椎间盘是腰椎主要的约束与缓冲装置，是运动性和稳定性的结合体，既允许一定范围和程度的运动，又是脊柱功能单位的稳定装置。基于腰椎的解剖结构和生物力学特征，腰椎人工椎间盘置换假体的设计目标包括：术后患者疼痛得到有效缓和控制，重建椎间隙高度以保护神经组织，恢复脊柱运动以避免邻近节段的病变，以上条件都满足的情况下，还应考虑假体最大程度上接近正常生理椎间盘的形状和运动功能[14-15] 。以下分别从人工腰椎间盘的结构设计(运动保留设计、限制设计、即刻固定设计)和材料设计(基体材料、负重面材料、生物涂层材料)两方面介绍其研究进展以及实验验证情况[16] 。 2.1  人工腰椎间盘结构设计  随着对脊柱生物力学机制认识的不断加深和材料学的发展，同时受人工全髋、全膝关节置换术代替原来的关节融合术治疗髋、膝关节疼痛取得良好疗效的启发，人们尝试着采用保留或重建脊椎关节功能的脊椎关节成形用以最大限度地保存、恢复椎间盘功能，设计出人工椎间盘假体，认为人工椎间盘假体是符合椎间盘生理结构、重建椎间盘功能、代替脊柱融合术治疗椎间盘退变性疾病所致腰痛的有效方法之一[17-18] 。用合适材料制成、设计合理的人工椎间盘假体在去除引起下腰痛的椎间盘的同时，保留了手术节段生理范围内的运动和载荷功能，保持脊柱的稳定性和活动性，避免了邻近节段应力过度增加所致的椎间盘加速退变[19] 。 2.1.1  运动保留设计 滑动髓核：采用该结构的假体有Charité和Mobidisc。Charité假体由超高分子量聚乙烯制成一个有双凸面、可滑动的内核，安放在两个钴铬钼合金盖板间。Mobidisc假体的髓核只有上表面呈凸面，并在水平面上对髓核的移动(2.5 mm)和旋转(7°)提供限制。 球窝关节：市场上大部分人工腰椎间盘假体都采用这种设计。如ProDisc假体中超高分子量聚乙烯制成的核心固定于下终板，上表面呈凸面，与上终板的凹面形成球窝关节。Maverick和FlexiCore假体在上、下两个钴铬钼合金之间也采用这种球窝关节设计。 封闭髓核：AcroFlex假体在两个钛合金终板之间插入了聚烯烃橡胶核心，并采用硫化法使终板和核心扣紧，形成了封闭髓核结构。 这3种运动保留设计在假体的旋转中心设计上有很大不同。具有滑动髓核的假体旋转中心在屈伸运动和侧弯运动时是不断改变的，以模仿正常椎间盘的旋转中心。具有球窝关节的假体有固定的旋转中心，迫使其以预定的方式进行运动。具有封闭髓核的假体在生物力学性能上最接近正常椎间盘，具有重建正常旋转中心轨迹和耦合运动的可能。早期的椎间盘产品仅仅以机械力学的方法对椎间盘在6个自由度上模拟运动方式，而这种具有封闭髓核的假体标志着椎间盘假体高度仿生时代的来临，是未来的主要发展方向[20-21] 。遗憾的是，该设计最具有代表性的AcroFlex假体因临床实验和体外实验结果不一致而停止使用，其植入人体后的旋转中心轨迹还有待进一步研究与改进。 2.1.2  运动限制设计  本文采用2003年Huang等[22]提出的方法对现有假体的限制性设计进行分类，具体如下：无法独立完成平移运动(即平移时必定伴随旋转)的假体称为“限制型假体”，反之，可以独立完成平移的假体称为“非限制型假体”。对不同类型的假体，进一步分析对各种运动，如屈伸、左右侧弯、左右轴向旋转、压缩,的限制程度又有不同，如提供小于正常椎间盘范围的运动，为“完全限制”；提供接近正常椎间盘范围的运动，为“部分限制”；提供超过正常椎间盘范围的运动，为“无限制”。下面讨论常用的运动限制设计模式： 限制型假体：AcroFlex、ProDisc、Maverick和FlexiCore假体都是限制型假体。AcroFlex假体对各种运动情况，包括压缩、平移运动均为部分限制的，因此最接近正常椎间盘生物力学特性。ProDisc、Maverick和FlexiCore假体对屈伸、侧弯运动是部分限制的，对压缩和平移运动是完全限制的。