为研究纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器(n-HA/PA66 cage)用于腰椎退行性疾病椎间融合术后的初期疗效,回顾性选取2010年8月~2012年1月行后路减压或复位,并植入n-HA/PA66 cage融合内固定的腰椎退行性变患者27例,对比术前、术后1周、末次随访时的Oswestry功能障碍指数(ODI)、腰腿痛视觉模拟评分(VAS)及椎间隙高度,并在末次随访时评估骨性融合情况。随访12~24月(平均19月),ODI术后1周(7.74%±1.65%)和末次随访(7.26%±1.97%)较术前(51.93%±13.62%)有明显改善(P<0.05)。VAS术后1周[(3.11±1.05)分]和末次随访[(2.96±1.06)分]较术前[(7.07±2.09)分]也明显改善(P<0.05)。椎间隙高度术后1周[(10.09±1.17) mm]和末次随访[(9.50±0.91) mm]较术前[(7.51±0.56) mm]明显改善(P<0.05)。但各指标两次术后随访资料比较差异无统计学意义(P>0.05)。末次随访时用Brantigan的标准评估融合情况,5级融合19例,4级融合8例,无1~3级融合,融合率100%。无cage移位及内固定断裂发生。这些结果表明n-HA/PA66 cage用于腰椎退行性疾病的腰后路椎间植骨融合内固定术治疗,是一种较理想的生物材料,可有效维持椎间隙高度,植骨融合率高,早期临床疗效满意。
引用本文: 杨博, 欧云生, 蒋电明, 安洪, 刘渤, 张健, 李开庭. 纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器用于腰椎退行性疾病手术治疗的初期临床疗效. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(5): 1102-1106. doi: 10.7507/1001-5515.20140207 复制
引言
随着人口老龄化的加剧,腰椎退行性疾病(腰椎间盘突出症、腰椎滑脱症、退变性腰椎管狭窄症)的发病率逐年上升,成为腰腿痛的主要病因[1]。虽然不断探索创新各种治疗技术,但手术减压(复位)、融合、内固定,仍是其终末期的主要治疗方法。其中融合的成功率是患者长期疗效的关键。由于自体骨移植的并发症,各种融合材料的研究成为热门课题[2]。
我们与四川大学联合开发的纳米羟基磷灰石/聚酰胺66(nano-hydroxyapatite/polyamide-66,n-HA/PA66)人工椎体,现在已经批量生产,临床疗效确切。而由同种材料制作的椎间融合器(cage)因在临床应用时间尚短,疗效暂无报道。本文选择随访时间1年以上的27例患者,对该腰椎cage的早期疗效进行评估。
1 资料与方法
1.1 一般资料
2010年8月~2012年1月,我们应用n-HA/PA66 cage治疗腰椎退行性疾病患者27例,其中男16例,女11例;年龄45~77岁,平均56岁。腰椎间盘突出症13例,腰椎滑脱症9例,腰椎管狭窄症5例。退变节段:L1-2 1例、L2-3 2例、L3-4 5例、L4-5 13例、L5-S1 9例。其中3例腰椎管狭窄患者为双节段手术,余24例为单节段手术。
1.2 研究方法
术前所有患者均确诊为三类腰椎退行性疾病,排除外伤性滑脱及骨折所致椎管狭窄。均行X线、CT、MRI检查并行各类评分:Oswestry功能障碍指数(oswestry disability index,ODI)评估术前功能障碍情况,腰腿痛视觉模拟评分(visual analogue score,VAS)评估腰腿痛程度,侧位平片测量椎间隙高度(上下骨性终板中心的椎间高度)。
1.3 n-HA/PA66 cage
n-HA/PA66 cage由四川国纳科技有限公司生产,材料使用具有生物活性的n-HA/PA66复合材料,于2009年开始投入临床使用,我科2010年用于临床。该cage形状为中空类梭形,上下表面有沟槽,左右侧面分别有一个2 mm的开孔,尾端有一孔接置入器,内含不透X线的金属丝用于定位。长22~32 mm,宽10~12 mm,高8~14 mm(每2 mm为一规格)(见图 1)。

