腰椎L4/5棘突间椎间融合器的生物力学特性及生物相容性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.38.008

摘要/Abstract

摘要：

背景：腰椎管狭窄引起腰椎两侧神经根痛等不适症状甚至致残，严重影响人们的生活质量，针对这种疾病临床上主要采用椎间融合治疗。有研究表明棘突融合器易出现骨裂及植入器脱落等现象，所以实验从腰椎L4/5棘突研究椎间融合器的生物力学特性和生物相容性。
目的：分析研究腰椎L4/5棘突间植入椎间融合器的稳定性，以及对相邻节段的生物力学特性和生物相容性。
方法：选择10组新鲜的成人冰冻脊柱标本，将10个标本分为2组，分别为正常标本组和模拟腰椎棘突间植入物组，每组5例。对标本进行编号并放置固定在特殊的夹具中，使用由郑州凯斯特医疗器械有限公司生产的腰椎融合器，选择棘突间弹性内植入，由Ti6AL-4V ELI钛合金构成的cage固定器固定。
结果与结论：人工椎体不同植入位置在中心压缩、前屈、后伸、侧屈4种状态下的应变变化均小于正常组标本(P < 0.05)。两组标本在最大载荷500 N下椎体的位移数据中，与正常标本组比较，模拟腰椎棘突间植入物组线性位移和角位移在前屈、后伸、左侧屈、左旋转时均减小(P < 0.05)。结果表明，腰椎棘突间融合器能够保留伤椎的大部分活动度，维持节段稳定性，降低椎间盘应力。

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

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 腰椎, 融合器, 椎间稳定性, 生物力学, 生物相容性

Abstract:

BACKGROUND: Lumbar spinal stenosis can result in lumbar nerve root pain and other symptoms or even disability, which seriously impacts people’s quality of life. Interbody fusion is the main clinical treatment. Studies have shown that an interspinous fusion cage is prone to have hairline fractures and loss of implant; therefore, biomechanical properties and biocompatibility of the interbody fusion cage at L4/5 need to be studied.
OBJECTIVE: To analyze the stability of the interspinous fusion cage at L4/5, and to explore the biomechanical properties and biocompatibility of adjacent segments.
METHODS: Ten adult fresh frozen spine specimens were selected and divided into normal group and model group, with five specimens in each group. The specimens were numbered and placed in a special fixture. The interspinous fusion cage, made in Zhengzhou Cast Medical Instrument Co., Ltd., China, was implanted in vivo and fixed using a cage fixator made of Ti6AL-4V ELI.
RESULTS AND CONCLUSION: Artificial vertebral bodies had less strain changes than the normal vertebrae in different implantation positions in terms of central compression, anteflexion, rear protraction, lateroflexion (P < 0.05). During vertebral displacement under the maximum load of 500 N, the linear displacement and angular displacement in anteflexion, rear protraction, left lateral flexion, levorotation were decreased significantly in the model group than the normal group (P < 0.05). These findings indicate that the interspinous fusion cage can maximally preserve the range of motion of the injured vertebral body, maintain the stability of the segment, and reduce the stress of the intervertebral disc.

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中图分类号:

R318

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图/表（结果） 2

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引言

腰椎退行性变主要发生在老年人群体中^[1-5]，它的主要症状有腰椎间盘纤维环的退变、椎间盘髓核的退变、软骨终板的退变、腰椎体的退行性变、腰椎小关节的退行性变、黄韧带的退行性变、其他韧带的退变、骨赘形成(或者称为骨质增生、骨刺)以及椎管的退行性变(退行性椎管狭窄)等9种常见的症状^[6-9]。

椎间盘组织承受人体躯干及上肢的质量，在日常生活和劳动中劳损较其他组织为重。腰椎间盘经有少量血液供应，营养极为有限，从而极易退变^[10-13]。研究证明，随着年龄的增长，椎间盘纤维环出现网状变性和玻璃样变，失去原来的层次和韧性，产生不同裂痕，继而完全破裂^[14]。而椎间盘髓核是富含水分、有小分子弹性黏糖蛋白的组织，内含软骨细胞和纤维母细胞，幼年时含水量可达80%以上，随年龄的增长而下降，老年时可达70%，椎间盘含水量的多少决定了其内在压力水平和弹性状态^[15-20]。髓核的退变多在骨关节和纤维环退变的基础上发生的。在腰椎负荷量加大的时候，椎间隙压力增高而椎间盘变性加速，纤维环的裂隙加深，变性的髓核沿着裂隙而突向边缘，这形成了腰椎间盘突出^[21-23]。