ProDisc和Maverick假体对旋转运动是无限制的，而FlexiCore假体由于球内安装了一条槽，用于阻断旋转，因此对旋转是部分限制的。 非限制型假体：Charité和MobiDisc假体是非限制型假体。它们对屈伸、侧弯运动是部分限制的，对旋转运动是无限制的，对平移运动是部分限制的。虽然这种非限制型假体对压缩运动是完全限制的，却通过滑动核模仿了正常椎间盘在屈曲时伴前部压缩、伸展时伴后部压缩的特点，以此进一步减少滑动核的磨损。 限制型和非限制型假体哪种更有利于重建脊柱的生物力学功能，现仍在争论中，主要考虑以下两种情况： 对相邻节段和关节突关节的影响：受剪切力时，非限制型假体允许平移运动，关节突关节提供对平移运动的限制；在屈伸和侧弯运动时，限制型假体的球窝关节产生“伪平移”，关节突关节提供限制作用，因此这两种假体都在某一运动情况下容易增加小关节载荷，引起退化[23] 。在一项分别植入Charité和ProDisc假体的临床实验中，两组小关节退变情况相近(36.4%，32%)，然而ProDisc假体置换组出现相邻节段椎间盘退变(28.6%)高于Charité置换组(19.4%)[24]。有学者认为由于非限制型假体在脊柱运动时提供较大的活动度，减少了相邻节段的活动，起到了保护相邻节段的作用。总而言之，要比较两种限制型设计的假体对相邻节段和小关节的保护作用哪个更优秀，还需更多科学严谨的生物力学和临床实验研究。 对假体植入位置精确性的要求：限制型假体需要在植入时保证植入位置的准确，否则假体不能在设计的旋转中心轨道上运动，这种偏差将会引起骨与假体接合处的移动，也会使得运动节段和邻近节段应力改变[25] 。非限制型假体由于旋转中心是可变的，对植入位置要求较低，因此由植入位置偏差引起的术后安全隐患相对较小。刘艳成等[26]探讨SB Charité人工腰椎间盘放置位置对椎间活动度的影响及应对措施，30例患者(共32个椎间盘)经椎间盘造影证实为椎间盘源性腰痛、行腰椎人工椎间盘置换，28例获得随访24-60个月，平均38个月，所有假体终板与椎体终板嵌合紧密，均未发生假体断裂、塌陷或移位，假体周围无明显异位骨化，结果说明SB Charité TDR治疗椎间盘源性腰痛的中期疗效满意，假体位置对椎间活动度有一定影响，有效的临床对策可减少假体位置偏差。 虽然现在无法证实哪种运动限制设计会带来更好的疗效，但依据体外力学实验结果可以初步推断两种假体适用于不同的并发症和手术节段，如限制型假体可用于承受较多剪切力的椎间隙，适合L5/S1椎间隙置换。另外，在后方小关节已经有退变征兆时也应该选择限制型假体，毕竟限制“伪平移”对小关节的负荷相对较小，在其他环境下就可以选择较灵活的非限制型假体[27-28] 。 2.1.3  即刻固定设计  人工腰椎间盘假体为腰椎活动单元提供一定活动性的同时，也需要考虑这种活动性带来的假体松动、下陷等问题。为保证植入人体初期假体的安全，常在假体与椎骨的接触表面设计即刻固定装置。现有腰椎人工椎间盘置换假体上采用的即刻固定装置多种多样，如Charité、FlexiCore假体在上下终板配备小齿；ProDisc假体上下终板各有一个锯齿状的中心脊棱，并在部件前缘配有刺突；Maverick假体在上下终板中心配备高7 mm的棘。其他获专利的即刻固定装置包括长钉、钩、斜坡、螺钉等。ProDisc与Maverick假体在进行植入手术时都需要在椎体上开槽，容纳即刻固定装置并引导椎间盘植入，这种即刻固定方式最为牢固，但是对终板的侵害也最大。相比之下，由于小齿联合生物涂层材料的设计组合可以在早期固定和长期稳定性方面表现很好，受到越来越多的青睐。 2.2  假体材料设计  材料的发展在很大程度上制约着人工腰椎间盘的研究与开发。腰椎人工椎间盘置换假体的材料应具有良好的生物相容性、无毒性、无致癌性；由于腰椎疾病患者的年轻化明显，材料尚须耐磨、耐腐蚀，具有良好的抗疲劳强度；材料的弹性模量应尽量与骨组织相近，避免发生“应力遮挡”效应[29-30] 。