(a)俯视图;(b)侧视图;(c)填充骨质的实物图
Figure1. Pictures of n-HA/PA66 cage(a) top view; (b) side view; (c) cage filled with bone
1.4 治疗方法
气管插管全身麻醉,麻醉成功后取俯卧位,垫好胸腹部,所有患者均采用腰后路手术入路。术前3D-C臂X线机定位退变节段,常规消毒、铺巾。取后正中切口,切开皮肤、皮下组织、骶棘肌筋膜,剥离骶棘肌,暴露相应退变节段的棘突、椎板、关节突关节。于退变椎间隙相邻上下椎体置入椎弓根螺钉(部分滑脱患者在滑脱椎体上位第一椎体加一组螺钉)(见图 2、3)。透视螺钉位置良好后行减压,切除椎板、黄韧带,摘除脱出的椎间盘髓核组织,尖刀切开椎间盘纤维环,刮匙及铰刀清除椎间盘组织,松解并探查神经根(滑脱患者需复位)。生理盐水冲洗椎间隙,将切除的自体骨粒行椎间隙打压式植骨,然后取合适型号n-HA/PA66 cage,用切除的自体椎板骨粒填充后植入。通过双侧椎弓根螺钉适度加压cage,固定钛棒,C臂再次透视,确认cage位置良好后安置引流管,逐层缝合伤口。术中失血50~450 mL,平均150 mL。手术时间120~215 min,平均155 min。术中输血4例,平均输血300 mL。术后常规使用头孢呋辛0.75 mg bid预防感染,10~14 d拆线,术后7~10 d佩戴胸腰骶支具下床开始功能训练。

(a)X线侧位;(b)MRI矢状位
Figure2. Preoperative imaging examinations show L4 vertebral spondylolisthesis Ⅱ° (stenosis of the intervertebral space and lumbar canal)(a) lateral X-ray; (b) sagittal MRI

(a)X线正位;(b)X线侧位
Figure3. Postoperative lateral and front X-ray show the internal fixation from L3 to L5 are in good position. Spondylolisthesis has been reset. Metal in cage can be seen in the intervertebral space between L4 and L5(a) front X-ray; (b) lateral X-ray
1.5 术后随访观察指标
出院前和随访时所有患者均行腰椎正侧位X线片复查测量椎间高度,记录ODI和VAS。末次随访时做CT检查并采用Brantigan等[3]的方法评估骨性融合情况。
1.6 统计学分析
计量资料以
2 结果
(1)本组患者27例均获得随访,随访时间12~24个月,平均19个月。多数患者术前症状得到不同程度的改善,随访期间无cage移位或内固定断裂,椎间高度维持及骨性融合率满意。
(2)术后1周、末次随访时所有手术节段的平均椎间隙高度较术前改善明显,差异有统计学意义(P<0.05);而术后两次椎间隙高度之间比较差异无统计学意义(P>0.05)。同样地,术后1周、末次随访时ODI及VAS均较术前显著降低(P<0.05),而术后分别比较两次ODI和VAS则差异无统计学意义(P>0.05)(见表 1)。

(3)退变间隙术后植骨融合情况采用Brantigan等[3]的方法评价,本研究认为4、5级融合为术后融合良好,其中达到5级融合19例,4级融合8例;无1~3级融合,融合率100%。[注:1级,明显假关节形成,椎间高度丢失,椎间融合器移位,植骨吸收;2级,可疑假关节形成,融合区可见明显的透光区(带);3级,可疑骨不连,融合区可见少量的透光区(带);4级,可疑骨融合,融合区域骨桥形成明显,融合区与相邻椎体间无透光区(带);5级,坚强融合,融合区融合骨的密度较术后更致密,明显骨桥形成贯通融合区,椎体前方骨刺吸收,小关节融合,融合区与相邻椎体间无透光区(带)](见图 4)。

