一種新型腰椎間融合器的研制及生物力學評價＊

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)科大學附屬第二醫(yī)院骨科 400010）

隨著臨床經(jīng)驗的不斷累積和技術的提高，脊柱手術適應證范圍的不斷擴大，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技術在進入臨床應用之前有必要對其進行科學的力學測試。本研究設計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，以對植入物的力學性能進行評價。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，設成PBIFC實驗的對照組。實驗采用小牛腰椎骨作為生物力學的實驗標本。

1 材料與方法

1.1 PBIFC的設計制造 新型cage采用可吸收材料多聚氨基酸／硫酸鈣復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材料均由四川國納有限公司提供）。外形設計同非吸收型n－HA／PA66腰椎間融合器。在n－HA／PA66cage基礎上，將上表面截去1.5mm厚，再切去其內(nèi)壁1mm，3mm縱深，即形成PBIFC的下部結構；被截去的部分以新型可吸收材料多聚氨基酸復／硫酸鈣復合材料制成的蓋帽填充代替。蓋上蓋帽后兩部分結合緊密，與原cage外形大小完全一致。整個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，側壁及后壁厚3mm。前高后低，轉角圓潤，兩側壁正中各有一直徑2mm小孔，周邊圓滑，蓋厚1.5mm。夾持口設在cage前方；前側壁正中有一直徑3mm小孔。PBIFC的規(guī)格：外形規(guī)格同原n－HA／PA66cage；長度：26mm；寬度：12mm；總高度：前端12mm，后端相應低2mm，形成的終板夾角約為4°。前壁厚5mm，側壁及后壁厚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 標本制備 選取15具同時期同環(huán)境成長、12個月齡左右、質量約400kg小牛的新鮮腰椎骨及自體髂骨做標本。所有標本排除骨科疾病及創(chuàng)傷后（X線攝片檢查），剔除標本上的軟組織，截取其中的L3／L4部分，制成單獨的腰椎功能節(jié)段；選取大小相當?shù)拿總€節(jié)段，包括上下椎體，椎間盤和韌帶及完好的關節(jié)囊；對標本進行骨水泥（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°，以確保實驗準確性［1］。取自體髂骨塊修整成約26mm×12mm×12mm，前高后低，后端高10mm，對應編號。所有標本雙層塑料袋密封，存放于－20℃低溫冰箱中備用，在測試實驗前約6h取出標本，室溫自然解凍，整個手術過程中保持標本的濕潤。

1.3 方法

1.3.1 三維運動測試 實驗分3組：PBIFC組、髂骨組和n－HA／PA66組。模仿脊柱前路手術，切除待測標本的前縱韌帶，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。

待測標本完全解凍后，將標本上下兩端置于自制的專用夾具中，以夾具前后左右4枚對稱的直徑10mm的平頭金屬螺釘旋緊固定標本的骨水泥表面。準備妥當后，運行力學測試機進行實驗（圖3、4）。正式記錄數(shù)據(jù)前先對準中心施加50N軸向壓縮載荷以消除椎骨及韌帶等的時間－效應因素［1］。依次對各組標本實施加載前屈和后伸、側彎及軸向旋轉（左右）共6種載荷［2］，模擬其生理運動狀態(tài)，記下6種運動狀態(tài)下的具體運動范圍數(shù)據(jù)（ROM）：通過杠桿加載系統(tǒng)對各植入術后的椎體樣本施加純力矩，大小為10N·m。依上所述反復對標本施加3次力矩，加載的速度設定為1.5mm／min，以減少標本時間效應的影響誤差。每次施加載荷及卸載后須等待約1min，待標本自然的蠕變運動，如此得到比較科學和穩(wěn)定的結果。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載荷時的標本運動狀態(tài)。實驗后用專業(yè)的軟件（重慶大學機械工程學院內(nèi)部軟件）逐個分析處理各組樣本各工況的圖像，計算出ROM值以進行統(tǒng)計比較。全部數(shù)據(jù)均由重慶大學機械工程學院自行設計的輸入專業(yè)軟件處理。正常牛腰椎節(jié)段的生物力學性質［1］，見表1。

圖3 MTS 858力學測試機

圖4 PBIFC植入L3／L4模型側彎加載

表1 小牛L3／L4的生理運動范圍（°）

1.3.2 拔出力測試 拔出力測試實驗的分組如前所述。待測量完3組各個樣本的三維運動范圍后，再將標本逐個安放于力學測試機上進行實驗。將備好的待測椎體上下包埋塊用專制的夾具固定在力學測試機上，沿上位椎體中心軸向施加400N載荷。應用特制的夾具夾持固定住待測的髂骨塊、PBIFC和n－HA／PA66椎間融合器，設定1.5mm／min的速度勻速拔出。記下每個髂骨塊、PBIFC、n－HA／PA66椎間融合器樣本的最大拔出力。拔出時保持拔出力線與融臺器縱軸水平，當拔出椎間或拔出力突然下降時停止。

