一種新型人工頸椎間盤的生物力學(xué)研究

張勇，朱悅，郝玉琳，李述軍，趙衛(wèi)東

（1.沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院骨二科，沈陽(yáng)110024；2.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，沈陽(yáng)110001；3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所鈦合金研究部，沈陽(yáng)110016；4.南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，廣州510515）

·技術(shù)方法·

一種新型人工頸椎間盤的生物力學(xué)研究

張勇1，朱悅2，郝玉琳3，李述軍3，趙衛(wèi)東4

（1.沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院骨二科，沈陽(yáng)110024；2.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，沈陽(yáng)110001；3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所鈦合金研究部，沈陽(yáng)110016；4.南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，廣州510515）

目的研制一種新型人工頸椎間盤并評(píng)價(jià)其生物力學(xué)特點(diǎn)。方法設(shè)計(jì)一種新型4部件球窩關(guān)節(jié)人工頸椎間盤，使用新型低彈性模量鈦合金（40 Gpa）及醫(yī)用聚醚醚酮制造，應(yīng)用生物材料試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行軸向壓縮剛度及疲勞檢測(cè)，并對(duì)植入人工頸椎間盤后的羊頸椎標(biāo)本進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)檢測(cè)。結(jié)果新型人工頸椎間盤具備前屈、后伸、側(cè)彎功能，經(jīng)過(guò)生物力學(xué)檢測(cè)，人工頸椎間盤符合人體力學(xué)要求，疲勞試驗(yàn)進(jìn)行1×107次，未發(fā)生明顯的損壞及變形。運(yùn)動(dòng)學(xué)研究表明植入羊頸椎標(biāo)本后可以維持羊頸椎標(biāo)本的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求。結(jié)論新型人工頸椎間盤符合人體力學(xué)要求。

假體；椎間盤；生物力學(xué)

頸椎前路減壓植骨融合術(shù)（anterior cervical discectomy and fusion，ACDF）已廣泛應(yīng)用于頸椎病、頸椎間盤突出癥患者的手術(shù)治療。近年來(lái)，由于頸椎融合，特別是多節(jié)段頸椎融合，引起頸椎活動(dòng)度減退，相鄰節(jié)段生物應(yīng)力發(fā)生改變，從而加速相鄰節(jié)段椎間盤退變的現(xiàn)象引起了廣泛的關(guān)注。為解決異常應(yīng)力作用于融合鄰近節(jié)段的問(wèn)題，頸椎人工椎間盤置換技術(shù)（artificial disc replacement，ADR或total disc arthroplasty，TDA）應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)作為當(dāng)今脊柱外科領(lǐng)域最具代表性的頸椎前路非融合技術(shù)。本研究采用新型鈦合金及聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）制成新型人工頸椎間盤并進(jìn)行生物力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)檢測(cè)，判定其是否符合人體力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)需求。

1 材料與方法

1.1 材料來(lái)源

新型低彈性模量高強(qiáng)度鈦合金（Ti-Nb-Zr-Sn）由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所提供。醫(yī)用PEEK購(gòu)自英國(guó)Invibio公司。人工頸椎間盤由山東威高骨科股份有限公司協(xié)助生產(chǎn)加工。

1.2 新型人工頸椎間盤的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

整體設(shè)計(jì)為外形“蘋果型”設(shè)計(jì)，分4部件，上下蓋板采用低彈性模量高強(qiáng)度的特殊鈦合金制成，接觸件為上下球窩關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，材質(zhì)為PEEK。蓋板與接觸件整合采用嵌入技術(shù)（圖1）。

圖1 新型人工頸椎間盤Fig.1 Representitive picture of the new artificial cervical disc

假體活動(dòng)度設(shè)計(jì)為6°，即前屈、后伸、側(cè)彎均為6°，基本滿足人體頸椎間盤活動(dòng)需要。設(shè)計(jì)尺寸參照人體頸椎間盤尺寸，設(shè)計(jì)3種規(guī)格，高度分別為6、7、8 mm，本研究用間盤規(guī)格為14 mm×18 mm×6 mm。