(a)X线正位;(b)X线侧位;(c) CT矢状位;(d)CT 冠状位
Figure4. 14 months after operation,X-ray and three-dimensional CT showed that lumbar sequence were normal,internal fixation and cage were in good position,the height of intervertebral space between L4 and L5 maintain good,and intervertebral was in bony fusion(a) front X-ray; (b) lateral X-ray; (c) sagittal CT; (d) coronal CT
3 讨论
3.1 n-HA/PA66材料的特性
人体骨与其它结缔组织相似,由细胞、纤维和基质三种成分组成,但其最大的不同是基质中含有大量的无机成分,无机成分占基质的2/3,主要为HA结晶[4]。骨科移植材料的研究一直致力于寻找接近自然骨结构,并具有良好生物相容性,高机械强度,集骨形成、骨传导、骨诱导等生物活性于一体的新材料[5]。
HA颗粒脆性大,不能单独用于腰椎等负重较大部位的骨修复,临床使用有限。PA具有类似人骨胶原的结构。李鸿等[6]应用纳米技术,使纳米化的HA均匀分布到PA66基质中,可使HA含量达到65%,接近自然骨中磷灰石的水平。n-HA与PA66之间连接的化学键牢固,使该材料能更好地传递外应力,同时达到增强及增韧的目的,使材料在抗压、抗弯强度、断裂伸长和弹性模量方面与人皮质骨接近[7]。
有研究表明n-HA/PA66无细胞毒性,无致敏性,无热原性,溶血率低,不影响钙磷代谢[8-10],认为该材料生物安全性、相容性良好。由该材料制备的颗粒骨、人工椎板、人工椎体已应用于临床,相关报道其疗效尚佳[11-15]。
3.2 n-HA/PA66 cage的特点
本cage是在基础研究及由该材料制成的骨科替代材料应用安全的前提下研发出来的。具有以下特点:① 其设计为中空,可填充自体骨粒,cage所需植骨量不大,减压时切除的椎板骨量已足够,能有效避免取自体骨导致的供骨区感染、神经损伤、出血等并发症。② cage的壁较厚(4~8 mm),与上下植骨床形成环面结合,接触面积大,应力分散,在骨性融合前可以避免类似植入钛网时可能发生的塌陷。③ 其上下面设计成波浪状,能与植骨床紧密契合且能防止cage的移位或脱出。④ cage左右侧壁开孔,利于骨痂两侧生长包绕cage,使骨性融合更加坚强。后方无孔则可避免增生骨痂可能对神经、脊髓的影响。⑤ 其插入端设计为圆弧形,避免植入时损伤脊髓或神经,更安全。⑥ cage内置不透X线金属丝,便于术中及术后随访cage位置。⑦ 本材料相关产品均有我国自主知识产权,费用较之目前普遍使用的PEEK材料cage相对低廉,可应用于各级医院。
3.3 n-HA/PA66 cage使用要点
结合我们的手术经验,认为腰椎退变患者术后长期疗效的关键是坚强的骨性融合,植入的cage只是在骨性融合之前提供暂时性的支撑性植骨稳定,因此在植入cage前植骨床的准备尤其重要,植骨床应平整且完全刮除植骨床上下软骨终板。关于cage的安放,在植入cage前应使用试模测试椎间隙的大小,植入cage后还需通过钉棒系统对cage进行加压,因此我们主张不宜选用过大型号的cage,避免负重后cage的塌陷。cage高度的选择可参照术前X线侧位片对病变椎间隙或邻近椎间隙高度的测量获得参考值。我科多数腰椎手术患者选择高度8~12 mm的cage。脊柱的前中柱承受60%~70%的载荷,因此cage的位置一般放在椎体的中后部[12]。另外,融合间隙要重视自体骨粒的打压式植骨。
3.4 n-HA/PA66 cage的影像学评价及临床疗效