1.3.3 壓縮載荷測試 拔出實驗結束后，重新將拔出的各個植骨塊以及各cage按原路植回椎間。將植入術后樣本固定于夾具中，再將夾具固定連接于力學測試機上下兩端，逐個進行壓縮毀損試驗，擺放標本時準確對準重心，且保持標本水平（圖5）。從零開始勻速加載，速度為1.5mm／min，注意觀察計算機顯示的位移載荷曲線，當位移載荷曲線中的載荷下降時說明植入物毀損壓縮或椎體壓縮性骨折、塌陷；實驗過程中注意適時用0.9%NaCl溶液噴灑測試樣本［2］。計算機的數(shù)據(jù)收集軟件記錄力學測試機的載荷數(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)計學處理 采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件進行分析，計量資料以表示，行單因素方差分析及LSD法。檢驗水準為α＝0.05，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結 果

2.1 三維運動測試 各組L3／L4運動范圍結果，見表2。在各運動工況的加載中，PBIFC組中L3／L4節(jié)段的運動范圍，較n－HA／PA66組增大（圖6），但差異無統(tǒng)計意義（P＞0.05）。髂骨組運動范圍在各運動狀態(tài)下均比其余兩組大，差異有統(tǒng)計意義（P＜0.05）。

表2 腰椎在6種運動狀態(tài)下各組ROM值（n＝5，s，°）

表2 腰椎在6種運動狀態(tài)下各組ROM值（n＝5，s，°）

運動狀態(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左側彎 7.29±1.22 6.68±0.90 8.33±1.05右側彎 6.49±1.20 6.46±1.35 8.32±1.38左側旋 3.47±1.00 3.33±1.06 4.73±0.49右側旋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)計學意義（P＞0.05）；而所測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)計學意義（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模型運動范圍測試結果

圖7 各組小牛L3／L4模型最大拔出力測試結果

2.3 壓縮載荷測試 壓縮載荷測試結果，PBIFC組測得極限載荷平均為（7 197.18±50.55）N；當達到極限載荷時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；當標本處于極限載荷時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%。當被測標本顯示達到最大壓縮強度時，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)計學意義（P＜0.05）；PBIFC組最大抗壓縮力較n－HA／PA66組稍低，但差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），見圖8。

圖8 各組小牛L3／L4模型最大抗壓力測試結果果

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，但是由于其脆性僅被用于非負重部位的修復。n－HA／PA66復合材料的形態(tài)結構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，這些優(yōu)點使其比普通HA具有更好的骨傳導生物活性，力學性能較接近于人類的皮質骨［3］。納米HA的含量為60%的復合物，彈性模量為3～10GPa，抗壓強度為40～90Mpa，這些力學參數(shù)和皮質骨接近，使負重部位的修復成為可能［4－5］。納米HA含量為60%的復合物的生物活性檢測顯示，其植入皮質骨后與骨直接相連，兩者中間沒有纖維組織［6］。目前，n－HA／PA66復合物已經(jīng)在臨床上制作椎間融合器以修復骨科負重部位，臨床結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，在融合后期對植骨仍存在應力遮擋，適宜的壓應力有助于促進骨折愈合、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)的植骨被機體吸收的速度大于椎骨新生骨生成的速度，導致在植骨植入早期椎間融合器內(nèi)植骨界面會出現(xiàn)吸收下降，因此cage對其內(nèi)的植骨形成應力遮擋效應，影響了植骨融合速度及效果。可吸收類cage可以達到隨植骨同時下降的效果而大大降低應力遮擋。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)生嚴重的組織反應，妨礙細胞生長［13］，隨著cage降解，后期強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，達到維持椎間對植骨的壓應力，進而促進融合，而后期椎間塌陷的風險較完全可吸收型cage大大降低。可吸收材料選用新型的硫酸鈣／氨基酸共聚物，具有氨基酸共聚物良好的力學性能，抗壓強度足夠用于人體腰椎融合。

本研究結果顯示，椎間植入PBIFC后，與n－HA／PA66組相比較，在前屈后伸、側彎和軸向旋轉的運動范圍方面的差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；但其植入髂骨塊小，較髂骨組穩(wěn)定，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。拔出力學結果表明，PBIFC組最大拔出力比髂骨植骨組大，差異有統(tǒng)計學意義（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)的椎間融合術金標準，實驗研究顯示，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，能達到臨床上對cage的各力學方面性能需求。壓縮載荷測試中，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，進行極限載荷檢測。本研究結果顯示，n－HA／PA66最大，PBIFC組次之，但兩組差異無統(tǒng)計學意義（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，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荷一般在3 000N以內(nèi)，本實驗所用標本為新鮮小牛腰椎，抗壓強度高于人類椎骨。因此，PBIFC足夠承擔正常人體腰椎所需的載荷，其強度足夠支持腰椎滿足人體各種不同的正常活動要求。

從手術后長期穩(wěn)定性角度考慮，椎體骨性終板的完整性對防止椎間隙塌陷有重要意義。一般而言，主要存在兩個因素可影響融合器的下沉趨勢［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度。另外，融合器的高彈性模量也是下沉原因之一。PBIFC設計初衷是持續(xù)維持其內(nèi)植骨的壓應力以促進植骨融合，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。相對非吸收型cage來說，終板所受壓應力更小，由此減小了遠期終板塌陷、融合器沉降的風險。

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

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