EBM鑄造多孔鈦合金腰椎間融合器的可行性

吳大鵬 萬廣 彭玲 李鵬輝 謝會彬 宋凱 梁秋冬 李鵬 毛克亞

(1新鄉醫學院第一附屬醫院骨科，河南 新鄉 453100；2武漢市第四醫院；3重慶市人民醫院；4中國人民解放軍總醫院骨科)

腰椎退行性疾病、腰椎不穩定、脊柱畸形是脊柱外科較多見的疾病，治療方案包括保守治療、手術治療，對于合并腰椎不穩的患者，腰椎融合術仍是手術治療的金標準，隨著外科手術不斷微創化，手術方法也在向減少患者痛苦、快速康復、優質康復的方向發展，醫療器械的不斷進步發展也在一定程度上促進了骨科的發展，傳統手術方法取患者自身髂骨填充植骨，增加了并發癥及術后疼痛發生的概率。隨著椎間融合器的廣泛應用，其在充分利用椎板減壓骨質、避免取髂骨的同時，又能有效恢復椎間高度，輔助后方內固定增加脊柱初始穩定性，為脊柱融合創造有利條件，顯著提高椎體間融合率〔1〕，眾多椎體間融合材料、器械已用于臨床。材料從最初的不銹鋼，發展到如今的鈦合金、鉭合金、高強度碳纖維、高分子聚合物(如聚醚醚酮)、可吸收生物材料等。盡管這些材料已在臨床廣泛應用，但許多問題仍未解決，如金屬融合器過高的彈性模量造成相鄰椎體內沉降，從而影響椎體間融合。PEEK材料融合器的生物彈性模量雖然與人體皮質骨相近，有更好的力學傳導，但仍存在椎間融合器致密性較高，骨組織難以長入等缺陷。研究顯示〔2〕，在巴馬小型豬建立髖臼缺損模型，制備個性化3D打印多孔鈦合金加強塊置于缺損處，結果顯示3D打印多孔鈦合金加強塊具有良好的骨組織生物相容性和生物力學性能。本研究采用EBM鑄造的多孔鈦合金融合器，植入巴馬小型豬腰椎椎間隙，分析其用于腰椎椎體間融合的可行性，為研發一種新型椎間融合器奠定基礎。

1 材料與方法

1.1實驗動物 選用54頭成年巴馬豬，單頭飼養在新鄉醫學院第一附屬醫院生命科學中心實驗室，體重30～35 kg，所有實驗動物按照動物使用原則進行實驗，術前禁食水24 h，術后3 d，肌肉注射青霉素鈉120萬IU/d。

1.2藥品及器材 戊巴比妥鈉(華北制藥);注射用青霉素鈉(80萬IU，華北制藥);10%甲醛溶液(新鄉醫學院第一附屬醫院生命科學中心);實驗動物手術臺(新鄉醫學院第一附屬醫院生命科學中心);脊柱手術器械(蘇州優貝特);高分辨小動物微型CT(Siemens 公司，德國);硬組織切片機(Leica 公司，德國)；萬能材料實驗機(Instron，美國)。

1.3椎間融合器 普通鈦合金椎間融合器(蘇州優貝特)；EBM鑄造的多孔鈦合金椎間融合器(中諾恒康公司)；本研究技術方法及實驗內容均經新鄉醫學院第一附屬醫院倫理部門審核并批準，該研究項目符合相關實驗動物使用倫理的規定，同意開展此次研究。

1.4手術方法 氣管插管全身麻醉成功后，將動物固定于手術臺上，取右側臥位，于左側腹部、背部術區備皮，依次碘伏消毒，鋪無菌手術巾。在腰5椎體后正中線旁開7 cm，做一長約15 cm縱行切口，依次切開皮膚、皮下組織、深筋膜，分離椎旁肌肌間隙顯露橫突，牽開椎旁肌肉顯露椎體側面。仔細分離并結扎腰4/5椎旁動脈和靜脈叢，仔細游離相應椎體旁神經根加以保護并顯露相應椎間隙，切開后縱韌帶及纖維環，髓核鉗咬出部分髓核組織后，依次用絞刀、刮匙處理腰4/5椎間盤組織。測量椎間隙高度，取部分橫突咬碎留作備用。試模測試后，植入碎骨粒，根據分組不同，植入合適大小不同類型的鈦合金椎間隔合器，安放鈦板，擰緊螺釘并。徹底止血后，生理鹽水沖洗術區，觀察術區無明顯活動性出血，依次縫合深筋膜、皮下組織、皮膚，無菌敷料覆蓋傷口。所有動物手術由本文作者及助手完成。多孔鈦合金椎間融合器組(實驗組)和普通鈦合金椎間隔合器組(對照組)各27例。