手术探查类似于病理检查,可以认为是判断骨性融合及程度的金标准,但不具备可实施性。目前对于骨性融合的评价多采取影像学的方法,但尚无一个公认的评价方法和标准。本研究每一个病例在末次随访时都行CT及三维重建来直观地观察融合情况,并采用Brantigan等的方法进行评价。所有患者均获得骨性融合,其中19例5级融合,8例4级融合,无1~3级融合,融合效果较好。本cage临床应用时间尚短,病例数尚少,暂未观察到不融合、椎间隙塌陷、假关节形成的病例。
本研究中患者的ODI与VAS,术后两次检测结果均较术前明显降低,但末次随访与术后比较则无明显差异。我们认为手术减压或复位消除神经根或马尾神经压迫是获得良好临床疗效的主要原因。27 例患者随访12~24个月(平均19个月),椎间隙高度获得良好的维持,未发现cage的碎裂、移位及断钉、断棒的情况。因此本cage能在骨性融合之前提供坚强的支撑,可有效避免椎间隙高度降低导致患者术前症状的再次出现。
总之,采用后路减压或复位和n-HA/PA66 cage椎间植骨融合,结合椎弓根钉棒系统内固定治疗腰椎退行性病变可有效维持椎间高度,骨性融合率高,早期临床疗效好。但由于本cage应用于临床时间尚短,其远期疗效仍有待进一步观察和研究。
引言
随着人口老龄化的加剧,腰椎退行性疾病(腰椎间盘突出症、腰椎滑脱症、退变性腰椎管狭窄症)的发病率逐年上升,成为腰腿痛的主要病因[1]。虽然不断探索创新各种治疗技术,但手术减压(复位)、融合、内固定,仍是其终末期的主要治疗方法。其中融合的成功率是患者长期疗效的关键。由于自体骨移植的并发症,各种融合材料的研究成为热门课题[2]。
我们与四川大学联合开发的纳米羟基磷灰石/聚酰胺66(nano-hydroxyapatite/polyamide-66,n-HA/PA66)人工椎体,现在已经批量生产,临床疗效确切。而由同种材料制作的椎间融合器(cage)因在临床应用时间尚短,疗效暂无报道。本文选择随访时间1年以上的27例患者,对该腰椎cage的早期疗效进行评估。
1 资料与方法
1.1 一般资料
2010年8月~2012年1月,我们应用n-HA/PA66 cage治疗腰椎退行性疾病患者27例,其中男16例,女11例;年龄45~77岁,平均56岁。腰椎间盘突出症13例,腰椎滑脱症9例,腰椎管狭窄症5例。退变节段:L1-2 1例、L2-3 2例、L3-4 5例、L4-5 13例、L5-S1 9例。其中3例腰椎管狭窄患者为双节段手术,余24例为单节段手术。
1.2 研究方法
术前所有患者均确诊为三类腰椎退行性疾病,排除外伤性滑脱及骨折所致椎管狭窄。均行X线、CT、MRI检查并行各类评分:Oswestry功能障碍指数(oswestry disability index,ODI)评估术前功能障碍情况,腰腿痛视觉模拟评分(visual analogue score,VAS)评估腰腿痛程度,侧位平片测量椎间隙高度(上下骨性终板中心的椎间高度)。
1.3 n-HA/PA66 cage
n-HA/PA66 cage由四川国纳科技有限公司生产,材料使用具有生物活性的n-HA/PA66复合材料,于2009年开始投入临床使用,我科2010年用于临床。该cage形状为中空类梭形,上下表面有沟槽,左右侧面分别有一个2 mm的开孔,尾端有一孔接置入器,内含不透X线的金属丝用于定位。长22~32 mm,宽10~12 mm,高8~14 mm(每2 mm为一规格)(见图 1)。

(a)俯视图;(b)侧视图;(c)填充骨质的实物图
Figure1. Pictures of n-HA/PA66 cage(a) top view; (b) side view; (c) cage filled with bone
1.4 治疗方法
气管插管全身麻醉,麻醉成功后取俯卧位,垫好胸腹部,所有患者均采用腰后路手术入路。术前3D-C臂X线机定位退变节段,常规消毒、铺巾。取后正中切口,切开皮肤、皮下组织、骶棘肌筋膜,剥离骶棘肌,暴露相应退变节段的棘突、椎板、关节突关节。于退变椎间隙相邻上下椎体置入椎弓根螺钉(部分滑脱患者在滑脱椎体上位第一椎体加一组螺钉)(见图 2、3)。透视螺钉位置良好后行减压,切除椎板、黄韧带,摘除脱出的椎间盘髓核组织,尖刀切开椎间盘纤维环,刮匙及铰刀清除椎间盘组织,松解并探查神经根(滑脱患者需复位)。生理盐水冲洗椎间隙,将切除的自体骨粒行椎间隙打压式植骨,然后取合适型号n-HA/PA66 cage,用切除的自体椎板骨粒填充后植入。通过双侧椎弓根螺钉适度加压cage,固定钛棒,C臂再次透视,确认cage位置良好后安置引流管,逐层缝合伤口。术中失血50~450 mL,平均150 mL。手术时间120~215 min,平均155 min。术中输血4例,平均输血300 mL。术后常规使用头孢呋辛0.75 mg bid预防感染,10~14 d拆线,术后7~10 d佩戴胸腰骶支具下床开始功能训练。

