一種新型腰椎間融合器的研制及生物力學(xué)評(píng)價(jià)＊

馬金梁，張記恩，劉克斌，易 洋，黃 帆，鄧忠良△

（1.湖北省荊州市第一人民醫(yī)院骨科 434001；2.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科 400010）

隨著臨床經(jīng)驗(yàn)的不斷累積和技術(shù)的提高，脊柱手術(shù)適應(yīng)證范圍的不斷擴(kuò)大，臨床上出現(xiàn)了越來越多的新型脊柱植入物。這些新的固定器械及手術(shù)技術(shù)在進(jìn)入臨床應(yīng)用之前有必要對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的力學(xué)測(cè)試。本研究設(shè)計(jì)了一種新型腰椎間融合器（cage）——部分可吸收椎間融合器（PBIFC），通過與己成功使用于臨床的同規(guī)格內(nèi)固定物比較，以對(duì)植入物的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。相同外形的納米羥基磷灰石／聚酰胺66（n－HA／PA66）融合器臨床使用較廣泛，設(shè)成PBIFC實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)采用小牛腰椎骨作為生物力學(xué)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本。

1 材料與方法

1.1 PBIFC的設(shè)計(jì)制造 新型cage采用可吸收材料多聚氨基酸／硫酸鈣復(fù)合材料及納米羥基磷灰石／聚酰胺66（n－HA／PA66）作為材料（所有cage材料均由四川國(guó)納有限公司提供）。外形設(shè)計(jì)同非吸收型n－HA／PA66腰椎間融合器。在n－HA／PA66cage基礎(chǔ)上，將上表面截去1.5mm厚，再切去其內(nèi)壁1mm，3mm縱深，即形成PBIFC的下部結(jié)構(gòu)；被截去的部分以新型可吸收材料多聚氨基酸復(fù)／硫酸鈣復(fù)合材料制成的蓋帽填充代替。蓋上蓋帽后兩部分結(jié)合緊密，與原cage外形大小完全一致。整個(gè)cage呈近似橢圓形，前端略大，上面為淡黃色可吸收蓋，底面為米色非吸收材料n－HA／PA66。前壁厚5 mm，側(cè)壁及后壁厚3mm。前高后低，轉(zhuǎn)角圓潤(rùn)，兩側(cè)壁正中各有一直徑2mm小孔，周邊圓滑，蓋厚1.5mm。夾持口設(shè)在cage前方；前側(cè)壁正中有一直徑3mm小孔。PBIFC的規(guī)格：外形規(guī)格同原n－HA／PA66cage；長(zhǎng)度：26mm；寬度：12mm；總高度：前端12mm，后端相應(yīng)低2mm，形成的終板夾角約為4°。前壁厚5mm，側(cè)壁及后壁厚3mm；可吸收層蓋厚度：1.5 mm；壁厚1mm，高3mm，見圖1、2。

圖1 PBIFC樣品蓋和底部

圖2 PBIFC樣品

1.2 標(biāo)本制備 選取15具同時(shí)期同環(huán)境成長(zhǎng)、12個(gè)月齡左右、質(zhì)量約400kg小牛的新鮮腰椎骨及自體髂骨做標(biāo)本。所有標(biāo)本排除骨科疾病及創(chuàng)傷后（X線攝片檢查），剔除標(biāo)本上的軟組織，截取其中的L3／L4部分，制成單獨(dú)的腰椎功能節(jié)段；選取大小相當(dāng)?shù)拿總€(gè)節(jié)段，包括上下椎體，椎間盤和韌帶及完好的關(guān)節(jié)囊；對(duì)標(biāo)本進(jìn)行骨水泥（自凝型牙托粉及牙托水）固定，兩端盡量保持平行，角度不超過1°，以確保實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性［1］。取自體髂骨塊修整成約26mm×12mm×12mm，前高后低，后端高10mm，對(duì)應(yīng)編號(hào)。所有標(biāo)本雙層塑料袋密封，存放于－20℃低溫冰箱中備用，在測(cè)試實(shí)驗(yàn)前約6h取出標(biāo)本，室溫自然解凍，整個(gè)手術(shù)過程中保持標(biāo)本的濕潤(rùn)。

