生物材料在脊柱融合重建中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望*

宋躍明 楊曦

(四川大學(xué)華西醫(yī)院骨科·骨科研究所，四川 成都 610041)

脊柱融合重建技術(shù)是恢復(fù)脊柱穩(wěn)定性以及正常承重功能最常用的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于所有脊柱疾病(退變、創(chuàng)傷、腫瘤等)的外科治療之中。融合是脊柱融合重建技術(shù)中最核心的部分。因此，選擇何種植骨材料來實現(xiàn)更快速、更堅強(qiáng)的脊柱融合一直以來都是脊柱外科的關(guān)注焦點。自體骨具有優(yōu)異的骨誘導(dǎo)性以及傳導(dǎo)性，是脊柱融合中的 “金標(biāo)準(zhǔn)”材料[1]。但脊柱融合術(shù)中常規(guī)操作時常不能獲得足量的自體骨用以植骨。此時，人工合成的生物材料的輔助應(yīng)用能夠有效彌補(bǔ)自體骨植骨量的缺乏，規(guī)避在患者其他部位取自體骨(如髂骨)所帶來額外損傷和風(fēng)險，具有極大的臨床應(yīng)用價值和市場前景。目前，應(yīng)用于脊柱融合的生物材料種類眾多，且新型產(chǎn)品層出不窮。而這些生物材料成骨活性和實際功效如何？臨床應(yīng)用過程中又有哪些問題？其未來的改進(jìn)方向是什么？圍繞這些問題，在此，我們就脊柱融合中生物材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望做一述評。

1 填充植骨材料

在脊柱融合重建術(shù)中，有大量不同的操作步驟需要填充植骨，如最常見的在脊柱椎板間及橫突間的后外側(cè)植骨(Posterior-lateral Fusion, PLF)、 椎體-椎體之間植骨(椎間融合)以及椎體內(nèi)缺損的填充植骨。為了彌補(bǔ)脊柱融合手術(shù)本身能夠獲取的自體骨的不足，許多不同的生物材料被制備成人工骨材料應(yīng)用于脊柱融合術(shù)中。目前臨床上常用的填充植骨材料主要包括鈣磷無機(jī)鹽和硅基無機(jī)鹽材料。

1892年，德國學(xué)者Dressmann通過實驗發(fā)現(xiàn)填充硫酸鈣材料進(jìn)入骨膜下方的骨缺損區(qū)域，能夠促進(jìn)血管和新骨的長入。這一特性便是我們現(xiàn)在已經(jīng)熟知的骨傳導(dǎo)作用，而硫酸鈣材料是目前臨床脊柱融合最常用的人工骨材料之一[2-3]。20世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)β-磷酸三鈣(β-Tricalclum phosphate,β-TCP)及羥基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)材料具有與硫酸鈣類似的骨傳導(dǎo)性以及成骨活性。HA與自然狀態(tài)下人類骨骼無機(jī)鹽成分構(gòu)成相似，鈣磷離子交換能力強(qiáng)，但可吸收性差；β-TCP是HA高溫煅燒后的產(chǎn)物，其生物溶解性比HA要強(qiáng)很多，但成骨能力弱于HA材料。而目前臨床上應(yīng)用較多的雙相磷酸鈣(Biphasic calclum phosphate,BCP)材料實際上是不同比例HA與β-TCP混合，從而具備更適合脊柱融合的降解率和成骨活性[4-5]。1969年，美國的L.L.Hench教授發(fā)現(xiàn)硅基生物活性玻璃(Bioactiveglass,BAG)材料在與植入體內(nèi)與體液接觸后，表面會形成與骨組織類似的HA礦化層，與宿主骨組織形成緊密的化學(xué)鍵合，具有優(yōu)異的成骨活性[6]。到20世紀(jì)末，BAG也正式作為人工骨材料被廣泛應(yīng)用于臨床脊柱融合術(shù)中，并獲得良好臨床療效[7]。

