人工髓核假體材料的研究進展

高玲娣，婁彤，黃菊英

首都醫科大學 a.衛生管理與教育學院；b.基礎醫學院；c.生物醫學工程學院，北京 100069

椎間盤位于兩椎體之間，由髓核、纖維環和透明軟骨板三部分構成，對腰椎受到的沖擊起緩沖作用。腰椎間盤突出主要是指因腰椎的纖維環破裂和髓核組織突出壓迫和刺激相應水平的一側或雙側坐骨神經所引起的一系列體征?，F代大部分工作需要人們長期坐在電腦前，這使得腰椎間盤突出的發病率越來越高，其中約10%～18%的病人需要通過手術治療。治療腰椎間盤突出癥的傳統手術方法是髓核摘除，然而該方法存在著諸多弊端，比如會導致患者術后腰椎承載力不均等，而人工髓核假體的出現給腰椎間盤突出癥的治療提供了新的思考方向，患者有可能通過人工髓核植入手術達到完全治愈的目的。

1 髓核摘除對腰椎的影響

國內外學者運用有限元思想及實體建模法對髓核摘除效應做了大量實驗研究，比較了髓核摘除前后，腰椎在大小相同、類型不同負荷下的受力變化[1]：

相比于髓核摘除前：① 相同垂直壓縮負荷下，髓核切除節段的相鄰椎體及其纖維環與髓核后方的壓力上升，余下的壓力下降，并且其兩側的小關節內壓力升高。② 相同前屈壓縮大小負荷下，髓核切除運動節段的髓核前方、上下方椎體受力增高；纖維環前方壓力升高，后方張力升高；其雙側小關節內壓力降低。③ 相同后伸壓縮負荷下，髓核切除運動節段上下椎體、纖維環的前方張力增高，后方壓力增高；髓核前方壓力降低，后方壓力升高；雙側小關節內壓力升高。④ 相同側彎壓縮負荷下，髓核切除運動節段髓核、纖維環、上下椎體，都表現為為左側壓力下降，右側壓力增高；左側小關節受到的張力轉變成壓力，右側小關節內壓力增高。

2 人工髓核假體

2.1 概述

國內外的臨床實踐顯示，單純髓核摘除對于治療腰間盤突出癥有積極的意義[2]，但它的長期療效并不理想，術后復發率較高。為解決這些問題，國內外學者進行了多項研究，其中人工髓核假體替換是各方關注的焦點。

人工髓核假體是一種植入性材料，可通過吸收組織液膨大，替換掉干燥無功能的髓核，保持椎間盤的完整性。作為髓核的替代物，人工髓核假體首先一定要有與髓核相似或相同的彈性和生物力學特性，以彌補髓核摘除給腰椎帶來的力學特性的變化；其次作為植入材料，人工髓核假體還要具有良好的生物相容性與耐用性，無毒、不會致畸致癌、不會導致體內產生反應、不能被降解或與機體產生排斥反應；同時，人工髓核假體還要耐磨、低損耗，能夠承擔一定負荷，通過抗疲勞測驗，順應性好；最后植入要方便易行，材料大小尺寸要合適[3]。

2.2 人工髓核假體材料類型

經過國內外學者不斷地試驗與測試，黏性材料水凝膠成為人工髓核假體的重要材料，它屬于三維可吸收聚合物，有著與生理髓核組織相似的能夠根據所受負荷吸收和釋放水分的特性[4]。人工髓核假體分為兩種：預制型和可注射型，前者與生理髓核相似，大小固定；后者則是將不同的單體置入后聚合形成的彈性體，這些材料目前都還處于評測階段[5]。

2.2.1 預制型人工髓核假體

該種人工髓核假體在植入之前已經成型。

預制型人工髓核假體（Prosthetic Disc Nucleus，PDN）是目前研究較多、臨床效果較好的假體類型。它是20 世紀90年代中期由Raymedica公司開發的，主要由3部分組成：由聚丙烯腈-聚丙烯酰胺共聚物組成的水凝膠內核，具有延伸性但沒有彈性的超高分子聚乙烯纖維外套外層，便于術中X射線定位和術后隨訪的鉑銥合金線。預制型人工髓核假體通過脫水縮小體積進入人體，經過水合膨脹恢復假體形狀，維持椎間高度。

Newcleus假體主要成分是聚碳酸氨基甲酸酯彈性體，通過彎曲形成特定的螺旋狀，經拉直進入人體，在椎間隙被壓縮，可承擔一定壓力。試驗表明，在1200 N作用力下，Newcleus假體已經通過了5000多萬個循環測試，結果中沒有出現顯著的磨損和微小裂隙。

Aqarelle假體主要成分為半脫水的聚乙烯醇凝膠，經動物模型測試，其生物相容性與力學性能都較好，且含水量高，可根據椎間壓力調整含水量，控制高度。預制型人工髓核假體還包括NeuDisc假體、Regain假體、IPD假體等，都是由粘彈性材料制成，注入后可在椎間隙調整含水量，來維持椎間隙的距離。

2.2.2 可注射型人工髓核假體

該種人工髓核假體是將可塑性的材料注入椎間隙，在椎間隙成型。

其中，DASCOR假體由亞甲基-二苯基二異氰酸酯和聚氨酯兩部分組成，材料具有可塑性，可通過一個小的切口，在椎間隙形成髓核假體，具有很好的彈性、柔韌性和機械強度。

BioSic假體是由蛋白水凝膠材料制成的可注射型的人工髓核假體，由牛血清蛋白溶液和戊二醛溶液按比例混合，經椎間盤切口注入并填滿椎間隙內空隙，經共價鍵發生交聯作用，形成一個富有彈性而又柔韌的水凝膠內植物，并與周圍正常組織相互結合。

