人工椎板的研究進展 *

尹煜超 黎松波(通訊作者) 黎建文

( 1 廣東醫(yī)科大學 ， 廣東 湛江 524023 ； 2 東莞市人民醫(yī)院 )

椎板切除術(shù)是治療椎管狹窄癥的有效方法之一[1]，其具有脊髓減壓充分的優(yōu)勢，但是破壞了脊柱后方結(jié)構(gòu)，改變脊柱的生物力學表現(xiàn)，從而容易造成醫(yī)源性脊柱失穩(wěn)[2]，。而且椎板切除術(shù)后脊髓和神經(jīng)根失去椎板的保護，容易被創(chuàng)傷修復過程產(chǎn)生的瘢痕組織粘連、壓迫，從而引起手術(shù)失敗，發(fā)生率高達10%-40%[3]。許多研究表明，人工椎板既可填補椎板的缺損處，防止硬膜粘連，又可重建椎管及脊柱后方結(jié)構(gòu)，增加術(shù)后穩(wěn)定性，已被不少脊柱外科醫(yī)生應用于臨床治療中。本文對人工椎板目前的研究進展綜述如下。

1 人工椎板的研究背景：學者們曾提出過許多不同的學說解釋椎板切除術(shù)后硬膜粘連形成的機制。最早由Key等[4]提出“前源學說”，認為瘢痕來源于椎管前方損傷的纖維環(huán)。隨后LaRocea等[5]認為纖維化主要是由骶脊肌損傷形成的成纖維細胞侵入肌間血腫所致，并形成覆蓋在椎板切除部位及向椎管內(nèi)延伸的纖維粘連膜，提出“后源學說”和“椎板切除膜理論”。Songer等[6]在前者基礎上提出“三維立體學說”，認為纖維化既可來前方損傷的纖維環(huán)和后縱韌帶，也可來自后方損傷的骶棘肌，同時瘢痕會包繞神經(jīng)根而導致側(cè)方受累。施洪臣等[7]認為手術(shù)創(chuàng)傷導致的椎板缺損是引起硬膜及神經(jīng)根粘連發(fā)生的必要條件。目前預防椎板切術(shù)術(shù)后硬膜粘連的方法多種多樣，包括腰椎微創(chuàng)切除術(shù)、放射治療、藥物治療和植入治療，但效果并不理想[8]。脊柱不穩(wěn)是椎板切除術(shù)后另一個重要的并發(fā)癥。研究表明，雙側(cè)關節(jié)突和脊柱后方結(jié)構(gòu)的破壞是脊柱術(shù)后失穩(wěn)的主要原因。目前脊柱外科醫(yī)生提出許多脊柱后路減壓的改良術(shù)式，如單側(cè)椎切除術(shù)、雙側(cè)椎板切除術(shù)等，取得了與傳統(tǒng)椎板切除術(shù)式相似的臨床效果，并有效地提高了術(shù)后脊柱的穩(wěn)定性[11-12]。但單側(cè)或雙側(cè)椎板切除術(shù)存在術(shù)中操作視野和空間有限的困難及減壓不完全的風險。聯(lián)合融合技術(shù)或者內(nèi)固定技術(shù)也可明顯提高術(shù)后脊柱穩(wěn)定性[13]，然而存在加速鄰椎退變、限制脊柱活動度等可能。因此傳統(tǒng)的椎板切除術(shù)式仍不可取代，如何預防椎板切除術(shù)后失穩(wěn)仍是脊柱外科醫(yī)生研究的重點。人工椎板修補了椎板缺損并形成完整的椎板，既防止硬膜粘連受壓，又提高術(shù)后穩(wěn)定性，并且更加接近生理解剖，成為了傳統(tǒng)椎板切除術(shù)的重要補充，自出現(xiàn)起就引發(fā)了研究者們的廣泛關注。

