合，也有学者将其称为直接外侧入路腰椎椎体间融合^[13]，经过小切口从外侧穿过腹膜后间隙和腰大肌到达腰椎间隙、行椎间盘摘除、融合的术式，其优点是：腰椎的稳定得到极大恢复；不通过腹膜腔，避免分离大血管和神经丛。

2.4.3 腰椎滑脱复位目前存在争议的是对退变性腰椎滑脱是否进行复位。有学者认为：对重度腰椎滑脱及明显的矢状位不稳才行复位^[14]，国内有学者认为应用内固定系统帮助复位，并且增强早期脊柱的稳定性，提高植骨融合率才是临床治疗的首选。近年来，随着内固定器械的不断改进，复位本身并不需要增加太多的手术步骤，大多可在安装连接棒的过程中自动完成，并不会明显增加手术时间及出血量，而且退变性滑脱大多为Ⅰ度，复位相对比较容易，因此主张应尽量对滑脱进行复位，但复位不是目的而仅是手段，对于技术条件不成熟或骨质疏松的病例不强求复位，如未复位，为了减轻滑脱节段椎弓根螺钉的应力，常需将固定节段延至滑脱头侧的一个节段，而对于已复位者可仅融合固定滑脱及其尾侧邻椎共两个节段，这也是滑脱复位的优点之一。

2.4.4 脊柱内固定对退变性腰椎滑脱患者进行内固定的目的在于：恢复腰椎生理曲度、保持腰椎矢状面的平衡和稳定、促进植骨的融合、加强腰椎稳定性及畸形的矫正。

国内有学者报道目前内固定方式可大致分为^[21]： ①坚强融合内固定：用高弹性模量材料制成的内固定系统联合各种脊柱融合的内固定，其内植物与椎体间是刚性连接。早期研究显示坚强融合内固定系统具有较高的融合率，但越来越多的证据表明它会引起腰部活动受限、脊柱动力学改变及邻近节段加速退变等并发症。②动态融合内固定：动态融合内固定系统一般用较低弹性模量的金属或高分子材料制成，旨在利用弹性材料分散坚强内固定的负荷传导，减少应力遮挡效应及邻近节段的应力集中；动态融合内固定系统融合率相对较低，并发症及返修率较高。③动态稳定系统：其目的是改变脊柱运动节段承载负荷的传递方式，控制节段间的异常活动。Maleci等^[15]认为非刚性的非融合固定系统对退行性腰椎滑脱患者而言，手术并发症低、临床疗效好，但长期疗效尚需证实。目前用于治疗腰椎滑脱症的动力稳定系统有Graf韧带系统、Dynesys系统、Isolock系统等。内固定使用的原则：尽量实用短节段固定，一般仅需固定滑脱节段及尾侧相邻一个节段即可；内固定的使用是为了提高融合率，也即先有融合再有内固定，融合是目的，内固定是手段，切忌本末倒置。

2.4.5 新技术、新内植物的应用近些年脊柱微创外科得到了前所未有的发展，得益于手术技术和手术器械的快速发展，只要掌握了严格的手术适应证，脊柱微创手术甚至超越了传统手术的效果，并且大幅度降低了手术引起的一些列并发症^[16]。这其中最具代表性的手术方式包括：内窥镜下的后路腰椎滑脱、经皮腰椎椎体间的融合、腹腔镜下的前路腰椎滑脱。其优点是：术后患者恢复时间短，下地时间短；术中失血少、切口小、局部的疼痛轻；明显缩短了住院时间，提高了效率。其缺点是：手术时间相对较长；手术责任间隙的暴露比较复杂；学习曲线比较长，对手术医生要求高；术中X射线透视透视次数多等^[17]。Wu等^[18]进行的一项关于开放与微创经椎间孔椎体间融合的定量汇总分析显示，两种手术的植骨融合率均在90%以上，但微创组的并发症发生率较低，而且微创手术时间更长，需要术者更加精细的操作以减少并发症的发生。在比较微创经椎间孔椎体间融合与开放入路经椎间孔椎体间融合时，许多学者也得到类似的结论^[19]。Wang等^[20]发现对于肥胖患者，微创经椎间孔椎体间融合总体手术并发症少于开放入路经椎间孔椎体间融合。

近年来关于应用骨形态发生蛋白提高融合率及疗效的报道越来越多。1965年，美国学者Urist首次报道成功应用牛脱钙骨基质植入肌肉内诱导间充质细胞分化成新的软骨和骨，并预言在脱钙骨基质中含有一种特殊蛋白质-骨形态发生蛋白。经过20年的研究和探索，Urist 于1982年首先从牛骨中成功提纯出骨形态发生蛋白，并制定了一整套骨形态发生蛋白的提取方法，从而在理论上证实了骨形成的诱导学说。骨形态发生蛋白能诱导间充质细胞分化为骨、软骨、韧带、肌腱等组织，因此在退行性腰椎滑脱的治疗中使用骨形态发生蛋白能获得较高的融合率，减小使用内固定的并发症。由于应用于临床时间较短，缺乏长期的疗效观察，因此还需进一步临床研究。

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