3D打印多孔钛合金椎间融合器与聚醚醚酮椎间融合器在后路腰椎椎间融合术中的应用研究

3D打印多孔钛合金椎间融合器与聚醚醚酮椎间融合器在后路腰椎椎间融合术中的应用研究

3D打印多孔钛合金椎间融合器与聚醚醚酮椎间融合器在后路腰椎椎间融合术中的应用研究,

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　　与PEEK Cage相比，PLIF术中采用3D Cage能有效降低椎体沉降、加速椎间融合。

　　2. 河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）脊柱外二科（河南洛阳 471002）

　　基金项目：中医药传承与创新人才工程（仲景工程）；河南省科技攻关计划项目（8）

　　以2018年1月—2019年6月拟行PLIF的66例患者作为研究对象，按照随机数字表法分为试验组（植入3D Cage，n=33）与对照组（植入PEEK Cage，n=33）。其中试验组1例未完成随访排除研究，最终试验组32例、对照组33例纳入统计分析。两组患者性别、年龄、病因、病程、手术节段及术前日本骨科协会（JOA）评分等一般资料比较，差异均无统计学意义（P0.05），具有可比性。比较两组手术时间、术中出血量及并发症发生情况，以及腰椎JOA评分、椎间隙高度丢失及椎间融合情况。

　　两组手术均顺利完成。试验组术中出现硬膜破裂并发脑脊液渗漏1例，两组其他患者无并发症发生；术后切口均Ⅰ期愈合。试验组手术时间与术中出血量与对照组比较，差异均无统计学意义（P0.05）。两组患者均获随访，随访时间12～24个月，平均16.7个月。两组术后1年JOA评分均较术前提高（P0.05）；两组间手术前后差值及术后1年JOA 评分改善率比较，差异均无统计学意义（P0.05）。X线片复查示随访期间两组均无螺钉松动、钉棒断裂、Cage塌陷和免疫排斥反应等发生。术后3个月及1年，试验组椎间隙高度丢失率均小于对照组（P0.05）；术后3、6个月试验组椎间融合分级均优于对照组（P0.05），术后1年两组差异无统计学意义（P0.05）。

　　PLIF术中选择3D Cage或PEEK Cage，在手术时间、术中出血量、并发症、术后神经功能恢复以及最终椎间融合方面均无明显差异，但前者能有效降低椎体沉降、加速椎间融合。

　　后路腰椎椎间融合术（posterior lumbar inter-body fusion，PLIF）是治疗腰椎退变性疾病的一种成熟术式，具有高融合率与低并发症等优点[1-2]。术中需植入椎间融合器（Cage）或同种异体骨块以重建椎体序列、维持椎体稳定以及促进椎间融合，植入物的选择在一定程度上会影响手术疗效[3]。目前，临床使用最广泛的植入物为聚醚醚酮（poly-ether-ether-ketone，PEEK）Cage，它有效解决了传统自体骨移植带来的手术时间长、供骨区疼痛等问题[4]，但也有融合缓慢及椎体沉降等缺点[5-6]，需要进一步改进。3D 打印钛合金Cage（以下简称3D Cage）作为一种新型Cage，有望解决PEEK Cage的不足[7-8]。目前关于3D Cage的研究已逐渐从动物实验阶段进入临床阶段，但临床研究主要以颈椎为主[9-10]，腰椎应用鲜有报道。为此，我们进行了一项前瞻性随机对照研究，通过与采用PEEK Cage的患者比较，探讨3D Cage用于PLIF的安全性与疗 效。报告如下。

　　纳入标准：① 年龄18～75岁；② 因腰椎管狭窄症、腰椎滑脱症、腰椎间盘突出症合并腰椎不稳，拟行PLIF；③ 单节段病变；④ 3个月内未参加其他临床试验；⑤ 患者或其法定代理人自愿参加临床试验，签署知情同意书。