1.3 動(dòng)物標(biāo)本制備

收集9具1年齡左右宰殺的羊頸椎（C2～C4）標(biāo)本，采用2層保鮮膜包裹后-20℃凍存。實(shí)驗(yàn)前在室溫下解凍16～18 h，解凍時(shí)使用生理鹽水保持標(biāo)本濕潤(rùn)。剔除椎體周圍的肌肉、脂肪和結(jié)締組織等軟組織，保證其韌帶完整性，不損傷其骨結(jié)構(gòu)，并通過(guò)攝片排除其骨性結(jié)構(gòu)異常。標(biāo)本的兩端以聚甲基丙烯酸甲酯包埋制成加載平臺(tái)，平行度＜1°。在測(cè)試節(jié)段固定標(biāo)尺，用于記錄脊柱椎間盤的活動(dòng)范圍。測(cè)試過(guò)程中所有標(biāo)本噴灑生理鹽水以保持濕潤(rùn)。

1.4 生物力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)檢測(cè)

1.4.1 軸向壓縮剛度測(cè)試：隨機(jī)選取6個(gè)人工頸椎間盤假體進(jìn)行測(cè)試。將試件安放于特制的壓縮用夾具中，安置在INSTRON-8871材料試驗(yàn)機(jī)（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所提供）上，軸向緩慢加載，加載范圍0～9 000 N，加載速率為4 mm/min，記錄數(shù)據(jù)前進(jìn)行3次加載/卸載，第4次加載開始記錄數(shù)據(jù)，位移傳感器自動(dòng)記錄每次位移與載荷變化，分析結(jié)果并繪制載荷—位移曲線。

1.4.2 軸向壓縮疲勞測(cè)試：隨機(jī)選取6個(gè)人工頸椎間盤進(jìn)行軸向壓縮疲勞測(cè)試。將試件安放于特制的壓縮用夾具中，安置在INSTRON-8871材料試驗(yàn)機(jī)上，疲勞載荷采用靜態(tài)抗壓載荷的24%、34%、44%、40%、44%、64%進(jìn)行加載，載荷比為10，加載頻率10 Hz，反復(fù)進(jìn)行1×107次。每種載荷條件更換新假體，假體出現(xiàn)變形或損壞時(shí)終止測(cè)試，循環(huán)次數(shù)未達(dá)到1×107次為未通過(guò)該條件下疲勞測(cè)試，觀察記錄結(jié)果。

1.4.3 羊頸椎標(biāo)本運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)分組：將制備好的新鮮羊頸椎標(biāo)本固定于脊柱三維試驗(yàn)機(jī)（南方醫(yī)科大學(xué)提供）上，其實(shí)驗(yàn)原理是通過(guò)標(biāo)記物對(duì)脊柱的活動(dòng)進(jìn)行三維掃描，并將圖像傳入電腦進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)分析。依據(jù)Wilke等［1］提出的標(biāo)準(zhǔn)，采集數(shù)據(jù)前對(duì)標(biāo)本進(jìn)行2次預(yù)加載/卸載，以消除標(biāo)本的黏彈性影響，第3次加載時(shí)記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)分組：（1）正常組：通過(guò)試驗(yàn)機(jī)的加載裝置加載24 N（羊頭的平均重量），測(cè)定9具羊頸椎標(biāo)本C2/3、C3/4、C4/4正常活動(dòng)范圍與中性區(qū)（ROM1、NZ1），記錄數(shù)據(jù)；（2）間盤組：將9具羊頸椎C3/4椎間盤切除后植入研究用人工頸椎間盤，測(cè)定C2/3、C3/4、C4/4活動(dòng)范圍與中性區(qū)（ROM2、NZ2），記錄數(shù)據(jù)；（3）融合組：將9具切除C3/4椎間盤的頸椎標(biāo)本采用螺釘交叉固定，模擬融合C3/4節(jié)段，測(cè)定鄰近節(jié)段（C2/3、C4/4）活動(dòng)范圍與中性區(qū)（ROM3、NZ3），記錄數(shù)據(jù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。并經(jīng)過(guò)配對(duì)t檢驗(yàn)驗(yàn)證ROM1、NZ1與ROM2、NZ2；ROM2、NZ2與ROM3、NZ3差異。P＜0.04為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 壓縮剛度測(cè)試結(jié)果