1.3 方法

1.3.1 三維運(yùn)動(dòng)測(cè)試 實(shí)驗(yàn)分3組：PBIFC組、髂骨組和n－HA／PA66組。模仿脊柱前路手術(shù)，切除待測(cè)標(biāo)本的前縱韌帶，切開L3／L4部分纖維環(huán)，摘除L3／L4髓核，切除L3／L4上下軟骨終板、椎間盤及部分骨性終板，在L3／L4椎間斜行約45°植入1枚cage或與cage規(guī)格大體近似的自體髂骨塊。

待測(cè)標(biāo)本完全解凍后，將標(biāo)本上下兩端置于自制的專用夾具中，以?shī)A具前后左右4枚對(duì)稱的直徑10mm的平頭金屬螺釘旋緊固定標(biāo)本的骨水泥表面。準(zhǔn)備妥當(dāng)后，運(yùn)行力學(xué)測(cè)試機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖3、4）。正式記錄數(shù)據(jù)前先對(duì)準(zhǔn)中心施加50N軸向壓縮載荷以消除椎骨及韌帶等的時(shí)間－效應(yīng)因素［1］。依次對(duì)各組標(biāo)本實(shí)施加載前屈和后伸、側(cè)彎及軸向旋轉(zhuǎn)（左右）共6種載荷［2］，模擬其生理運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，記下6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的具體運(yùn)動(dòng)范圍數(shù)據(jù)（ROM）：通過杠桿加載系統(tǒng)對(duì)各植入術(shù)后的椎體樣本施加純力矩，大小為10N·m。依上所述反復(fù)對(duì)標(biāo)本施加3次力矩，加載的速度設(shè)定為1.5mm／min，以減少標(biāo)本時(shí)間效應(yīng)的影響誤差。每次施加載荷及卸載后須等待約1min，待標(biāo)本自然的蠕變運(yùn)動(dòng)，如此得到比較科學(xué)和穩(wěn)定的結(jié)果。完成上述加載后，再次加載，使用高精度攝像儀拍攝在未施加載荷和施加到10N·m載荷時(shí)的標(biāo)本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)后用專業(yè)的軟件（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院內(nèi)部軟件）逐個(gè)分析處理各組樣本各工況的圖像，計(jì)算出ROM值以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較。全部數(shù)據(jù)均由重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院自行設(shè)計(jì)的輸入專業(yè)軟件處理。正常牛腰椎節(jié)段的生物力學(xué)性質(zhì)［1］，見表1。

圖3 MTS 858力學(xué)測(cè)試機(jī)

圖4 PBIFC植入L3／L4模型側(cè)彎加載

表1 小牛L3／L4的生理運(yùn)動(dòng)范圍（°）

1.3.2 拔出力測(cè)試 拔出力測(cè)試實(shí)驗(yàn)的分組如前所述。待測(cè)量完3組各個(gè)樣本的三維運(yùn)動(dòng)范圍后，再將標(biāo)本逐個(gè)安放于力學(xué)測(cè)試機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將備好的待測(cè)椎體上下包埋塊用專制的夾具固定在力學(xué)測(cè)試機(jī)上，沿上位椎體中心軸向施加400N載荷。應(yīng)用特制的夾具夾持固定住待測(cè)的髂骨塊、PBIFC和n－HA／PA66椎間融合器，設(shè)定1.5mm／min的速度勻速拔出。記下每個(gè)髂骨塊、PBIFC、n－HA／PA66椎間融合器樣本的最大拔出力。拔出時(shí)保持拔出力線與融臺(tái)器縱軸水平，當(dāng)拔出椎間或拔出力突然下降時(shí)停止。

1.3.3 壓縮載荷測(cè)試 拔出實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，重新將拔出的各個(gè)植骨塊以及各cage按原路植回椎間。將植入術(shù)后樣本固定于夾具中，再將夾具固定連接于力學(xué)測(cè)試機(jī)上下兩端，逐個(gè)進(jìn)行壓縮毀損試驗(yàn)，擺放標(biāo)本時(shí)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)重心，且保持標(biāo)本水平（圖5）。從零開始勻速加載，速度為1.5mm／min，注意觀察計(jì)算機(jī)顯示的位移載荷曲線，當(dāng)位移載荷曲線中的載荷下降時(shí)說明植入物毀損壓縮或椎體壓縮性骨折、塌陷；實(shí)驗(yàn)過程中注意適時(shí)用0.9%NaCl溶液噴灑測(cè)試樣本［2］。計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)收集軟件記錄力學(xué)測(cè)試機(jī)的載荷數(shù)據(jù)，記錄最大的載荷值。