2 人工椎板的基礎研究

2.1 不同材料制作的人工椎板：早期人們制造的人工椎板都是單純由材料構(gòu)成，所使用的材料包括金屬、陶瓷、同種異體骨及高分子材料等。鈦合金是醫(yī)學用金屬材料中的首選，具有良好的生物相容性及生物力學性能。胡軍等[14]以成年雜種犬為實驗對象行椎板減壓術(shù)，分別將單純鈦合金和表面燒結(jié)羥基磷灰石的鈦合金制成人工椎板并植入椎板缺損處，結(jié)果顯示單純的多孔鈦合金人工椎板具有預防術(shù)后硬膜黏連的作用，但假體和骨組織無愈合，表面燒結(jié)羥基磷灰石的鈦合金人工椎板成骨現(xiàn)象明顯且與骨組織結(jié)合緊密，具有更好的生物活性及穩(wěn)定脊柱的作用。同種異體骨具有人骨的生物力學性能以及良好的生物活性，常用以修復骨缺損。唐欣等[15]將雄性綿羊脛骨做成同種異體骨板，放于同組綿羊的椎板缺損部位，設立對照組，行大體、影像學及組織學觀察發(fā)現(xiàn)，術(shù)后4周人工骨板無移位，椎管形態(tài)及容積無改變，硬膜無受壓，術(shù)后8-12周人工骨板逐漸降解，同時大量新生骨小梁形成，并逐步爬行替代整個骨板，術(shù)后24周椎管重建基本完成，椎管形態(tài)完好，硬膜外未見瘢痕組織，認為凍干輻照骨板具有“骨誘導”、“骨傳導”作用，可重建椎管，滿足阻隔瘢痕向椎管內(nèi)長入的需求。生物陶瓷具有較佳的生物相容性及耐蝕性，目前在醫(yī)學上得到廣泛研究和應用，其中磷酸三鈣(TCP)和羥基磷灰石(HA)因和骨的成分和結(jié)構(gòu)相近，植入體內(nèi)后可部分降解并游離出骨生成所需的鈣和磷，對骨代謝過程中鈣鹽的沉積起到支架作用，是公認較優(yōu)良的骨置換材料。但是單純陶瓷材料在強度低、韌性差的缺點。學者們通過材料的復合以及應用納米技術(shù)一定程度上改善了生物陶瓷的力學性能。唐文勝等[16]將22只雄性家犬行腰5椎板切除，其中13只植入納米羥基磷灰石/聚酰胺66(- HA/PA66)人工椎板，9只作為空白對照組，分別于術(shù)后4、6、8、16、24周行電鏡、組織學、影像學觀察，結(jié)果顯示人工椎板從術(shù)后4周開始周圍出現(xiàn)原始骨小梁，術(shù)后16周與周圍骨組織連接緊密，術(shù)后24周完全愈合，且自身未見明顯降解，全程未見明顯排斥反應和硬膜粘連，認為n- HA/PA66人工椎板具有良好的生物相容性、生物活性和良好的機械性能，可作為一種屏障阻止瘢痕向缺損處生長，并可誘導骨生成重建椎管。Ran等[17]通過動物實驗發(fā)現(xiàn)新型α-TCP多元氨基酸共聚物復合人工椎板具有良好的生物相容性性及成骨作用，能促進骨缺損處新骨形成與功能重建。Lv等[18]通將可降解生物陶瓷MACCP/n-HA人工椎板用于動物實驗中，發(fā)現(xiàn)生生物陶瓷人工椎板降解緩慢，可在體內(nèi)長久維持生物力學穩(wěn)定性，對周圍肌肉瘢痕向椎板缺損處生長有良好的機械阻隔作用，并且可促進骨缺損處新骨形成并與自體骨達到鍵性結(jié)合，重建正常的骨性椎管。

2.2 組織工程人工椎板：骨組織工程學是一門新興的學科，其核心內(nèi)容是即將體外培養(yǎng)的成骨細胞種植到支架材料上，然后將支架材料植入骨缺損處，輔以細胞因子促進成骨細胞增殖分化，以達到修復骨缺損目的[19]。近年來，骨組織工程學得到了飛速的發(fā)展，也為人工椎板的構(gòu)建提供了一個新的方向—材料+細胞的組織工程人工椎板。陳緒君等[20]將兔骨髓間充質(zhì)干細胞(MSCs)體外誘導為成骨細胞并定植在膠原蛋白海綿上，并成功在全椎板切除減壓兔模型上構(gòu)建人工椎板。Dong[21]等將兔骨髓間充質(zhì)干細胞植入β-TCP生物陶瓷構(gòu)建成組織工程骨，并分別將β-TCP組織工程骨、單純β-TCP生物陶瓷應用在全椎板切除減壓兔模型，結(jié)果顯示MSCs復合β-TCP生物陶瓷可成功重建人工椎板，且成骨效果比單純植入β-TCP生物陶瓷好，認為。陳緒君等[22]進一步通過動物實驗對比β-TCP組織工程骨和膠原蛋白海綿組織工程骨構(gòu)建人工椎板的能力，結(jié)果顯示膠原蛋白組織工程骨具有更好的生物相容性和更強骨誘導能力，且其貼附性和可塑形性讓其更容易固定，但降解速率過快，機械性能不足，不能用于承重部位。林榮強等[23]將同種異體兔臍帶間充質(zhì)干細胞分別植入羥基磷灰石-殼聚糖支架和殼聚糖支架構(gòu)建組織工程化骨，嘗試在兔模型上構(gòu)建人工椎板，并設立單純支架材料組和空白組作為對照，結(jié)果2種組織工程化骨均能重建人工椎板，且細胞+支架材料組重建能力優(yōu)于單純支架組，含羥基磷灰石的支架材料重建能力優(yōu)于不含羥基磷灰石材料，其中同種異體兔臍帶間充質(zhì)干細胞復合羥基磷灰石-殼聚糖支架組成骨能力最強。Li等[24]開發(fā)了一種類似于椎板形狀的生物可吸收多孔聚己內(nèi)酯 (polycaprolactone，PCL)籠狀支架，他們將切除的椎板制成骨屑并裝入PCL籠狀支架，然后植入兔的椎板切缺損處，結(jié)果顯示可成功重建椎管，認為PCL籠狀支架可作為自體骨移植的替代方案，有巨大前景。