從已被臨床普遍接受并廣泛應(yīng)用的填充植骨材料來看，應(yīng)用于脊柱融合重建中的該類材料往往對力學(xué)強(qiáng)度無太大的要求，但要求其必須具備優(yōu)異的成骨生物活性(植入體內(nèi)能夠在材料表面形成類骨磷灰石層)以及骨傳導(dǎo)性(具備多孔支架結(jié)構(gòu)，利于骨爬行替代生長，并最終與新骨組織完全整合)。盡管硫酸鈣、磷酸鈣以及生物活性玻璃材料屬性不同，但是臨床上應(yīng)用這幾種材料進(jìn)行脊柱融合的總體效果并未表現(xiàn)出顯著的差異。保障其融合效果的一個重要前提需要我們充分理解材料性能，從而規(guī)范地應(yīng)用于臨床。現(xiàn)有的無機(jī)鹽人工骨材料是作為自體骨植骨不足時的補(bǔ)充材料，而并非替代材料，因此臨床使用時強(qiáng)調(diào)其與自體骨進(jìn)行混合后進(jìn)行填充植骨。只有做到規(guī)范使用，才能充分發(fā)揮此類材料最大功用，減少因植骨材料選擇不當(dāng)造成的融合失敗等問題[8]。

2 骨誘導(dǎo)生物材料

1965年，1991年諾貝爾生物學(xué)獎獲得者美國醫(yī)生Marshall R. Urist通過一系列實驗證明脫鈣骨基質(zhì)(Decalcified bone matrix, DBM)能夠在動物皮下或肌肉組織中誘導(dǎo)生成新骨組織[9]。自此“骨誘導(dǎo)”的概念應(yīng)運而生，而DBM也成為最早應(yīng)用于脊柱融合的骨誘導(dǎo)生物材料。而隨著深入的研究發(fā)現(xiàn)，DBM的骨誘導(dǎo)性其實來源于其內(nèi)含的成骨因子——骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone morphogenetic protein，BMP)[10]。BMP存在于正常骨組織中，但又被骨組織中鈣質(zhì)為主的礦物質(zhì)包繞，因而很難發(fā)揮功能；通過脫鈣處理后的DBM，其中BMP獲得了充分暴露、釋放，進(jìn)而起到骨誘導(dǎo)作用[11]。事實上，DBM的骨誘導(dǎo)作用是十分有限的，同時因其本身骨傳導(dǎo)性較差，應(yīng)用于脊柱融合術(shù)時，通常還需要和自體骨或其他無機(jī)鹽類人工骨材料混合后使用[12-13]。

為了追求更穩(wěn)定、更優(yōu)異的骨誘導(dǎo)作用，人們致力于研究分離純化的BMP材料。通過大量的實驗驗證，至少有6種BMP蛋白(BMP-2,4,6,7,9,14)被相繼證實對骨修復(fù)過程具有極大的促進(jìn)作用。2002年，全球第一款BMP人工骨材料產(chǎn)品重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(rhBMP-2)正式獲得美國FDA批準(zhǔn)，開始應(yīng)用于脊柱融合的臨床患者。最經(jīng)典的應(yīng)用方式是通過可吸收的膠原海綿吸附定量的rhBMP-2蛋白，結(jié)合腰椎前路椎間融合器(LT-cage)一同植入椎體間，通過緩釋rhBMP-2起到誘導(dǎo)成骨作用，實現(xiàn)椎間融合。隨后，越來越多的BMP產(chǎn)品(rhBMP-7、載rhBMP-2無機(jī)鹽人工骨等)被相繼開發(fā)并應(yīng)用于臨床脊柱融合術(shù)中。鑒于純化后的BMP材料所表現(xiàn)出極強(qiáng)的骨誘導(dǎo)活性，2014年版美國神經(jīng)外科醫(yī)師協(xié)會腰椎融合術(shù)相關(guān)指南中指出rhBMP-2材料可以作為自體骨的替代物應(yīng)用于腰椎椎間或后外側(cè)融合術(shù)中[14-15]。