還有NuCore假體、IDN假體等，都是由可塑性的材料制成，經切口進入并填滿椎間隙，形成髓核假體。不過，該類假體注射的液體單體有流出的危險，可對其它組織產生毒害，威脅人體安全；各單體聚合過程中會產生熱量，可能會損傷終板和纖維等。

2.3 人工髓核假體對腰椎穩定性的影響

眾多研究表明，人工髓核可代替功能喪失的髓核，能夠維持腰椎的固有高度和結構的完整性。纖維環與髓核假體相連，可以使腰椎的正常生理活動得到恢復，患者的疼痛得到緩解[6]。

這些研究采用自身對照的方式，將正常腰椎節段、髓核摘除與人工髓核假體植入在下述六種運動中的情況進行了對比[7-8]:在做向前彎屈、向后伸展、向左彎屈、向右彎屈、以節段為軸向左旋轉及以節段為軸向右旋轉運動時，人工髓核假體植入的腰椎比單純髓核摘除的腰椎的運動范圍度明顯減小，與正常腰椎無明顯差異。

研究還發現，人工髓核假體植入后，腰椎高度可以回復到初始狀態，并且隨著負荷的增加，椎間盤的形變要比髓核摘除前的形變小很多。

2.4 人工髓核假體存在的問題

人工髓核假體植入為腰椎間盤突出癥的治療帶來了新的曙光，與單純的髓核切除相比，在治療腰椎間盤突出的同時，它更好地維持了腰椎的穩定性，保留了脊柱的完整性，臨床應用顯示其短期療效較好[9]。

但同時，人工髓核假體植入還是一個進行中的研究，還有許多問題需要解決，比如部分患者在進行人工髓核假體植入時出現軟骨終板及假體下沉的現象，可能與髓核假體彈性模量過高有關[10]。預制型人工髓核假體大小固定，植入時往往需要除去相應大小的纖維環，纖維環的完整性會遭到破壞。此外植入的髓核假體還可能會出現移位或被擠出的現象，甚至出現嚴重的根性癥狀。中遠期臨床療效觀察發現植入術后患者早期癥狀雖然緩解明顯，但椎間隙高度不能長期維持，術后節段活動度逐漸減少，下腰痛逐漸加重。有研究認為人工髓核置換術與單純髓核摘除術治療腰椎間盤突出癥的中期療效大致相當，而且存在一些較為嚴重的并發癥[11-12]。

3 展望

目前，人工髓核假體的臨床應用雖然具有一定的療效，但還有很多不足，存在著許多問題。首先，臨床上的研究與應用時間還比較短，需要不斷地去實踐驗證；其次，植入假體可能會導致不同的并發癥，在手術前一定要做好應對各種可能出現的問題的準備；還要根據患者不同的體質情況選擇不同的假體材料，盡量避免術后相鄰節段后凸、假體下沉脫出等問題[13]，減輕病人的痛苦。人工髓核假體雖然造成的切口較小，但畢竟材料的能力有限，不能完全代替人體真正的髓核，還不能很好地執行髓核的功能，因而需要進行更多的研究，以期能夠找到可滿足身體需要的人工髓核假體。

[1]王華,黎偉凡,林博文.腰椎間盤摘除三維有限元模型的生物力學分析[J].中國臨床康復,2006,10(17):134-136.

[2]陳學明,劉亞東,許崧杰,等.單節段腰椎間盤突出癥單純髓核摘除術后10年以上隨診觀察[J].中國脊柱脊髓雜志,2011,21(8):644-649.

[3]Boelen EJ,Van Hooy-Corstjens CS,Bulstra SK,et al.Intrinsically radiopaque hydrogels for nucleus pulposus replacement[J].Biomaterials,2005,26(33):6674-6683.

[4]Aviad Sasson,Shachar Patchornik,Rami Eliasy,et al.Hyperelastic mechanical behavior of chitosan hydrogels for nucleus pulposus replacement-experimental testing and constitutive modeling[J].J Mech Behav Biomed Mater,2012,(8):143-153.

[5]李海俠,鄒德威,陸明.人工髓核假體的研究進展及其發展方向[J].中國組織工程研究與臨床康復,2011,15(13):2429-2433.

[6]Tsantrizos A,Ordway NR,Myint K,et al.Mechanical and biomechanical characterization of a polyurethane nucleus replacement device injected and cured in situ within a balloon[J].SAS Journal,2008,2(1): 28-39.

[7]李玉成,邢星,孫文才.人工椎間盤及髓核假體的生物力學[J].中國組織工程研究與臨床康復,2012,16(22):4169-4172.

[8]黃曹,盧玲,瞿東濱,等.新型人工髓核材料--果膠/聚乙烯醇復合水凝膠的制備及其溶脹性能[J].復合材料學報,2008,25(1):69-74.

[9]姚女兆,張忠民,周榮平,等.新型人工髓核植入對腰椎穩定性影響的生物力學研究[J].中國臨床解剖學雜志,2009,(6):90-92.

[10]金大地,趙亮,瞿東濱,等.腰椎間盤人工髓核置換術后中期療效分析[J].中華骨科雜志,2007,27(5):326-330.

[11]馬遠征,薛海濱,陳興,等.人工髓核置換術治療腰椎間盤病變的中遠期隨訪結果[J].中華外科雜志,2008,46(5):350-353.

[12]牛軍濤,吳小濤,陸軍.人工髓核假體置換術治療腰椎間盤突出癥中期療效評價[J].中國基層醫藥,2011,18(6):727-728.

[13]李志遠,申勇,張英澤,等.人工頸椎間盤置換術對鄰近節段生物力學影響的三維有限元分析[J].中國矯形外科雜志,2009,17(7):523-252.