针对腰椎退行性变临床上现在主要是椎间融合器。椎间融合器也逐渐代替传统的椎体间自体结构植骨而广泛应用于腰椎后路椎间融合治疗，应用最早用于腰椎的椎间融合器为20世纪80年代开始应用于临床的TFC(threaded fusion cage)及BAK，其构造呈中空周壁多孔的螺纹状的圆柱体，为钛合金制成，依靠其撑开-牵张效应形成椎体间的界面固定^[26]。

因此，探究腰椎L_4/5棘突间椎间融合器的生物力学特征以及生物相容性，采取相应的措施进行预防就显得尤为重要。实验选择10组新鲜的成人冰冻脊柱标本进行分析研究，探究其生物力学特性和生物相容性，为临床提供更合理的依据。

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

材料方法

1.1 设计材料学实验。

1.2 时间及地点于2013年6月至2015年6月在青岛市城阳人民医院脊柱关节外科完成。

1.3 材料选择10组新鲜的成人冰冻脊柱标本，剔除标本的软组织，截取其中的L_4/5部分，制成单独的腰椎功能节段，对标本进行编号并放置固定在特殊的夹具中，使用腰椎融合器，选择棘突间弹性内植入。

纳入标准：①标本均为成人男性尸体腰椎标本。②经X射线检查排除腰椎疾病及明显退行性改变。③标本骨密度处于正常范围。

排除标准：①标本先天畸形。②标本患有其他骨科疾病及创伤。

椎间融合器：由郑州凯斯特医疗器械有限公司生产，包括2枚融合植入器，7枚刮刀，7枚铰刀，1枚cage固定器，1枚移植植入器。该椎间融合器方便植入椎问隙，促进椎骨的生长，有助于椎体问融合，提高生活质量。正常人腰椎力分布见图1。直形状和前凸形状使椎间融合器能承受巨大的压缩力，在植入物和椎体之间保持高度机械稳定性，由Ti6AL-4V ELI钛合金构成。融合器特点：①抗脱出齿状—防止脱出，增强稳定性。②大开式设计—促进移植物更好的移植融合，使椎体端面和植入接触面达到最大化。③防损伤圆弧形状—易于植入椎体。④前凸角—较好的修正径向平衡。⑤尺寸多样—多种尺寸从8 mm到14 mm。

腰椎L_4/5棘突间植入椎间融合器的主要仪器：
仪器	来源
电阻应变仪	南京聚航科技有限公司
电子扭转试验仪	深圳三思纵横科技股份有限公司
万能力学试验机	扬州华辉检测仪器有限公司

1.4 方法

1.4.1 分组对10个标本进行伸屈、侧屈、旋转运动的测量，并测定各个标本的力学性质。将10个标本分为2组，每组5例，分别为正常标本组(正常组)和腰椎棘突间植入物组(模拟组)，对标本进行处理，接连到电阻应变仪中，所有测试的标本将其结构、载荷、性质上尽量保持一致，作统一模式处理，保持其力学模型均相的一致性，同时也保持实验的精确性。由于实验研究的是腰椎L_4/5节段，其伸屈、侧屈、旋转运动的生物力学实验参照数据见表1，图2。

1.4.2 负荷级别、加载方式和速度腰椎载荷以体质量作用于腰椎上的质量计算，生物载荷为500 N，分级加载在标本腰椎上，精确测量腰椎上的力，将加载速度设定为 1.4 mm/min，使之在静态形式加载平稳均匀。

1.4.3 干预方法将标本固定置于灵敏度为1 000 me/V的应变仪上，上端接有加载板、压力传感器，将下端固定于试验台上，通过改变力矩的大小进行标本的前屈、后伸、侧屈测试，正常脊柱的左右结构与功能视为对称；其中，左侧屈作为侧屈测试的结果，每次加载按照100，200，300，400，500 N进行逐级加载，加载稳定30 s后记录结果，获得应变曲线.在最大载荷500 N时测得线性位移。使用相同方法在电子扭转试验机上进行加载左侧旋转力矩测试，测得角位移。