圖5 PBIFC植入牛L3／L4軸向壓縮加載

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，計(jì)量資料以表示，行單因素方差分析及LSD法。檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α＝0.05，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 三維運(yùn)動(dòng)測(cè)試 各組L3／L4運(yùn)動(dòng)范圍結(jié)果，見表2。在各運(yùn)動(dòng)工況的加載中，PBIFC組中L3／L4節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍，較n－HA／PA66組增大（圖6），但差異無統(tǒng)計(jì)意義（P＞0.05）。髂骨組運(yùn)動(dòng)范圍在各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下均比其余兩組大，差異有統(tǒng)計(jì)意義（P＜0.05）。

表2 腰椎在6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各組ROM值（n＝5，s，°）

表2 腰椎在6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各組ROM值（n＝5，s，°）

運(yùn)動(dòng)狀態(tài) PBIFC組 n－HA／PA66組 髂骨組前屈17.78±1.74 17.38±1.78 20.25±1.75后伸 16.25±1.67 16.20±1.72 18.99±1.95左側(cè)彎 7.29±1.22 6.68±0.90 8.33±1.05右側(cè)彎 6.49±1.20 6.46±1.35 8.32±1.38左側(cè)旋 3.47±1.00 3.33±1.06 4.73±0.49右側(cè)旋3.35±1.24 3.32±0.94 4.98±1.27

2.2 最大拔出力 各組的最大拔出力值測(cè)試顯示，PBIFC組平均為（679.25±9.52）N；n－HA／PA66組平均為（663.42±12.75）N，兩組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；而所測(cè)髂骨組平均最大拔出力僅（595.61±13.34）N。PBIFC組抗拔出力較髂骨組大，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見圖7。PBIFC組的平均最大拔出力值與傳統(tǒng)融合器組平均最大拔出力值相差很小。

圖6 各組小牛L3／L4模型運(yùn)動(dòng)范圍測(cè)試結(jié)果

圖7 各組小牛L3／L4模型最大拔出力測(cè)試結(jié)果

2.3 壓縮載荷測(cè)試 壓縮載荷測(cè)試結(jié)果，PBIFC組測(cè)得極限載荷平均為（7 197.18±50.55）N；當(dāng)達(dá)到極限載荷時(shí)PBIFC多見頂部蓋先出現(xiàn)裂痕。n－HA／PA66組的極限載荷平均值為（7 253.43±129.58）N，略高于PBIFC；當(dāng)標(biāo)本處于極限載荷時(shí)椎間融合器表面可見扭曲繼而破裂。髂骨組的極限載荷平均值為（5 511.78±87.31）N，僅為PBIFC組的76.6%。當(dāng)被測(cè)標(biāo)本顯示達(dá)到最大壓縮強(qiáng)度時(shí)，髂骨最早壓縮塌陷、毀損明顯。上下椎體仍保持完整，未觀察到明顯破壞。3組不同植入物中，髂骨組的最大抗壓力顯著低于兩椎間融合器組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；PBIFC組最大抗壓縮力較n－HA／PA66組稍低，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見圖8。