(a)X线侧位;(b)MRI矢状位
Figure2. Preoperative imaging examinations show L4 vertebral spondylolisthesis Ⅱ° (stenosis of the intervertebral space and lumbar canal)(a) lateral X-ray; (b) sagittal MRI

(a)X线正位;(b)X线侧位
Figure3. Postoperative lateral and front X-ray show the internal fixation from L3 to L5 are in good position. Spondylolisthesis has been reset. Metal in cage can be seen in the intervertebral space between L4 and L5(a) front X-ray; (b) lateral X-ray
1.5 术后随访观察指标
出院前和随访时所有患者均行腰椎正侧位X线片复查测量椎间高度,记录ODI和VAS。末次随访时做CT检查并采用Brantigan等[3]的方法评估骨性融合情况。
1.6 统计学分析
计量资料以
2 结果
(1)本组患者27例均获得随访,随访时间12~24个月,平均19个月。多数患者术前症状得到不同程度的改善,随访期间无cage移位或内固定断裂,椎间高度维持及骨性融合率满意。
(2)术后1周、末次随访时所有手术节段的平均椎间隙高度较术前改善明显,差异有统计学意义(P<0.05);而术后两次椎间隙高度之间比较差异无统计学意义(P>0.05)。同样地,术后1周、末次随访时ODI及VAS均较术前显著降低(P<0.05),而术后分别比较两次ODI和VAS则差异无统计学意义(P>0.05)(见表 1)。

(3)退变间隙术后植骨融合情况采用Brantigan等[3]的方法评价,本研究认为4、5级融合为术后融合良好,其中达到5级融合19例,4级融合8例;无1~3级融合,融合率100%。[注:1级,明显假关节形成,椎间高度丢失,椎间融合器移位,植骨吸收;2级,可疑假关节形成,融合区可见明显的透光区(带);3级,可疑骨不连,融合区可见少量的透光区(带);4级,可疑骨融合,融合区域骨桥形成明显,融合区与相邻椎体间无透光区(带);5级,坚强融合,融合区融合骨的密度较术后更致密,明显骨桥形成贯通融合区,椎体前方骨刺吸收,小关节融合,融合区与相邻椎体间无透光区(带)](见图 4)。

(a)X线正位;(b)X线侧位;(c) CT矢状位;(d)CT 冠状位
Figure4. 14 months after operation,X-ray and three-dimensional CT showed that lumbar sequence were normal,internal fixation and cage were in good position,the height of intervertebral space between L4 and L5 maintain good,and intervertebral was in bony fusion(a) front X-ray; (b) lateral X-ray; (c) sagittal CT; (d) coronal CT
3 讨论
3.1 n-HA/PA66材料的特性
