新型人工頸椎間盤山羊模型的建立及其研究

婁紀剛，劉浩*，武文杰，李會波，王貝宇，戎鑫

(1.四川大學華西醫院骨科，四川 成都 610041；2第三軍醫大學西南醫院骨科，重慶 400038)

實驗研究

新型人工頸椎間盤山羊模型的建立及其研究

婁紀剛1，劉浩1*，武文杰2，李會波1，王貝宇1，戎鑫1

(1.四川大學華西醫院骨科，四川 成都 610041；2第三軍醫大學西南醫院骨科，重慶 400038)

目的 觀察新型國產人工頸椎間盤植入山羊體內后的效果，為其進一步的改進和臨床應用提供實驗基礎。方法 12只雄性山羊，均行C3～4新型國產人工頸椎間盤置換術。所有山羊于術前及術后不同時間點均行頸椎正側位X線檢查，測量C3～4節段椎間高度(disc height，DH)，椎間角(intervertebral angle，IVA)和脊柱功能單位(functional spinal unit，FSU)Cobb角，并進行統計學分析。結果 所有實驗山羊均成活，無傷口感染，未出現癱瘓。術后第2天，有一只山羊出現聲音嘶啞，但1周后逐漸恢復正常。術前及術后不同時間點的C3～4節段椎間高度、IVA和FSU Cobb角的對比分析顯示，差異均無統計學意義。結論 新型國產人工頸椎間盤系統操作簡便，實驗動物術后并發癥少，且較好的維持了目標節段椎間高度和頸椎生理曲度。

新型頸椎間盤假體；頸椎間盤置換；動物模型；動物實驗；頸椎曲度

人工頸椎間盤置換術的設計理念是使用假體替代原有的椎間盤，行使其功能，達到維持手術節段椎間高度，保留置換節段活動范圍，并可能延緩鄰近節段椎間盤的加速退變[1-3]。因而，近年來人工頸椎間盤置換術成為了脊柱外科領域研究的熱點。但目前國內臨床常用的人工頸椎間盤基本都是進口產品，不僅價格昂貴，而且主要參照歐美人種設計，在尺寸、生物力學方面與亞洲人種有差異[4-5]。因此，研發與國人頸椎間盤的生理特征更相符的國產化人工頸椎間盤產品，是一個十分重要且緊迫的課題。

在此形勢下，我院與江蘇創生醫療器械有限公司等機構合作，共同研發了與國人頸椎間盤的生理特征更相符的國產人工頸椎間盤Pretic-I(國家實用新型專利，專利號ZL201120045610.5)。產品采用球-槽關節設計，由上、下板及1塊半球形的內核組成，上下板材料為鈦合金(Ti6A14V)，內核材料為超高分子量聚乙烯(UHMWPE)[6]。人的尸體頸椎標本作為體外生物力學研究的常用模型得到了廣泛的應用。而該新型國產人工頸椎間盤植入尸體頸椎后的生物力學研究表明，其能有效維持置換節段的運動功能，并可能延緩鄰近節段椎間盤髓核內壓力的過度增加[7]。然而，尸體頸椎標本在幾何形態和機械特性方面變化較大，不能很好的模擬臨床真實狀態；且無法良好反映間盤置換對置換節段椎間高度和頸椎曲度的影響。

因此，本實驗通過建立國產人工頸椎間盤的山羊模型，觀察手術時間、出血量、手術并發癥及術后恢復情況等，并對比分析影像學指標，以評估國產人工頸椎間盤在山羊體內的效果，為其進一步的改進和臨床應用提供動物實驗基礎。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取健康成年雄性山羊12只，年齡2～3歲，體重(29±3.1)kg。術前均行頸椎正側位X線檢查，排除明顯骨病、畸形、外傷、骨質疏松等。將所有山羊隨機編號，均行C3～4椎間盤摘除，Pretic-I新型人工頸椎間盤置換術。術后即刻、3個月、6個月、12個月均行山羊頸椎正側位X線檢查。