以下分别介绍腰椎间盘假体的基体材料(金属、聚合物)、负重面材料(金属-金属、金属-聚合物)以及生物涂层材料的应用情况。 2.2.1  基体材料 金属：常用的金属材料有不锈钢、钛合金、钴铬钼合金。人类历史上首例椎间盘假体就是采用不锈钢材料，1966年Fernstrom以直径为10-16 mm的不锈钢球替代椎间盘，术后只有12%患者椎间隙高度得以维持，其他由于不锈钢球陷入椎体而宣告失败。钴铬钼合金的抗腐蚀性、生物相容性和机械性能均优于不锈钢，在机械学特性和生物相容性之间获得了较好的平衡，因此成为人工腰椎间盘的理想材料。现有的人工腰椎间盘大部分都采用钴铬钼合金，如Charité、ProDisc、Maverick、FlexiCore等。钛合金具有磁共振成像相容及完美的生物相容性，弹性模量也较低，正越来越多的应用于骨科植入器械中。现有的人工腰椎间盘假体只有AcroFlex使用钛合金终板，钛制人工腰椎间盘假体的临床经验仍很有限[31] 。 聚合物：常用的聚合物材料有聚乙烯、聚氨酯、聚烯烃。超高分子质量聚乙烯是指相对分子质量在150万以上的聚乙烯，极高的分子质量赋予其优异的使用性能，而且价格适中，具有良好的耐磨损、耐冲击、自润滑、耐腐蚀、吸收冲击等综合性能，是制作人工椎间盘的主要材料，如Charité、ProDisc、Mobidisc等[32] 。聚氨酯具有较好的抗震能力，能够重建原始椎间盘的物理缓冲性能，但耐磨性较差。Bryan颈椎间盘假体应用聚氨酯髓核，证明该材料可以承担颈椎区域的机械负荷强度，但是还没有该材料应用于人工腰椎间盘假体的报道。AcroFlex假体应用聚烯烃橡胶核心，这种弹性材料具有缓冲作用，能够较好地模仿椎间盘的生物力学性能，但是由于该材料存在潜在致癌作用而停止使用。 金属材料具有高强度、高延展性、易成形、抗疲劳、耐腐蚀以及良好的生物相容性等特点，是制作人工关节的理想材料。然而钴铬钼合金与不锈钢的弹性模量，都远远高于皮质骨的弹性模量，存在假体沉陷的危险。为了解决这一问题，有些假体(如Charité III)将终板升级为更加宽大平坦的样式，以弥补钴铬钼合金在弹性模量上的不足，在临床上已证明该方法可有效降低假体沉陷的发生率。钛合金的弹性模量小于钴铬钼合金，而且具有磁共振相容性，是理想的骨科植入材料。然而其不耐磨、易氧化和硬度的缺陷限制了其应用，因此对钛合金的改进是近些年的研究热点。临床上应用较多的是Ti-6Al-4V，通过进行氮离子和氧离子两步注入表面改性，可以明显改善硬度和耐腐蚀性[33] ，然而由于V和Al有一定毒性，尚有学者对Ti-6Al-4V应用于人体持保留态度[34] 。β型医用钛合金除具有较好的机械学性能和生物相容性能外，还具有更接近皮质骨的弹性模量，具有广阔的应用前景[35] 。中国自主研发的第3代β型医用钛合金Ti-24Nb-4Zr- 8Sn已经应用于人工腰椎间盘假体，经初步证实符合人体生物力学特性[36]，尚需进一步的体外力学研究。 聚合物材料拥有远低于金属材料的弹性模量，并且随着高分子材料等加工工艺的不断完善，如超高分子量聚乙烯的发展，耐磨损性能上得到了很大改善，在人工腰椎间盘中的应用越来越广泛。但是聚合物材料抗疲劳性普遍较差，易产生磨损颗粒，容易引起脊柱人工关节置换后“颗粒病”，所以改善其抗疲劳性一直是研究的重点问题。葛磊等[37]采用有限元法进行正压下假体力学分析；采用不同材料设置，对部分结构进行以优化为目标的力学分析，实验在相关力学分析的基础上探讨了针对现有人工椎间盘假体进行结构及材料优化设计的可能性和有效方法，提示当盖板采用较小弹性模量的材料时，应同时对现有上盖板的局部结构设计作相应改进，以防范长期使用中可能出现的盖板过度变形或疲劳断裂问题。 