在試驗(yàn)加載范圍內(nèi)，壓縮曲線呈線性變化，全部假體未發(fā)生明顯的變形及損壞（圖2）。

圖2 壓縮載荷-位移曲線Fig.2 Curve of load-displacement

2.2 疲勞測(cè)試結(jié)果（表1）

假體在6種不同循環(huán)載荷加載模式下進(jìn)行疲勞測(cè)試，所有假體經(jīng)過(guò)軸向壓縮疲勞測(cè)試1×107次，未發(fā)生明顯損壞及變形。

2.3 羊頸椎標(biāo)本運(yùn)動(dòng)范圍測(cè)試結(jié)果（表2）

分別獲得9例羊頸椎各組運(yùn)動(dòng)范圍及中性區(qū)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明正常組與間盤組C3/4節(jié)段ROM、NZ相比，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.04）。

比較間盤組與融合組C2/3、C4/4節(jié)段ROM和NZ，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.04）（表3、4）。

表1 軸向壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)Tab.1 Axial compression fatigue test

表2 正常組與間盤組C3/4節(jié)段的比較Tab.2 Comparison of segment C3/4between normal group and prosthesis group

表3 間盤組與融合組C2/3節(jié)段比較Tab.3 Comparison of segment C2/3between normal group and fuse group

表4 間盤組與融合組的C4/5節(jié)段比較Tab.4 Comparison of segment C4/5between normal group and fuse group