1.2 手術方法 術前24 h禁食。術前30 min肌注速眠新Ⅱ注射液合劑1.5 mL，建立靜脈輸液通道，然后以丙泊酚6 mg/kg·h的速度靜滴，麻醉成功后氣管插管。動物采用仰臥位，四肢固定于手術床上，頸部墊高固定，常規手術區消毒鋪巾。沿頸前右側胸鎖乳突肌內側緣作一長7～8 cm斜切口，逐層分離皮下組織、頸闊肌，鈍性分離，從氣管、食管與頸血管鞘之間的間隙進入，直達椎前筋膜。通過觸摸寰椎前結節定位。在兩側頸長肌之間進入，骨膜下剝離，用拉鉤將頸長肌向兩側牽開，顯露C3、C4椎體及椎間盤。切開C3～4椎間盤前方纖維環，髓核鉗盡可能清除髓核組織，采用Caspar撐開器平行撐開目標椎間隙，刮匙及椎板咬骨鉗清除后方殘余纖維環及髓核組織，用高速磨鉆打磨終板，明膠海綿徹底止血。使用Pretic-I專用試模器確定植入假體的大小。試模滿意后于椎體相應位置打孔、開槽，植入確定型號的假體(見圖1)。再次透視頸椎正側位X線片，明確假體位置合適后(見圖2)，沖洗傷口，逐層縫合切口，切口涂抹紅霉素軟膏。

1.3 術后處理 術后無需頸椎外固定護理，正常進食水。術后前3天每日肌注青霉素80萬U，術后第1周每日觀察動物切口、飲食、呼吸、大小便等，且切口每日碘伏消毒，并涂紅霉素軟膏，預防切口感染。

1.4 影像學評估 術前、術后即刻、3個月、6個月、12個月均行山羊頸椎正側位X線檢查。采用矢量繪圖軟件Canvas 11(ACD Systems公司，美國)于頸椎側位X線片上測量C3～4節段椎間高度(disc height，DH)，椎間角(intervertebral angle，IVA)和脊柱功能單位(functional spinal unit，FSU)Cobb角。C3～4節段平均椎間高度為前緣椎間高度、中間椎間高度和后緣椎間高度的均值(見圖3)。采用Cobb法[8]測量C3～4節段IVA，即C3椎體下緣與C4椎體上緣切線的交角；目標節段FSU Cobb角，即C3椎體上緣連線與C4椎體下緣連線的夾角(見圖3)，比較術前、術后DH、IVA與FSU Cobb角的變化情況。

1.5 統計學方法 所有的測量指標均以“均數±標準差”表示，采用SPSS 19.0統計軟件包(IBM公司，美國)進行統計學分析。術前及術后不同時間點測量指標的比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，服從正態分布且方差齊同條件下，采用LSD法；方差不齊條件下，采用Dunnett T3法。檢驗標準為a=0.05。

2 結 果

2.1 一般結果 12只山羊均順利完成C3～4椎間盤置換手術，術后所有山羊均成活，且四肢活動良好，切口均未出現感染，為甲級愈合，未出現癱瘓。術后第2天，有1只山羊出現聲音嘶啞，疑為術中刺激喉返神經所致，1周后逐漸恢復正常。術后山羊頸椎正側位X線片顯示，頸椎間盤假體位置良好，無明顯頸椎不穩等。平均手術時間為(75.0±5.0)min，平均出血量為(5.5±1.5)mL，術后恢復正常活動的時間平均為(5.0±1.3)h。

2.2 影像學結果 山羊術前及術后不同時間點的影像學結果見表1。結果顯示，術后即刻、3個月、6個月、12個月的DH均較術前顯著增加，且差異均有統計學意義(P<0.05)，而術后不同時間點的DH相比，差異均無統計學意義(P>0.05)。術前、術后即刻、3個月、6個月、12個月不同時間點的IVA及FSU Cobb角對比分析顯示，差異均無統計學意義(P>0.05，見表1)。

表1 山羊手術前后不同時間點DH、IVA、FSU Cobb角比較

3 討 論

山羊頸椎與人的頸椎相似，具有7個椎體和6個椎間盤，雖然形態上與人的頸椎有差別，但在解剖結構和尺寸上與人的頸椎最為接近[9-10]。而且，山羊頭部直立，垂直負重，其頸椎的承重軸和力學特點也和人的頸椎相似。因此，山羊頸椎模型是頸椎外科內植物應用于臨床前最常用的實驗動物模型。Kandziora等[11]的研究表明山羊C2～3、C3～4節段的生物力學特性接近人體頸椎。山羊C2～3節段相比C3～4節段，其椎間隙更窄，且活動度也稍差。Wilke等[10]對山羊與人脊柱特點的對比研究也指出，山羊頸椎與人體頸椎有很大的相似性，特別是C3～4節段與人的C5～6節段最為接近。因此山羊的C3～4節段更適合人工頸椎間盤的植入。

a Pretic-I國產間盤 b 植入確定型號的間盤假體

圖1 確定型號的間盤假體植入過程示意

圖2 山羊頸椎正側位X線片示間盤假體位置良好

注：ADH-前緣椎間高度；MDH-中間椎間高度；PDH-后緣椎間高度；DH=(ADH+MDH+PDH)/3；IVA-椎間角，即C3椎體下緣與C4椎體上緣切線的交角；FSU-Cobb角，即C3椎體上緣連線與C4椎體下緣連線的夾角