1.4.4 模拟体内实验将标本置入体内模拟环境，观察置入前、植入后30，60，90 d标本腰椎融合器上下位椎体的变化，见图3。通过X射线观察腰椎融合器与上下椎体的融合情况及上下椎体的椎间隙。

1.5 主要观察指标 ①椎体在最大载荷500 N时前屈、后伸、左侧屈、右旋转时的线性位移和角位移。②椎体在中心压缩、前屈、后伸、侧屈4种状态下对不同压力的载荷

应变关系。③腰椎融合器上下位椎体间距。

1.6 统计学分析研究数据均采用统计学软件SPSS 20.0进行分析和处理，计量资料以x(_)±s示，计量资料采用t检验检测，P < 0.05表示差异有显著性意义。

讨论

实验以L_4/5为手术节段，是因为临床上退变性腰椎管狭窄症以L_4/5的发病率最高，生物力学加载方式分为位移控制和载荷控制。有研究分析了相关文献认为控制载荷的加载方法是较为理想的手段^[27-36]。实验采用万能力学试验机作为生物力学的测试仪器，虽然该设备能够测试脊柱在设定状态下二维空间里面的强度及应变，但却不能展示内植物复合体的三维运动状态，这是实验需要进一步改进的地方。

在以往的实验中发现L_4/5腰椎的活动范围在伸屈、侧屈、旋转方向上的平均值分别是17°，6°，2°，虽然实验的活动范围在前屈、后伸略低于实验数值，但其活动范围落在文献测量的误差范围内，说明模拟组的模型是有效的，所以据此分析腰椎L_4/5棘突的生物力学和生物相容性是可靠的。实验的正常组和模拟组分为两组标本，从根本上解决了连续运用一个标本产生的标本疲劳误差，减少了随机误差。正常组和模拟组在活动范围通过不同运动运动状态的比较，发现模拟组无论是前屈、后伸、左旋转、左侧屈均低于正常组，腰椎融合器的植入会影响前屈后伸的运动程度，减少该椎间盘的应力，但提高其稳定性。腰椎融合器的植入虽然影响前屈后伸的活动度，但对旋转和中心压缩无影响，表明腰椎棘突间融合器能够保留伤椎的大部分活动度，维持节段稳定性，降低椎间盘应力。实验模拟体内环境，通过X射线观察置入30，60，90 d腰椎融合器上下位椎体间距情况，椎间融合器L_4/5生物相容性良好，在置入后60 d时与融合器相邻的终板位置有成骨现象，并于术后90 d终板部位有较多高密度骨形成。椎间融合器是利用先撑开后压缩的原理设计而成，通过椎间隙的作用力和反作用力而抗扭曲旋转，后通过界面、植入骨以及受体骨结合而成骨。

棘突间植入物能够限制病变节段脊柱的后伸活动以消除症状，恢复退变的脊柱承受的负荷，减缓脊柱的退变进程，保证脊柱的正常活动，目前有多种棘突间稳定装置用于临床上，大部分需要术前切除棘间韧带和棘上韧带，或者需要对棘突进行修饰，这也是模拟组的前屈后伸活动度减少的原因，毕竟前屈后伸活动对腰椎结构起拉伸作用的是棘间韧带、棘上韧带、黄韧带等，而不是骨性结构，在手术的过程中尽量避免韧带的破坏有利于棘突植入腰椎融合器的稳定性。随着腰椎生物力学的研究的继续进行，腰椎融合器的固定装置会随着研究不断地改进并逐步完善。通过不同的腰椎棘突间植入融合器的特点以及适应证的不同，选择更为合适的椎间融合器的个体治疗方案，使融合器植入后更加符合生理的应力分布情况。同时也需要解决临床上正在遇见的问题，比如限制节段运动范围的程度如何，需要分担的异常载荷多少等。

因此，通过腰椎L_4/5棘突间椎间融合器的生物力学的研究，腰椎融合器能够大部分保留腰椎的活动度，保持节段的稳定性，降低腰间盘应力。在实验的体内模拟实验中，置入植入物60 d已有成骨现象，其生物相容性良好。但随着棘突与植入物承受力的增加，实验未进一步关注其失效情况，而且实验的样本量略小，对实验数据仍有影响，在以后的研究中增大样本数量。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