礦化膠原型椎間融合器在山羊頸椎椎間融合中的初步效果觀察

陶春生 孫培鋒 趙金柱 胡健 劉建東 曲良 劉琪 梁超

隨著脊柱外科學及醫(yī)用骨科材料學的迅猛發(fā)展，椎間融合器在脊柱外科手術(shù)中的應(yīng)用日益普遍。傳統(tǒng)的鈦合金椎間融合器雖然具有足夠的機械強度，但其彈性模量是人體骨骼的4 ～10 倍，術(shù)后存在應(yīng)力遮擋效應(yīng)而降低植骨融合率，容易發(fā)生融合器下沉等并發(fā)癥，且鈦合金不具有透光性，也不利于觀察術(shù)后X 線植骨融合的情況[1-2]。碳纖維材料同樣可以發(fā)生下沉，而且材料表面容易產(chǎn)生磨損，引發(fā)局部組織炎性反應(yīng)，不利于植骨融合[3]?？傊?，無論是鈦合金、聚醚醚酮還是碳纖維等材料制備的椎間融合器，其生物相容性均取決于它們的生物惰性，這些融合器并不具備與人體天然骨組織形成骨性融合的生物活性，不參與人體的新陳代謝，不具有可降解性，最終作為異物存在于人體內(nèi)，對脊柱融合術(shù)后的遠期療效構(gòu)成隱患[4-5]。由此可見，研發(fā)具有良好的機械強度、組織相容性、可降解性及更符合生理成骨過程的可吸收脊柱融合器至關(guān)重要。本研究采用清華大學生物材料研究所提供的高強度膠原/納米鈣磷鹽/聚乙內(nèi)酯自組裝制成的礦化膠原型椎間融合器進行羊頸椎融合實驗，以聚醚醚酮型椎間融合器進行對比研究，初步評價礦化膠原型椎間融合器的融合效果。

1 材料與方法

1.1 材料及主要試劑

礦化膠原型椎間融合器由清華大學生物材料研究所提供，采用高強度膠原/納米鈣磷鹽/聚乙內(nèi)酯自組裝而成的仿生人工骨材料，模具壓制成中空的頸椎間融合器，具體指標包括：納米鈣磷鹽的粒徑為20 ～200 nm，鈣元素和磷元素的摩爾比即Ca/P 比為（1 ～2）∶1；融合器密度為1.8 g/cm3，孔隙率為50%～80%，壓縮強度106MPa，規(guī)格6 mm×16 mm×12 mm，上下終板接觸面帶有咬合齒。主要試劑包括：聚乳酸（濟南岱罡生物科技有限公司）、I 型膠原（Sigma 公司，美國）、CaCl26H2O（Alfaaesar 公司）、NaOH（Alfaaesar 公司）、Na2HPO4（Alfa aesar 公司）、醋酸（Alfa aesar 公司）、1,4-二氧六環(huán)（濟南岱罡生物科技有限公司）。聚醚醚酮型椎間融合器及頸椎前路鈦板內(nèi)固定系統(tǒng)由蘇州欣榮博爾特醫(yī)療器械有限公司提供。

1.2 方法

選取健康2年齡山羊12 只，由青島奧特種羊場提供。選取山羊C2/3和C3/4為實驗融合節(jié)段，其中C2/3植入礦化膠原（MC）型椎間融合器設(shè)為實驗組，C3/4植入聚醚醚酮（PEEK）型椎間融合器設(shè)為對照組。速眠新麻醉，置于特制動物手術(shù)臺上，經(jīng)頸椎前路分別在每只羊C2/3和C3/4節(jié)段切除椎間盤，并用骨刀鑿除部分骨質(zhì)進行開槽，開槽大小與本實驗設(shè)計制作的膠原礦化型椎間融合器相仿，C2/3和C3/4椎間隙分別植入填塞自體骨碎粒的礦化膠原型和聚醚醚酮型椎間融合器，嵌牢后使用頸椎前路鈦板和螺釘進行內(nèi)固定，術(shù)后當天對實驗羊頸椎進行X 線攝片，見兩組椎間融合器及頸椎前路鈦板和螺絲釘植入位置基本滿意。術(shù)后給予克林霉素注射液0.6 g 肌注/d，共3 d。術(shù)后12 只實驗羊均健康存活，融合器植入后3 個月隨機處死12 只山羊中的6 只，取頸椎標本行大體觀察、X 線和CT 攝片及組織學檢測，初步評價礦化膠原型椎間融合器對羊頸椎的融合效果。其余6 只于術(shù)后12 個月處死取材，進一步評價融合效果，并深入觀察礦化膠原型椎間融合器的降解情況。

2 結(jié)果

2.1 大體觀察

礦化膠原型椎間融合器植入時顏色為蠟白色，質(zhì)地堅硬，表面光滑，植入3 個月后，材料內(nèi)部仍為蠟白色，質(zhì)地堅硬，與骨接觸面材料顏色變淡黃，表面略粗糙，與骨組織接觸緊密。聚醚醚酮型椎間融合器無論顏色、質(zhì)地及表面形態(tài)均無明顯變化，與骨組織界限清晰，彼此無緊密聯(lián)系，見圖1。

圖1 A.礦化膠原型椎間融合器植入3 個月后植骨區(qū)骨組織長入良好，材料表面部分變粗糙并與骨組織接觸緊密；B.聚醚醚酮型椎間融合器植入3 個月后植骨區(qū)骨組織長入良好，材料表面無變化并與骨組織界限清晰