圖3 山羊頸椎側位X線片上影像學指標測量示意

頸椎間盤置換的目的是有效維持置換節段椎間高度，保持手術節段活動范圍[12-13]。我們將國產人工頸椎間盤植入山羊C3～4節段后，術后即刻、3個月、6個月、12個月的椎間高度相比術前均顯著增加，且差異均有統計學意義(P<0.05)；術后不同時間點的C3～4節段椎間高度對比分析，結果均無顯著性差異，表明新型國產人工頸椎間盤置換后較好的維持了目標節段的椎間高度。另外，術前及術后即刻、3個月、6個月、12個月不同時間點的IVA和FSU Cobb角的對比分析，也表明差異均無統計學意義；且頸椎曲度(FSU Cobb角)與之前的研究結果類似[14]，這表明新型國產人工頸椎間盤較好的維持了C3～4節段IVA和FSU Cobb角，有利于頸椎生理曲度的良好保持。

盡管人工頸椎間盤置換術具有其優勢，但假體相關的并發癥也時有報道。其中，假體下沉是人工頸椎間盤置換術后最常見的假體相關并發癥，發生率約3%～10%[15]。造成假體下沉的原因主要有兩點：一是終板過度打磨，導致其生物力學強度下降；二是間盤假體的形態與頸椎終板不符，或假體尺寸偏小，均造成板-骨接觸面積減小，下沉風險增大[16-17]。而國產間盤假體終板的設計具有一定的凸度，可一定程度的提高假體終板與頸椎終板在形態上的契合度，增加板-骨接觸面積，減少點狀受力，進而減少下沉等并發癥的發生。此外，異位骨化也是頸椎間盤置換術后的一種常見并發癥[18]。但實驗山羊的隨訪研究中，并未發現明顯的下沉和異位骨化的發生。這可能與我們的臨床觀察時間較短和樣本量相對較少有關，仍需進一步的深入研究。而我們對于山羊頸椎屈伸活動范圍的觀察，均是在山羊麻醉的情況下，人為的屈、伸山羊頸椎并拍攝X線片，但該法差異性較大，不能準確反映山羊頸椎的活動情況，值得我們探究一種合適的方式用于評估在體運動狀況。另外，間盤置換術后鄰近節段的退變情況仍需后續的深入研究。

新型國產人工頸椎間盤相比目前臨床常用的人工頸椎間盤，具有如下特點：a)設計上主要參照國人的頸椎解剖特點；b)該間盤上、下板為鈦合金材質，內核采用超高分子量聚乙烯，盡可能減少假體磨損后產生的細小的金屬碎屑，進而減少假體相關并發癥的發生；c)該間盤終板表面設計上具有一定的凸度，與頸椎下終板契合更佳，板-骨接觸面積增大，不僅可提高假體植入后的初期穩定性，并有利于其長期穩定性和減少下沉等相關并發癥。另外，進口產品價格昂貴，人工頸椎間盤國產化后，將更具有價格優勢。但對于國產人工頸椎間盤的臨床有效性和實用性，仍需進一步的深入研究。

[1]Traynelis VC.The Prestige cervical disc replacement[J].Spine J，2004，4(6 Suppl)：310-314.

[2]Ding C，Hong Y，Liu H，et al.Comparison of cervical disc arthroplasty with anterior cervical discectomy and fusion for the treatment of cervical spondylotic myelopathy[J].Acta Orthop Belg，2013，79(3)：338-346.

[3]Peng CW，Yue WM，Basit A，et al.Intermediate results of the Prestige LP cervical disc replacement：Clinical and radiological analysis with minimum two-year follow-up[J].Spine(Phila Pa 1976)，2011，36(2)：105-111.

[4]Dong L，Tan MS，Yan QH，et al.Footprint mismatch of cervical disc prostheses with Chinese cervical anatomic dimensions[J].Chin Med J (Engl)，2015，128(2)：197-202.

[5]Kulkarni AG，Patil VM，Bangalore SK，et al.Cervical footprint anthropometry in Indian population：Implications on design of artificial disc replacement devices[J].Asian Spine J，2016，10 (1)：20-26.