盡管BMP材料骨誘導(dǎo)效果值得肯定，但是回顧該類產(chǎn)品近20年的臨床實際應(yīng)用狀況，發(fā)現(xiàn)目前BMP在脊柱融合臨床應(yīng)用中突顯的問題與其優(yōu)點相伴而生。首先，BMP臨床適應(yīng)癥的問題：從FDA批準(zhǔn)最初的僅能在腰椎前路椎間融合術(shù)(Anterior lumbar interbody fusion, ALIF)中應(yīng)用，到隨后擴(kuò)大批準(zhǔn)適應(yīng)于腰椎斜前方椎間融合術(shù)(Oblique anterior lumbar interbody fusion, OLIF)，到目前一些適應(yīng)癥外的應(yīng)用(如頸椎A(chǔ)CDF術(shù)和腰椎PLIF/TLIF術(shù))。BMP材料(主要是rhBMP-2)的臨床應(yīng)用已覆蓋了脊柱融合所有的術(shù)式[16-17]。但是本文認(rèn)為BMP材料在脊柱融合中最適用的術(shù)式還是ALIF或OLIF等腰椎前路椎間融合術(shù)。此類術(shù)式本身無法獲得足夠的自體骨用以植骨，而BMP材料能夠單獨使用替代自體骨完成植骨，這是其他無機(jī)鹽人工骨材料無法比擬的。相反，在其他脊柱融合術(shù)式中應(yīng)用BMP，需仔細(xì)權(quán)衡材料所增加的不良反應(yīng)風(fēng)險、高昂醫(yī)療費用，與其對比普通人工骨材料所能獲得的增益之間的平衡關(guān)系；其次,BMP生物安全性相關(guān)問題，作為一種生物制劑，該材料應(yīng)用于臨床時，其濃度和劑量是引起材料相關(guān)不良反應(yīng)的重要因素。因此，近期針對BMP的臨床研究更多的是探討其最低有效濃度/劑量與其降低不良反應(yīng)風(fēng)險之間的關(guān)系。這提醒臨床醫(yī)師在選用BMP材料進(jìn)行脊柱融合時也必須要關(guān)注植入患者體內(nèi)的具體劑量濃度，警惕其可能引起的并發(fā)癥，而非盲目地追求使用復(fù)合有BMP材料。

生長因子類的骨誘導(dǎo)材料(BMP等)無疑是革命性的發(fā)現(xiàn)，但是這類材料生物制劑相關(guān)的特性反而也限制了其在一些特殊脊柱融合重建領(lǐng)域的應(yīng)用。比如脊柱感染和腫瘤性疾病，目前仍是BMP使用的禁忌證。如何進(jìn)一步提高其生物安全性能以適用于所有脊柱疾病患者是未來需要進(jìn)一步探索研究的方向。

3 支撐重建材料

脊柱前中柱承擔(dān)了其主要的承重作用，椎間融合術(shù)是針對脊柱前中柱的重建手術(shù)，因此，能夠應(yīng)用于椎間融合術(shù)中的生物材料首先需要具備良好的生物力學(xué)強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度)。帶三面皮質(zhì)的自體髂骨塊是椎間融合的“金標(biāo)準(zhǔn)”材料[18]。但為了減少自體髂骨獲取帶來相應(yīng)的取骨并發(fā)癥，同時解決長節(jié)段前中柱融合重建手術(shù)中可獲取的自體髂骨長度不足等問題，椎間融合器(cage)應(yīng)運而生。

1979年，Bagby使用不銹鋼材料制備了一個中空帶孔柱狀體，其中裝滿自體碎骨后植入馬頸椎，取得了良好的融合療效，這也建立了椎間融合器最初模型：即通過具有一定力學(xué)強(qiáng)度的材料制備中空的支架結(jié)構(gòu)提供椎間融合所需的支撐強(qiáng)度需求，同時將自體碎骨填充進(jìn)入支架材料中，實現(xiàn)椎體間最終融合[19]。在此模型基礎(chǔ)上，以鈦合金為代表的金屬材料cage和以聚醚醚酮(Poly ether ether ketone,PEEK)為代表的高分子材料cage相繼問世，并逐步成為目前臨床上應(yīng)用最為廣泛的兩大類融合器材料。但事實上鈦合金和PEEK材料均是生物惰性材料，其本身并不具備成骨活性。作為融合器材料能夠提供的是非常有限的骨傳導(dǎo)作用，脊柱融合的最終實現(xiàn)極大地依賴于融合器中裝載的自體骨。同時，鈦合金的彈性模量過高，植入椎間極易出現(xiàn)椎體切割，產(chǎn)生材料-骨界面沉降。PEEK材料自身疏水性特性，植入后易形成材料-骨界面纖維炎性包裹，可能導(dǎo)致延遲融合或者不融合的發(fā)生[20]。這從側(cè)面證明了一個事實：真正理想的椎間融合材料，不僅要求材料本身具有良好的生物相容性和力學(xué)屬性，更要求材料也能夠具備優(yōu)秀的成骨活性、骨傳導(dǎo)性甚至骨誘導(dǎo)性。