1.5一般情況 記錄術中情況及術后進食、精神、活動、切口是否有紅腫、滲出情況，常規予以切口換藥處理。

1.6Micro-CT檢測 在術后4、12、24 w處死18只，并分別取腰1～5完整的腰椎標本，注意保留兩側關節囊和韌帶的完整性。將標本行Micro-CT掃描，采集圖像后經3D可視化重建及配套骨骼分析軟件處理，選擇椎體內材料植入感興趣區域，測算骨密度、骨體積分數、骨小梁厚度、骨小梁數量。

1.7腰椎生物力學測試-融合器的穩定性測試實驗 術后12 w，兩組共18只在經過MicroCT測試后，取出手術節段椎體，在600 N最大負荷下，測量兩組在側屈、旋轉、屈曲、后伸4個方向的活動度情況，按照實驗操作流程處理。

1.8組織學觀察 進一步處理經Micro-CT檢查的組織標本，制備硬組織切片，采用徠卡硬組織切片機將標本切成約150 μm薄片以備組織學觀察，保證每份切片標本涵蓋多孔金屬的每個層面，然后打磨至40～50 μm，采用Masson三色法染色，制作好切片后封片采用倒置相差顯微鏡攝片評估計算骨長入情況。

1.9統計學分析 采用SPSS26.0軟件進行t檢驗、方差分析及χ2檢驗。

2 結 果

2.1術后一般情況 兩組與普通鈦合金cage組腰椎融合手術順利完成，手術時間約1 h，術程順利，術中未損傷血管、神經，術后動物活動良好。實驗組術后無切口感染發生，少許切口滲出，予以換藥處理后愈合良好，對照組1只動物出現部分切口裂開予以換藥后愈合。動物均存活至實驗完成。

2.2Micro-CT檢測結果 隨著時間延長，兩組骨密度、骨體積分數、骨小梁厚度、骨小梁數量逐步增大，且兩組各時間點比較差異均有統計學意義(均P<0.05)，見表1。

表1 兩組術后不同時間點骨形成相關指標比較

2.3兩組脊柱穩定性比較 在施予600N載力負荷情況下，實驗組前屈、后伸、側屈、旋轉4個方向活動度小于對照組，差異有統計學意義(P<0.001)。見表2。

表2 在600 N載力負荷下兩組椎體活動度比較

2.4組織學觀察 實驗組可見成熟骨組織逐漸從周圍長入融合器內部。術后4 w融合器周圍為不成熟的骨組織，融合器內可見少許不成熟骨組織；術后12 w，融合器周圍可見部分成熟骨組織，融合器內部可見部分成熟的骨組織，但數量較少；術后24 w發現融合器內部及四周成熟骨組織較術后12 w明顯增加，切片可見融合器內有微小血管形成并長入。對照組：融合器內部可見有部分成熟骨組織和纖維組織逐漸從四周小孔長入椎間隔合器；術后4 w融合器周圍植骨基本吸收，周圍可見少許不成熟的骨組織和纖維結締組織；術后12 w椎間隔合器內部和四周小孔處的骨組織為少許不成熟骨組織；術后24 w椎間隔合器內部和四周小孔處可見到成熟骨組織，混合部分纖維組織及成熟骨質，見圖1。

圖1 兩組術后4、12、24 w組織學觀察(×200)