总而言之，现在人工腰椎间盘假体应用的基体材料种类较少，其机械特性和弹性模量是影响性能的最主要因素，现在主要的发展趋势是在以上几种常用材料的基础上采用物理、化学改性方法进一步改善材料性能，以接近正常椎间盘的生物力学性能。 2.2.2  负重面材料  人工腰椎间盘的负重面是影响植入物寿命的重要因素，理想的负重面必须允许低摩擦运动，产生的磨损颗粒有限，而且磨损颗粒对机体的影响必须较小。由于患腰椎疾病患者的年轻化趋势，人工椎间盘假体必须能够维持功能达40年以上。根据负重面的材料选择，可以分为金属-聚合物负重面，金属-金属负重面。 金属-聚合物：钴铬钼合金-超高分子量聚乙烯是人工腰椎间盘中最常用的负重面，常见的如Charité、ProDisc等均采用这种负重面设计。金属盖板外表面容易获得坚强的即刻固定和表面喷涂技术，超高分子量聚乙烯作为核心则可以提供椎间盘所需的活动性和抗载荷能力。然而超高分子量聚乙烯由于抗疲劳性较差，在人工关节的翻修手术中，产生颗粒数目最多，加上其磨损颗粒诱导巨噬细胞产生炎症因子的能力较强，具有一定的生物毒性作用[38] ，带来一定的安全隐患。所以改善超高分子量聚乙烯的抗磨损性能，以延缓磨损颗粒引起的骨质溶解一直是近些年的研究重点。常用交联技术改善聚乙烯材料的耐磨性，但是这种改善是以材料的生物力学性能降低为代价的[39] ，而且对材料的生物活性的改善也一直存在争议[40] 。 金属-金属：最常用的金属-金属负重面是钴铬钼合金，其抗腐蚀性和耐磨性表现好，磨损率比金属-聚乙烯表面低20-100倍，然而金属离子的生物毒性作用近期被广泛关注。相比之下，聚合物的磨损颗粒容易停留在手术部位，只导致局部的炎症反应以及骨溶解。而金属离子可通过淋巴系统或血液系统输送到全身，更易引起全身炎性反应，产生假肿瘤或金属致敏反应，对全身多器官多系统产生生物毒性[41] 。有研究表明现在最常用于人工腰椎间盘假体的钴铬钼合金所产生的颗粒比钛合金、锆氧化物等金属颗粒产生更大的毒性和炎性反应[42] 。 总体来说，金属-聚合物和金属-金属负重面各有利弊，金属-聚合物设计虽然产生的磨损颗粒较多，但是许多改进设计可以降低其磨损率，如Charité和Mobidisc假体采用的无约束滑动核心设计，由于核心内无压力点，使得磨损率进一步减小，置换术后磨损相关的骨溶解和松动也较少出现。金属-金属负重面虽然产生的磨损颗粒较金属-聚合物明显减少，但是金属离子对机体的毒性作用还需进一步研究。 2.2.3  涂层材料  临床实验结果证实，人工腰椎间盘假体的松动和脱位是造成手术失败的主要原因之一。实际上，不论哪种即刻固定装置都可能存在松动现象，所以假体与椎骨接触面拥有良好的骨长入，获得假体的长期固定尤为重要。现在常用生物活性和骨诱导材料在假体表面制成涂层进一步促进骨长入。ProDisc、FlexiCore、AcroFlex、Active-L等假体表面采用等离子喷涂的钛涂层，Maverick假体表面采用羟基磷灰石涂层。羟基磷灰石具有优良的生物相容性和骨诱导性，在骨科植入器械中的应用越来越广。然而羟基磷灰石往往与假体基体的结合强度不足，其早期稳定性可能在载荷及涂层降解等因的共同影响下被破坏[43]，现在许多学者致力于对羟基磷灰石涂层进行组成和结构优化，有望克服其力学强度低、体内降解快等问题。Charité假体采用了独特的钛/磷酸钙骨传导表面，该结构由3层组成，首先两层为钛，第3层是硫酸钙，进而形成了一种能促进骨长入的开放性多孔表面，有实验证实了这种涂层技术在促进骨长入方面优于羟基磷灰石[44] ，该涂层技术虽然在美国未批准，业已在欧洲等其他地区得到了广泛应用，并且没有出现涂层有关的并发症。新型硅酸钙涂层与基体结合强度优于羟基磷灰石，并且集生物活性、形态固定、抗感染等功能于一体，有望作为新一代骨植入体[45] 。钽涂层拥有优异的耐腐蚀性和生物相容性，其促进表面细胞黏附的能力也优于钛涂层，与羟基磷灰石差异无显著性意义，也是作为表面涂层材料的理想材料[46] 。 　　"