3 討論

目前廣泛應(yīng)用的人工頸椎間盤主要包括Bryan、Prestige、ProDisc、PCM、Cervicore以及Mobi-C等類型。與前路椎體間融合術(shù)比較，在保留置換節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍與降低相鄰節(jié)段退變方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)［2，3］。但人工頸椎間盤也出現(xiàn)了假體沉陷、異位骨化、運(yùn)動(dòng)范圍改變以及生理曲度消失等臨床并發(fā)癥［4］，主要是假體材料學(xué)及設(shè)計(jì)學(xué)缺陷所致。本研究研發(fā)的新型人工頸椎間盤的設(shè)計(jì)充分考慮到現(xiàn)有人工頸椎間盤的缺點(diǎn)，采用新型低彈性模量（40 Gpa）相對(duì)高剛度的鈦合金制成上下蓋板，與現(xiàn)有產(chǎn)品材料相比（鈦合金110 Gpa，鈷鉻鉬223 Gpa），模量更加接近椎骨，避免了應(yīng)力集中及遮擋。新型設(shè)計(jì)在上下蓋板偏向后方各設(shè)計(jì)了1個(gè)突出于假體表面1.4 mm的圓形突起，可以更好地適應(yīng)終板形狀，增大受力面積，減小了陷入的危險(xiǎn)。在圓形突起的兩側(cè)分別設(shè)計(jì)了3枚高約1.4 mm的椎狀突起，可使人工假體牢固的固定于上下位椎體間，減少假體滑出的危險(xiǎn)，獲得穩(wěn)定的暫時(shí)固定。而上下蓋板表面進(jìn)行的鈦砂涂層在椎體骨質(zhì)的長(zhǎng)入后則提供了長(zhǎng)期固定。Fong等［4］對(duì)Bryan假體的研究發(fā)現(xiàn)，由于Bryan假體前后高度一致的設(shè)計(jì)使植入后的頸椎喪失了正常的生理曲度，從而導(dǎo)致正常應(yīng)力傳導(dǎo)發(fā)生改變，進(jìn)一步使頸椎的活動(dòng)度改變。針對(duì)這一設(shè)計(jì)缺陷，本研究研發(fā)的新型人工頸椎間盤采用前高后低的楔形設(shè)計(jì)，傾斜角度約為7°，在保證穩(wěn)定性的前提下保留了頸椎的生理前凸，降低了術(shù)后生理曲度發(fā)生改變的幾率。椎骨松質(zhì)骨的壓縮強(qiáng)度為1.44～4.6 MPa，因此，在椎骨未發(fā)生破壞前，可以施加到本研究用假體之上最大的強(qiáng)度為4.6 MPa。本研究設(shè)計(jì)的假體表面積約為270 mm2，據(jù)此計(jì)算，軸向最大載荷應(yīng)不超過(guò)1 242 N，否則就會(huì)引起椎骨的破壞。軸向壓縮載荷-位移曲線顯示，在消除起始階段的預(yù)加力和誤差等因素的影響后，本研究采用的新型人工頸椎間盤在材質(zhì)上具有明顯的性能優(yōu)越性。軸向壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，在壓縮載荷范圍內(nèi)（0～9 000 N），材料呈彈性變形測(cè)試最大載荷超過(guò)引起椎骨破壞承受力7倍以上，假體未出現(xiàn)明顯變形及損壞。說(shuō)明本材料組合具有足夠的強(qiáng)度滿足人體力學(xué)活動(dòng)需要。而所有假體均通過(guò)了按照美國(guó)ASTM F2346標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的力學(xué)測(cè)試，說(shuō)明該假體材料及設(shè)計(jì)安全可靠。PEEK是一種新型特種熱塑性工程塑料，具有彈性模量與皮質(zhì)骨相近、摩擦性能優(yōu)異、可透X線、蠕變量低、惰性高等特點(diǎn)，且生物相容性出色。醫(yī)用植入級(jí)PEEK最早由英國(guó)Invibio公司于1999年開發(fā)，并于20世紀(jì)80年代末首先應(yīng)用于骨科創(chuàng)傷內(nèi)固定器械及股骨柄假體的研究，20世紀(jì)90年代中后期各廠商開始將其應(yīng)用于脊柱椎間融合器。目前已經(jīng)有2種人工椎間盤的PEEK產(chǎn)品研發(fā)，其中NUBAC人工間盤［6］（Pioneer Surgical Technology公司，美國(guó)）的設(shè)計(jì)中帶有PEEK-on-PEEK的球-臼關(guān)節(jié)，該設(shè)備經(jīng)過(guò)全面評(píng)估，包括單向測(cè)試、耦合運(yùn)動(dòng)，結(jié)果顯示該假體具備優(yōu)異的耐磨損性能。Grupp等［7］通過(guò)體外摩擦實(shí)驗(yàn)比較3種用于頸人工椎間盤摩擦界面材料的摩擦數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：PEEK對(duì)PEEK界面的磨損量明顯低于聚乙烯對(duì)鈷鉻界面，而碳纖維增強(qiáng)型PEEK的磨損率更低。有研究表明，由于磨損形成的微小顆粒是引起異位骨化的重要原因之一。鈦合金具有較高的強(qiáng)度，但磨損性能較差；PEEK磨損性能優(yōu)越，強(qiáng)度卻不及鈦合金，因此本研究采用的新型材料組合減少了由于材料因素而引起的并發(fā)癥。與金屬材料相比，PEEK具備更佳的黏彈性行為，更加接近正常髓核組織。與金屬結(jié)構(gòu)相比，可以更加均勻的分散應(yīng)力，降低載荷，這與正常椎間盤可以減少震蕩的功能類似，說(shuō)明該材料組合模式具備一定優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者通過(guò)X線測(cè)量發(fā)現(xiàn)羊頸椎的椎間隙高度與人體頸椎椎間隙高度相近，C3/4節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍與人體接近。因此，采用羊頸椎作為動(dòng)物模型進(jìn)行力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)研究可以獲得滿意結(jié)論。本研究采用羊頸椎標(biāo)本進(jìn)行測(cè)定，正常組C3/4節(jié)段活動(dòng)度范圍ROM分別為前屈7.76°±0.96°，后伸4.47°± 0.31°，側(cè)彎10.13°±0.44°，旋轉(zhuǎn)6.41°±0.89°，與國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道接近［8］。考慮到動(dòng)物品種差異及人為因素影響（如肌肉韌帶保留程度等），本研究采用的羊頸椎標(biāo)本測(cè)定結(jié)果基本可靠。該運(yùn)動(dòng)范圍測(cè)定結(jié)果可以與人體頸椎運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行比較研究。本研究設(shè)計(jì)的假體未限制旋轉(zhuǎn)，然而結(jié)果顯示間盤組旋轉(zhuǎn)角度與正常組無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，提示間盤周圍軟組織及骨性結(jié)構(gòu)對(duì)限制旋轉(zhuǎn)起到一定作用。除此之外，正常組與間盤組的C3/4節(jié)段其他各向運(yùn)動(dòng)范圍比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，證實(shí)了本研究設(shè)計(jì)的人工頸椎間盤的活動(dòng)度基本滿足羊頸椎運(yùn)動(dòng)范圍需要，植入前后相鄰C2/3、C4/4節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍并沒(méi)有發(fā)生明顯改變，說(shuō)明人工頸椎間盤同時(shí)保留了相鄰節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍，與國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致［9］。而正常組的運(yùn)動(dòng)范圍與C3/4節(jié)段融合組相比較，C2/3、C4/4節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍也沒(méi)有發(fā)生明顯改變，這與文獻(xiàn)大量報(bào)道的融合后鄰近節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍減少不符合，然而文獻(xiàn)報(bào)道的融合后相鄰節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍減少大多為長(zhǎng)期隨訪結(jié)果，近期融合后鄰近節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍變化情況鮮有報(bào)道。本研究的測(cè)定結(jié)果為體外瞬時(shí)研究，故該結(jié)果的測(cè)定只能從側(cè)面證實(shí)本研究所用人工頸椎間盤的運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)安全可靠，短期內(nèi)不會(huì)引起相鄰節(jié)段因運(yùn)動(dòng)范圍發(fā)生改變而引起潛在的退行性改變。