人体骨与其它结缔组织相似,由细胞、纤维和基质三种成分组成,但其最大的不同是基质中含有大量的无机成分,无机成分占基质的2/3,主要为HA结晶[4]。骨科移植材料的研究一直致力于寻找接近自然骨结构,并具有良好生物相容性,高机械强度,集骨形成、骨传导、骨诱导等生物活性于一体的新材料[5]。
HA颗粒脆性大,不能单独用于腰椎等负重较大部位的骨修复,临床使用有限。PA具有类似人骨胶原的结构。李鸿等[6]应用纳米技术,使纳米化的HA均匀分布到PA66基质中,可使HA含量达到65%,接近自然骨中磷灰石的水平。n-HA与PA66之间连接的化学键牢固,使该材料能更好地传递外应力,同时达到增强及增韧的目的,使材料在抗压、抗弯强度、断裂伸长和弹性模量方面与人皮质骨接近[7]。
有研究表明n-HA/PA66无细胞毒性,无致敏性,无热原性,溶血率低,不影响钙磷代谢[8-10],认为该材料生物安全性、相容性良好。由该材料制备的颗粒骨、人工椎板、人工椎体已应用于临床,相关报道其疗效尚佳[11-15]。
3.2 n-HA/PA66 cage的特点
本cage是在基础研究及由该材料制成的骨科替代材料应用安全的前提下研发出来的。具有以下特点:① 其设计为中空,可填充自体骨粒,cage所需植骨量不大,减压时切除的椎板骨量已足够,能有效避免取自体骨导致的供骨区感染、神经损伤、出血等并发症。② cage的壁较厚(4~8 mm),与上下植骨床形成环面结合,接触面积大,应力分散,在骨性融合前可以避免类似植入钛网时可能发生的塌陷。③ 其上下面设计成波浪状,能与植骨床紧密契合且能防止cage的移位或脱出。④ cage左右侧壁开孔,利于骨痂两侧生长包绕cage,使骨性融合更加坚强。后方无孔则可避免增生骨痂可能对神经、脊髓的影响。⑤ 其插入端设计为圆弧形,避免植入时损伤脊髓或神经,更安全。⑥ cage内置不透X线金属丝,便于术中及术后随访cage位置。⑦ 本材料相关产品均有我国自主知识产权,费用较之目前普遍使用的PEEK材料cage相对低廉,可应用于各级医院。
3.3 n-HA/PA66 cage使用要点
结合我们的手术经验,认为腰椎退变患者术后长期疗效的关键是坚强的骨性融合,植入的cage只是在骨性融合之前提供暂时性的支撑性植骨稳定,因此在植入cage前植骨床的准备尤其重要,植骨床应平整且完全刮除植骨床上下软骨终板。关于cage的安放,在植入cage前应使用试模测试椎间隙的大小,植入cage后还需通过钉棒系统对cage进行加压,因此我们主张不宜选用过大型号的cage,避免负重后cage的塌陷。cage高度的选择可参照术前X线侧位片对病变椎间隙或邻近椎间隙高度的测量获得参考值。我科多数腰椎手术患者选择高度8~12 mm的cage。脊柱的前中柱承受60%~70%的载荷,因此cage的位置一般放在椎体的中后部[12]。另外,融合间隙要重视自体骨粒的打压式植骨。
3.4 n-HA/PA66 cage的影像学评价及临床疗效
手术探查类似于病理检查,可以认为是判断骨性融合及程度的金标准,但不具备可实施性。目前对于骨性融合的评价多采取影像学的方法,但尚无一个公认的评价方法和标准。本研究每一个病例在末次随访时都行CT及三维重建来直观地观察融合情况,并采用Brantigan等的方法进行评价。所有患者均获得骨性融合,其中19例5级融合,8例4级融合,无1~3级融合,融合效果较好。本cage临床应用时间尚短,病例数尚少,暂未观察到不融合、椎间隙塌陷、假关节形成的病例。
本研究中患者的ODI与VAS,术后两次检测结果均较术前明显降低,但末次随访与术后比较则无明显差异。我们认为手术减压或复位消除神经根或马尾神经压迫是获得良好临床疗效的主要原因。27 例患者随访12~24个月(平均19个月),椎间隙高度获得良好的维持,未发现cage的碎裂、移位及断钉、断棒的情况。因此本cage能在骨性融合之前提供坚强的支撑,可有效避免椎间隙高度降低导致患者术前症状的再次出现。
总之,采用后路减压或复位和n-HA/PA66 cage椎间植骨融合,结合椎弓根钉棒系统内固定治疗腰椎退行性病变可有效维持椎间高度,骨性融合率高,早期临床疗效好。但由于本cage应用于临床时间尚短,其远期疗效仍有待进一步观察和研究。