3 討 論

腰椎椎間融合術作為脊柱畸形、退行性椎間盤疾病和退行性腰椎滑脫患者的手術治療已日益普及，特別是對于通過保守治療未得到改善的患者。腰椎椎間融合術的常見手術方法包括后腰椎椎間融合術(PLIF)、經椎間孔腰椎椎間融合術(TLIF)、外側腰椎椎間融合術(LLIF)、斜交腰椎椎間融合術/腰大肌前融合術(OLIF/ATP)、前腰椎椎間融合(ALIF)〔3〕及微創經腰椎間孔椎間融合術TLIF(Mis-TLIF)〔4〕等術式。從簡單的單純植骨融合到伴有椎弓根內固定輔助，大多數融合器需要后外側椎弓根螺釘和連接棒來維持脊柱穩定性直到融合發生，但一些在前路和側向入路期間使用的椎間融合器可以與鋼板固定結合使用，或包含集成的螺釘或楔塊，以便立即穩定并避免患者重新放置椎弓根螺釘和連接棒。從椎間融合器植入替代塊狀自身髂骨，再到脊柱微創技術的廣泛開展，腰椎融合技術正在朝精準、微創、快速康復、優質康復一步步創新、發展和完善〔5，6〕，椎間融合設備也不斷更新，包括金屬類、PEEK材料、膨脹性融合器及各類可吸收的椎間融合器〔7〕，這些發展都為實現更好的融合率和腰椎融合手術的臨床效果做出了貢獻，但融合器在臨床使用過程中依舊面臨諸多挑戰及問題，如金屬鑄造的融合器彈性模量高于正常人體骨質，在鄰近椎體終板內沉降、影響椎體間融合，PEEK材料融合器的生物彈性模量雖然與人體皮質骨相近，有更好的力學傳導，但仍存在椎間融合器致密性較高，骨組織難以長入等缺陷〔8〕，發生融合器移位、松動，最終造成脊柱不穩定，需要再次翻修手術。

隨著3D打印技術的發展尤其是EBM技術在組織工程中的應用〔9〕，多孔金屬鑄造的融合器應用到椎間融合手術成為了可能。本研究采用了EBM技術鑄造的多孔鈦合金椎間融合器，具有外表面粗糙、疏松的多孔結構，同時與人體的彈性模量相匹配，良好的生物相融性、耐腐蝕性〔10，11〕。具有更快的融合時間和即時穩定的優點，同時最大分散高度也降低了，彎曲和伸展的穩定性較普通鈦合金融合好，沉降率更低。已有多項研究表明生物材料粗糙的外表面有利于骨細胞的黏附、爬行、增殖和分化〔12，13〕。EBM打印多孔鈦合金融合器的多孔隙結構為骨組織成骨細胞的黏附、微血管長入提供有利環境，通過空隙結構有利于營養物質的交換，實現骨組織細胞長入和血管供應獲得長期的生物力學穩定。本研究采用的多孔鈦合金融合器的彈性模量約為16 Gpa，其生物力學特性與皮質骨(3.20 Gpa)最為接近，遠低于普通鈦合金的彈性模量(50.90 Gpa)，因此EBM鑄造的多孔鈦合金椎間融合器的應力遮擋明顯小于普通鈦合金，而彈性模量適中，使得對成骨影響遠小于普通鈦合金〔14，15〕。椎間融合器技術已在脊柱外科手術中顯示出令人鼓舞的進展，多孔結構和粗糙表面增加了椎間融合器與椎體終板及成骨微環境的有效接觸面積，有利于人體微血管的長入和營養成分的傳送，因此EBM鑄造的3D打印多孔金屬在椎間融合方面一定會有廣闊的臨床應用前景，會在提高脊柱的固定率和整體臨床療效方面發揮巨大作用〔16～18〕。

本研究結果表明，EBM鑄造的多孔鈦合金融合器有良好的骨長入，其融合效果較對照組更佳，表明脊柱穩定性較對照組增強〔19〕。但本研究尚存在許多不足，由于巴馬豬為四足觸地動物，與直立行走的人類差異明顯，故在實驗時應充分考慮脊柱生物力學性能的不同，生物力學長期穩定性尚需要進一步觀察和完善，本實驗動物例數尚不充足，有待擴大標本數量做進一步探討。

綜上，EBM鑄造的多孔鈦合金融合器，將其用于腰椎融合，具有良好的生物相容性、骨誘導性，優良的融合能力，足夠的剛性及與骨骼相接近的彈性模量，具有廣泛的臨床應用前景。