圖8 各組小牛L3／L4模型最大抗壓力測(cè)試結(jié)果果

3 討 論

羥基磷灰石（HA）以其良好的生物相容性及生物活性被用于硬組織修復(fù)，但是由于其脆性僅被用于非負(fù)重部位的修復(fù)。n－HA／PA66復(fù)合材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)及組成上均有人體骨骼的磷灰石納米針晶相似，因此其具有生物相容性、尺寸穩(wěn)定性和韌性等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其比普通HA具有更好的骨傳導(dǎo)生物活性，力學(xué)性能較接近于人類的皮質(zhì)骨［3］。納米HA的含量為60%的復(fù)合物，彈性模量為3～10GPa，抗壓強(qiáng)度為40～90Mpa，這些力學(xué)參數(shù)和皮質(zhì)骨接近，使負(fù)重部位的修復(fù)成為可能［4－5］。納米HA含量為60%的復(fù)合物的生物活性檢測(cè)顯示，其植入皮質(zhì)骨后與骨直接相連，兩者中間沒有纖維組織［6］。目前，n－HA／PA66復(fù)合物已經(jīng)在臨床上制作椎間融合器以修復(fù)骨科負(fù)重部位，臨床結(jié)果顯示其取得了良好的效果［7－8］。然而，n－HA／PA66屬于不可吸收材料，在融合后期對(duì)植骨仍存在應(yīng)力遮擋，適宜的壓應(yīng)力有助于促進(jìn)骨折愈合、加速植骨融合［9－11］；使用可吸收cage融合的平均融合速度快于非吸收型cage［9，12，13］，也說明壓應(yīng)力刺激有助于椎間融合。在植入初期，植入cage內(nèi)的植骨被機(jī)體吸收的速度大于椎骨新生骨生成的速度，導(dǎo)致在植骨植入早期椎間融合器內(nèi)植骨界面會(huì)出現(xiàn)吸收下降，因此cage對(duì)其內(nèi)的植骨形成應(yīng)力遮擋效應(yīng)，影響了植骨融合速度及效果。可吸收類cage可以達(dá)到隨植骨同時(shí)下降的效果而大大降低應(yīng)力遮擋。但目前的主流可吸收類聚乳酸椎間融合器面臨一些問題，比如早期降解產(chǎn)物可產(chǎn)生嚴(yán)重的組織反應(yīng)，妨礙細(xì)胞生長(zhǎng)［13］，隨著cage降解，后期強(qiáng)度不足以致椎間塌陷等。新型cage在n－HA／PA66cage原型上加上可吸收層，以形成融合早期隨同內(nèi)部植骨塊吸收下降，達(dá)到維持椎間對(duì)植骨的壓應(yīng)力，進(jìn)而促進(jìn)融合，而后期椎間塌陷的風(fēng)險(xiǎn)較完全可吸收型cage大大降低?？晌詹牧线x用新型的硫酸鈣／氨基酸共聚物，具有氨基酸共聚物良好的力學(xué)性能，抗壓強(qiáng)度足夠用于人體腰椎融合。

本研究結(jié)果顯示，椎間植入PBIFC后，與n－HA／PA66組相比較，在前屈后伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍方面的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；但其植入髂骨塊小，較髂骨組穩(wěn)定，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。拔出力學(xué)結(jié)果表明，PBIFC組最大拔出力比髂骨植骨組大，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），但與n－HA／PA66組相比未見顯著性差異，說明PBIFC具有良好的防滑移性能。n－HA／PA66已廣泛應(yīng)用于臨床，相比較的髂骨塊也因其良好的融合率被視為傳統(tǒng)的椎間融合術(shù)金標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)研究顯示，研制的部分可吸收椎間融合器穩(wěn)定性優(yōu)于自體髂骨塊，與n－HA／PA66cage穩(wěn)定性無明顯差異，能達(dá)到臨床上對(duì)cage的各力學(xué)方面性能需求。壓縮載荷測(cè)試中，本研究將cage與n－HA／PA66cage和自體髂骨分別植入相同小牛腰椎椎間隙比較，進(jìn)行極限載荷檢測(cè)。本研究結(jié)果顯示，n－HA／PA66最大，PBIFC組次之，但兩組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；髂骨組最小，均具有顯著性差異，說明兩種椎間融合手段均較髂骨塊承載能力強(qiáng)，部分可吸收椎間融合器完全能夠滿足腰椎所需的承載能力。正常人體腰椎所承受的負(fù)荷一般在3 000N以內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)本為新鮮小牛腰椎，抗壓強(qiáng)度高于人類椎骨。因此，PBIFC足夠承擔(dān)正常人體腰椎所需的載荷，其強(qiáng)度足夠支持腰椎滿足人體各種不同的正?；顒?dòng)要求。

從手術(shù)后長(zhǎng)期穩(wěn)定性角度考慮，椎體骨性終板的完整性對(duì)防止椎間隙塌陷有重要意義。一般而言，主要存在兩個(gè)因素可影響融合器的下沉趨勢(shì)［14］：椎間融合器的外形，其決定了上下終板同cage的接觸面積大小以及椎體終板的骨強(qiáng)度。另外，融合器的高彈性模量也是下沉原因之一。PBIFC設(shè)計(jì)初衷是持續(xù)維持其內(nèi)植骨的壓應(yīng)力以促進(jìn)植骨融合，其內(nèi)部的植骨可持續(xù)承受上下終板一定的壓應(yīng)力。較相同外形的非吸收型cage相比，在其內(nèi)部植骨吸收后，與終板的總接觸面積能夠仍維持不變。相對(duì)非吸收型cage來說，終板所受壓應(yīng)力更小，由此減小了遠(yuǎn)期終板塌陷、融合器沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，PBIFC具有良好力學(xué)性能，能提供融合器植入后的支撐－壓縮穩(wěn)定作用，說明其在生物力學(xué)方面具有安全有效性。

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