2.2 X 線及CT 攝片

術(shù)后3 個月兩組椎間融合器中央自體骨植骨區(qū)的上下椎體間均可見骨橋形成，椎體間高度保持良好；聚醚醚酮型椎間融合器周圍無明顯透光帶，而礦化膠原型椎間融合器周圍可見均勻表淺的密度減低區(qū)（見圖2）。術(shù)后12 個月兩組椎間融合器椎體間高度保持良好，聚醚醚酮型可見螺釘松動；聚醚醚酮型椎間融合器周圍仍無明顯透光帶，而礦化膠原型椎間融合器周圍密度減低區(qū)較術(shù)后3 個月時更加明顯（見圖3）。

2.3 組織學檢測（HE 染色）

術(shù)后12 個月分別取礦化膠原型和聚醚醚酮型組織標本進行脫鈣，常規(guī)HE 染色進行組織學檢測（×100）。兩組融合器中央自體骨植骨區(qū)均可見大量骨細胞長入；礦化膠原型椎間融合器材料表面粗糙，周圍可見明顯纖維組織細胞包繞區(qū)，其間充滿成纖維細胞和幼稚編織骨形成，聚醚醚酮型椎間融合器材料表面光整，周圍未見特殊組織細胞反應(yīng)區(qū)。具體見圖4。

圖2 A.植入術(shù)后3 個月X 線片，黑箭頭為聚醚醚酮型，紅箭頭為礦化膠原型；B.礦化膠原型椎間融合器植入術(shù)后3 個月CT 平掃；C.聚醚醚酮型椎間融合器植入術(shù)后3 個月CT 平掃

圖3 A.植入術(shù)后12 個月X 線片，黑箭頭為聚醚醚酮型，紅箭頭為礦化膠原型；B.礦化膠原型椎間融合器植入術(shù)后12 個月CT 平掃；C.聚醚醚酮型椎間融合器植入術(shù)后12 個月CT 平掃

圖4 A、B.兩組融合器中央植骨區(qū)可見大量骨細胞；C.礦化膠原型融合器材料周圍可見成纖維細胞和幼稚編織骨形成；D.聚醚醚酮型椎間融合器材料表面光整，周圍未見特殊組織細胞反應(yīng)區(qū)（×100）

3 討論

椎間融合技術(shù)是脊柱外科最基本、最常用的手術(shù)技術(shù)之一。盡管自體髂骨仍是椎間融合最理想的植骨材料，但其來源有限，且存在供骨區(qū)傷害及感染、疼痛等相關(guān)并發(fā)癥風險而被越來越少的醫(yī)生和患者選擇和接受。當前，聚醚醚酮材料融合器仍是臨床椎體間融合的主流選擇。但越來越多的基礎(chǔ)和臨床研究表明，作為一種不可吸收有機材料，聚醚醚酮具有生物學惰性，其表面具有的疏水性，影響了新生骨在其表面的附著，使得移植物與骨組織之間的骨整合能力差，在臨床使用中會出現(xiàn)許多并發(fā)癥，如融合器移位、下沉和形成假性關(guān)節(jié)等[6]。盡管有學者通過一定技術(shù)手段將聚醚醚酮表面多孔化，在保證聚醚醚酮作為骨移植物必要強度的同時，增強了聚醚醚酮的誘導成骨的能力[7]。但在融合過程中聚醚醚酮材料融合界面還是會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，最終影響融合效果及長期穩(wěn)定[8]?；趥鹘y(tǒng)椎間融合器存在的諸多固有內(nèi)在缺陷，給可吸收椎間融合器的研制和發(fā)展提供了良好的條件和契機[9-10]。因此，近年來越來越多學者已開始轉(zhuǎn)向研發(fā)更適宜人體脊柱融合需要的生物可吸收型椎間融合器[10]。本課題組研制的礦化膠原型椎間融合器即采用了生物可降解材料高強度膠原/納米鈣磷鹽/聚乙內(nèi)酯經(jīng)自組裝而成，其孔隙率達50%～80%，壓縮強度為106MPa，彈性模量與人體骨骼相近[11-12]。

本課題組以往實驗研究已經(jīng)表明[13]，礦化膠原型可吸收椎間融合器具有良好生物力學強度。本動物活體實驗研究結(jié)果也初步證實，礦化膠原型椎間融合器在術(shù)后3 個月及12 個月影像學檢查結(jié)果均顯示椎體間高度維持良好，無明顯間隙變窄及融合器下沉，其支撐性能與聚醚醚酮型椎間融合器相比無顯著差別。本研究在實驗中同時發(fā)現(xiàn)，礦化膠原型可吸收椎間融合器植骨區(qū)可見大量骨細胞長入，材料表面因逐漸降解吸收而變粗糙，且與骨組織接觸更緊密并可見明顯成纖維細胞和類骨質(zhì)包繞，而聚醚醚酮型椎間融合器表面形態(tài)光整無明顯變化，周圍也未見特殊組織細胞反應(yīng)區(qū)。因此，本實驗研究初步證明，本課題組研制的礦化膠原型可吸收椎間融合器與傳統(tǒng)的聚醚醚酮型椎間融合器相比，具有良好的可吸收性能及骨整合能力。

綜上所述，采用高強度膠原/納米鈣磷鹽/聚乙內(nèi)酯自組裝制成的礦化膠原型可吸收椎間融合器在羊頸椎初步活體實驗中達到了良好的骨性融合效果，與傳統(tǒng)的不可吸收型聚醚醚酮型椎間融合器相比具有同樣的生物力學支撐性能，且可逐步降解吸收，并可能具有更符合生理成骨過程的骨-材料結(jié)合界面，具有良好的臨床應(yīng)用前景。不足之處，本文僅是礦化膠原型椎間融合器初步活體實驗研究結(jié)果，對融合器最終降解吸收情況以及遠期融合穩(wěn)定效果還有待進一步實驗研究和臨床驗證。