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（編輯 王又冬）

BiomechanicalEvaluation ofa NovelDesigned ArtificialCervicalIntervertebralDisc

ZHANGYong1，ZHUYue2，HAOYu-lin3，LIShu-jun3，ZHAOWei-dong4
（1.2nd Division，Department of Orthopedics，Shenyang Medical College，Shenyang 110024，China；2.Department of Orthopedics，The First Hospital，China Medical University，Shenyang 110001，China；3.Titanium Research Department，Institute of Metal Research Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China；4.Biomechanics Laboratory ofSouthern MedicalUniversity，Guangzhou 410414，China）

ObjectiveTo develop a new type of artificial cervical intervertebral disc and investigate the biomechanical characteristics.MethodsA new type of four-part ball and socket joint artificial cervical disc was developed using a new low elastic modulus titanium（40 Gpa）and PEEK. Axialcompression testing and fatigue testing was performed.In addition，kinematics analysis was carried outin sheep cervicalspecimens afterreceiving artificial cervical disc implantation.ResultsThe results showed that the new artificial cervical disc meets the ergonomic requirements with flexion，extension，and lateral bending functions.After 1×107times of fatigue tests，no obvious damage or deformation was observed.Kinematics study also suggested that the cervical spine kinematics can be maintained in these sheep received cervical specimens implantation.ConclusionThe new artificialcervicaldisc can satisfied the requirements in clinicalapplications.

disc prosthesis；intervertebral disc；biomechanics

R681.4

B

0248-4646（2014）04-0341-04

遼寧省醫(yī)學(xué)高峰建設(shè)工程項(xiàng)目（2010012）；遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃（2011224041）

張勇（1978-），男，主治醫(yī)師，博士.

朱悅，E-mail：zhuyuedr@163.com

2014-02-24

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：