因此，一些新型的具備力學(xué)強(qiáng)度，同時保留成骨生物活性的材料相繼問世，而以這些材料制備獲得的生物活性椎間融合器也陸續(xù)投入臨床應(yīng)用之中。最具代表性的如國內(nèi)自主研發(fā)的納米羥基磷灰石/聚酰胺66復(fù)合材料(n-HA/PA66)。通過材料復(fù)合的方式改變純羥基磷灰石脆性過大，不適合用于椎間支撐融合重建的弊端，同時保留納米級羥基磷灰石優(yōu)秀的成骨生物活性[21]。而最近還有利用硼酸鹽生物活性玻璃材料，研發(fā)制備出新型生物活性BAG椎間融合器，在韓國被率先應(yīng)用于臨床頸椎前路(ACDF)以及腰椎后路(TLIF)椎間融合重建術(shù)中[22-23]。臨床研究顯示，生物活性材料椎間融合器具有更優(yōu)異的材料-骨界面整合，從而有效減少cage下沉和融合失敗的情況發(fā)生，具有相較鈦合金或PEEK材料更優(yōu)秀的臨床效果[24]。

近年來，隨著3D打印技術(shù)等增材制造方式的快速發(fā)展和普及，該技術(shù)也為新型椎間融合器的研發(fā)帶來新的思路。自2016年FDA批準(zhǔn)第一款3D打印鈦合金椎間融合器以來，目前全球已有上百種同類的產(chǎn)品可供臨床使用[25-26]。3D打印鈦合金cage在維持其整體力學(xué)支撐強(qiáng)度的同時，將融合器設(shè)計為更適合成骨爬行替代的多孔結(jié)構(gòu)，在增加融合器的骨傳導(dǎo)性能的同時，有效減少了融合器沉降。初步臨床研究顯示，這類多孔cage同樣具有優(yōu)秀的材料-骨界面整合能力[27]。相信在不久的將來，除了金屬材料外，越來越多其他材料，尤其是生物活性材料的3D打印多孔椎間融合器也必然會給椎間融合材料帶來進(jìn)一步的發(fā)展。

4 小結(jié)與展望

目前，臨床上普遍使用的脊柱融合生物材料距離作為“金標(biāo)準(zhǔn)”的自體骨仍有不小的差距。具有生物活性及優(yōu)異骨傳導(dǎo)性的無機(jī)鹽類人工骨材料也僅能作為人工骨的補(bǔ)充植骨材料，而具有骨誘導(dǎo)性的BMP材料雖然在一定范圍內(nèi)能夠替代自體骨材料，但其生物安全性、衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)學(xué)等一系列問題仍有待進(jìn)一步解決；此外，因?qū)Σ牧狭W(xué)強(qiáng)度有嚴(yán)格要求，適用于椎間支撐植骨的生物材料十分有限。現(xiàn)有的椎間融合器材料仍在不斷改進(jìn)以提高成骨活性、優(yōu)化骨傳導(dǎo)性，真正具有骨誘導(dǎo)性的椎間融合器材料目前尚屬空白；未來，為了獲得理想的脊柱融合材料，一方面需要通過材料制備工藝，優(yōu)化材料的多孔孔隙結(jié)構(gòu)，使之具備與自體骨相媲美，甚至更優(yōu)的骨傳導(dǎo)性能；而另一方面是探索新的材料體系，或者通過復(fù)合其他活性材料(成骨因子等)的方式獲得更高成骨活性，甚至是具有骨誘導(dǎo)性的植骨材料。