[6]Wu W，Lyu J，Liu H，et al.Wear assessments of a new cervical spinal disk prosthesis：Influence of loading and kinematic patterns during in vitro wear simulation[J].Proc Inst Mech Eng H，2015，229 (9)：619-628.

[7]婁紀剛，劉浩，李元超，等.一種新型人工頸椎間盤置換的生物力學研究[J].生物骨科材料與臨床研究，2016，13 (3)：10-13.

[8]Lim MR，Girardi FP，Zhang K，et al.Measurement of total disc replacement radiographic range of motion：a comparison of two techniques[J].J Spinal Disord Tech，2005，18 (3)：252-256.

[9]Cain CC，Fraser RD.Bony and vascular anatomy of the normal cervical spine in the sheep[J].Spine (Phila Pa 1976)，1995，20 (7)：759-765.

[10]Wilke HJ，Kettler A，Wenger KH，et al.Anatomy of the sheep spine and its comparison to the human spine[J].Anat Rec，1997，247 (4)：542-555.

[11]Kandziora F，Pflugmacher R，Scholz M，et al.Comparison between sheep and human cervical spines：an anatomic，radiographic，bone mineral density，and biomechanical study[J].Spine (Phila Pa 1976)，2001，26 (9)：1028-1037.

[12]Heller JG，Sasso RC，Papadopoulos SM，et al.Comparison of BRYANcervical disc arthroplasty with anterior cervical decompression andfusion：clinical and radiographic results of a randomized，controlled，clinical trial[J].Spine (Phila Pa 1976)，2009，34 (2)：101-107.

[13]R?hl K，R?hrich F.Artificial disc versus spinal fusion in the treatmentof cervical spine degenerations in tetraplegics：a comparison of clinicalresults[J].Spinal Cord，2009，47 (9)：705-708.

[14]郭永飛，陳德玉，劉巖，等.可調控式頸椎融合固定器實驗山羊模型的建立[J].第二軍醫大學學報，2008，29 (3)：290-293.

[15]Lin CY，Kang H，Rouleau JP，et al.Stress analysis of the interface between cervical vertebrae end plates and the Bryan，Prestige LP，and ProDisc-C cervical disc prostheses：an in vivo image-based finite element study[J].Spine (Phila Pa 1976)，34 (15)：1554-1560.

[16]戎鑫，劉浩，龔全，等.頸椎下終板矢狀面形態分型[J].中國矯形外科雜志，2015，23 (5)：406-411.

[17]婁紀剛，劉浩，戎鑫，等.頸椎下終板冠狀面形態分型[J].中國矯形外科雜志，2016，24(7)：648-652.

[18]Yi S，Shin DA，Kim KN，et al.The predisposing factors for the heterotopic ossification after cervical artificial disc replacement[J].Spine J，2013，13 (9)：1048-1054.

Establishment of Novel Artificial Cervical Disc Goat Model and Related Study

Lou Jigang1，Liu Hao1，Wu Wenjie2，et al

(1.Department of Orthopaedics，West China Hospital，Sichuan University，Chengdu 610041，China；2.Department of Orthopaedics，Southwest Hospital，The Third Military Medical University，Chongqing 400038，China)

Objective To observe the effect of novel domestic-made artificial cervical disc in vivo with goat model，in order to provide an experimental basis for further improvement and clinical application.Methods 12 male experimental goats underwent C3～4novel domestic-made artificial cervical disc replacement.All the goats were examined preoperatively and postoperatively on anteroposterior and lateral radiographs.The disc height (DH)，intervertebral angle (IVA) and functional spinal unit (FSU) lordosis angle were measured and analyzed statistically.Results All experimental goats survived after operation，without incision infection and paralysis.Hoarseness occurred in one goat the second day after operation，and disappeared one week later.Statistical comparison in DH，IVA and FSU lordosis angle at C3～4segment showed no significant difference among different time points.Conclusion Novel domestic-made artificial cervical disc system is easy to operate，has less complications，and can maintain the postoperative disc height and cervical spinal curvature well.

new cervical disc prosthesis；cervical disc replacement；animal model；animal experiment；cervical curvature

1008-5572(2017)05-0426-04

四川省科技支撐計劃(2014SZ0236)；國家實用新型專利：一種人工椎間盤(ZL201120045610.5)；*本文通訊作者：劉浩

R322.7+1

A

2016-11-04

婁紀剛(1988- )，男，博士研究生在讀，四川大學華西醫院骨科，610041。

婁紀剛，劉浩，武文杰，等.新型人工頸椎間盤山羊模型的建立及其研究[J].實用骨科雜志，2017，23(5)：426-429.