3 人工椎板的臨床應用

3.1 同種異體骨人工椎板：同種異體骨早期因嚴重的免疫反應未能廣泛使用，隨著冷凍技術(shù)、輻射滅菌技術(shù)的出現(xiàn)，同種異體骨的免疫原性得到明顯下降，而力學性能和生物活性都得到一定的保留，目前已廣泛應用于臨床。徐少文[25]等對18例腰椎管狹窄患者行椎板切除減壓術(shù)，并將同種異體半脫鈣股骨片做成適當大小的“H”型以修補椎板缺損處，術(shù)后患者癥狀均明顯緩解，CT及MRI結(jié)果顯示椎管較術(shù)前擴大，脊髓無壓迫，周圍無明顯排異反應，且術(shù)后3年人工椎板幾乎被自身骨質(zhì)爬行替代。楊述華等[26]用同樣的方法將凍干輻照骨板應用于58例患者中，術(shù)后半年隨訪，臨床療效均優(yōu)良，術(shù)后1年半隨訪，CT顯示人工骨板與周圍骨組織愈合，硬膜無明顯受壓，認為同種異體骨人工椎板可減少腰椎切除術(shù)術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。雖然同種異體骨人工椎板具有良好的初步臨床療效，但仍存在一定的問題需要解決：材料來源有限；大段骨移植的免疫反應仍需進一步解決；無法任意改變形狀，能重建椎管但無法重建棘突及后方韌帶系統(tǒng)，穩(wěn)定脊柱的作用尚需進一步研究；固定不牢靠，通過絲線與關節(jié)囊或上下棘突縫合固定，無法獲得術(shù)后及時穩(wěn)定性，術(shù)后仍需臥床6-8周。

3.2 金屬材料人工椎板：醫(yī)用金屬材料具有高強度、耐疲勞、易加工成形的優(yōu)良性能，被廣泛應用在臨床中，特別是作為骨植入材料應用在骨科領域。鈦合金是醫(yī)學用金屬材料中的首選，具有較佳的耐腐蝕性及良好的生物相容性，其制成的鈦網(wǎng)廣泛被應用于填補椎板切除術(shù)后的椎板缺損。練克儉團隊[27]將鈦網(wǎng)人工椎板應用在椎板切除術(shù)中，他們根據(jù)椎板缺損范圍將鈦網(wǎng)折彎、裁剪制成適當大小的“Ω”型人工椎板，并配合自體骨和異體骨植骨完成40例椎板切除術(shù)后的椎管重建，術(shù)后隨訪1年半，影像學檢查顯示鈦網(wǎng)位置良好，椎管內(nèi)無骨碎塊進入，硬膜無粘連、受壓，且半年內(nèi)均完成鈦網(wǎng)與周圍骨質(zhì)的融合。翟文亮等[28]進一步對28例腰椎管狹窄癥并行椎板切除減壓聯(lián)合鈦網(wǎng)椎管成型術(shù)的患者進行了3-4年的隨訪，發(fā)現(xiàn)患者術(shù)后1年及最后1次隨訪時的椎管體積無明顯變化，腰腿痛評分較術(shù)前提高并保持穩(wěn)定，認為椎板切除術(shù)聯(lián)合應用鈦網(wǎng)椎板可在充分減壓的同時保持脊柱的穩(wěn)定性。但也有報道椎管狹窄全椎板減壓術(shù)中應用顱骨鈦網(wǎng)重建椎管后壁存在術(shù)后腰椎失穩(wěn)概率增大、長時間臥床等不足[29]。另外鈦網(wǎng)也有自身的缺點，如無法降解，X片透光性差，彈性模量高于人骨，可能產(chǎn)生應力遮擋，以及有產(chǎn)生金屬疲勞導致鈦網(wǎng)局部斷裂的風險。

3.3 生物陶瓷人工椎板：納米羥基磷灰石/聚酰胺復合材料是近年來發(fā)展迅速的一種新型生物陶瓷材料，其制成的人工椎板是目前廣泛應用在脊髓退變、骨折、腫瘤等引起的腰椎管狹窄癥患者身上。溫從游等[30]將納米羥基磷灰石/聚酰胺人工椎板用于治療12例患者椎板切除術(shù)后的椎板缺損，并進行了7-9年的長期隨訪，術(shù)后患者的臨床癥狀均得到緩解，影像學檢查顯示術(shù)后椎管較前擴張，且硬膜無明顯粘連。Zhao等[31]對植入納米羥基磷灰石/聚酰胺人工椎板重建椎管的20例患者進行4-7年隨訪，發(fā)現(xiàn)術(shù)后3個月的JOA評分及椎管矢狀徑均較術(shù)前明顯改善，最后1次隨訪結(jié)果與術(shù)后3個月無明顯變化，且末次隨訪時影像學檢測顯示人工椎板位置良好，與周圍骨質(zhì)愈合，硬膜無受壓，認為納米羥基磷灰石/聚酰胺人工椎板具有良好的應用前景。李欽亮等[32]將納米羥基磷灰石/聚酰胺人工椎板用于30例多節(jié)段脊髓型頸椎病患者的椎管重建中，并與38例頸椎后路雙開門椎管擴大成形術(shù)作對照，結(jié)果顯示兩者擁有相同的療效，而人工椎板的應用可以縮短手術(shù)時間、減少手術(shù)出血及術(shù)后并發(fā)癥。隨后不少學者先后將這種新型人工椎板投入臨床應用，均取得良好的臨床療效[33-34]。納米羥基磷灰石/聚酰胺復合材料人工椎板形態(tài)上較為接近生理解剖，取得了良好的臨床療效，但其術(shù)中不易固定，用絲線固定在棘突或關節(jié)囊上穩(wěn)定性較差，嵌于椎弓根釘-棒系之下則改變了釘棒系統(tǒng)的受力分布，其固定方式仍有待進一步改善。另外臨床應用中曾出現(xiàn)傷口感染現(xiàn)象，其生物相容性仍有待進一步研究。自體骨顆粒具有很強的骨誘導能力，是公認骨移植的金標準，但其不容易形成椎板形狀并停留在缺損部位。

4 總結(jié)與展望：理想的人工椎板應該具有良好的生物性能和力學性能，即滿足以下條件：有良好的生物相容性，無明顯排斥反應及毒副作用；可降解和適當?shù)慕到馑俾剩挥泄钦T導能力，可重建自體椎管；足夠的力學強度，既可阻擋瘢痕壓迫硬膜，也可維持脊柱穩(wěn)定性；適當?shù)膹椥阅Ａ浚苊鈶φ趽?；較好的韌性和耐磨性。同時其形態(tài)及固定方式也應接近生理解剖以更好的發(fā)揮其生理功能。人工椎板從出現(xiàn)至今，取得了較大的進展，但仍具有各自的問題需解決。從材料來說，同種異體骨來源有限，加工困難，生物相容性有待提高，金屬材料不可降解，生物活性差；陶瓷材料力學強度不足，耐磨性差。從加工方式來說，傳統(tǒng)方式難以加工復雜的假體，且產(chǎn)品大小、形狀難以與術(shù)中切除病灶契合。從固定方式來說，絲線固定無法獲得術(shù)后及時穩(wěn)定性，嵌壓在釘棒系統(tǒng)下又改變釘棒系統(tǒng)的分布。

過往常以復合材料、表面處理等方式改進植入物材料，但隨著骨組織工程學科的發(fā)展，更多以組織工程技術(shù)構(gòu)建的新型材料被研制出來。而3D打印技術(shù)的發(fā)展也為人工椎板的加工提供了一個新的方向。3D打印可在三維數(shù)字模型的基礎上將金屬、塑料、粉末、陶瓷、液體，甚至是活細胞層逐層疊加來制造3D模型[35]，可根據(jù)患者的情況打印出特定形狀和結(jié)構(gòu)的內(nèi)植物且制作時間相對較少，具有精確性、可重復性、安全性的優(yōu)點。3D打印的人工椎板形態(tài)更接近患者自身椎板，也可設計螺釘固定的軌道，使人工椎板的固定更符合自身力學特性，同時可減少術(shù)中裁剪，縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血，從而提升手術(shù)的安全性。目前已有研究者將3D打印的PEEK人工椎板應用于臨床，并取得良好的療效[36]。另外，利用 3D生物打印技術(shù)，可打印具有類似骨小梁的微孔結(jié)構(gòu)的組織工程支架，甚至可以將細胞與支架一起打印[37]，在構(gòu)建骨組織工程人工椎板上具有良好的發(fā)展前景。相信隨著組織工程學、材料學等學科及3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，一種由復合材料組成，采用3D打印技術(shù)的組織工程化人工椎板會在不久的將來被研制出來。