　　排除标准：① 明确或怀疑对试验所用植入物过敏；② 骨质疏松症患者（骨密度T值≤?2.5）；③ 患有脊柱感染性疾病或脊柱肿瘤；④ 有严重系统性疾病不能承受手术；⑤ 存在其他影响术后疗效评价的因素，例如身体质量指数24 kg/m2、有精神疾患不能遵从康复指导、长期服用影响骨愈合的药物、在骨折愈合期间大量抽烟等。

　　根据上述标准，2018年1 月—2019年6 月共66 例拟行PLIF患者纳入研究。按照随机数字表法，将其分为试验组（植入3D Cage，n=33）与对照组（植入PEEK Cage，n=33）。其中试验组1例未完成随访排除研究，最终试验组32 例、对照组33 例 纳入统计分析。

　　试验组：男13 例，女19例；年龄33～70岁，平均51.6岁。病因：腰椎管狭窄症8 例，腰椎滑脱症15 例，腰椎间盘突出症合并腰椎不稳9例。病程6个月～4 年，中位病程2年。手术节段：L2、3 1例，L3、4 3例，L4、5 19 例，L5、S1 9 例。

　　对照组：男12例，女21例；年龄35～69岁，平均52.9岁。病因：腰椎管狭窄症8 例，腰椎滑脱症17 例，腰椎间盘突出症合并腰椎不稳8例。病程6个月～4 年，中位病程2年。手术节段：L2、3 2例，L3、4 3例，L4、5 17 例，L5、S1 11例。

　　两组患者性别、年龄、病因、病程、手术节段及术前日本骨科协会（JOA）评分等一般资料比较，差异均无统计学意义（P0.05），具有可比性。见表1。术前均完善腰椎正侧位X线片、MRI 和CT检 查，确定病变责任节段并估计植入器械规格。

　　3D Cage由北京中诺恒康生物科技有限公司采用医用Ti6Al4V 合金粉末[11]制备。术前采用螺旋CT对试验组患者行全椎体扫描，在医学图像处理软件Mimics 中通过绘制轮廓、数据处理等步骤重建椎间盘，将重建后的椎间盘导入Geomagic软件中进行细节优化和曲面生成。3D Cage为不规格多面体，端面多孔，边缘为实心，内部为规则多孔结构，孔隙率与孔径范围设计均基于前期动物实验以及有限元分析结果[12-16]；前端近似锥形，尾部带有螺孔和卡槽。最后，将椎间盘模型数据导入熔融沉积型3D 打印机，打印与患者椎间隙解剖结构一致 的多孔钛合金Cage（图1）。

　　两组手术均由同一组医师完成。患者于全身麻醉下取俯卧位，胸腹部两侧适当垫高，术区常规消毒、铺巾。在病变椎间隙周围沿背部正中线逐层切开皮肤、皮下组织、筋膜，电刀仔细剥离，依次将两侧竖脊肌推向外侧，直至小关节外缘；干纱布填塞止血，椎板牵开器将竖脊肌牵向两侧，显露上、下椎体棘突及椎板；于上、下椎体椎弓根分别植入椎弓根螺钉，C臂X线机透视明确螺钉位置准确。然后，用椎板钳咬除上位椎体一侧椎板，行半椎板切除减压。探查待融合椎间隙，游离黄韧带，牵开并用尖刀切除黄韧带，分离椎板与硬膜粘连部分，显露硬膜及神经根，保护椎间隙一侧神经根，将硬膜囊拉向另一侧，尖刀环形切开纤维环，髓核钳向深部探查并取出髓核组织，用刮匙及绞刀处理上、下椎体软骨终板，显露上、下椎体骨性终板，彻底冲洗椎间隙。椎间隙内植入术中切取的自体碎骨块与同种异体骨块（天津中津生物发展有限公司）后，两组对应植入已填充自体骨块且贴合度和松紧度合适的PEEK Cage（山东威高骨科材料股份有限公司）或3D Cage。最后，探查硬膜囊及神经根无明显受压后，以预折弯固定棒进行固定，透视证实固定棒系统位置准确及固定牢固后，留置引流管并缝合切口。

　　两组术后均常规给予消肿、镇痛、抗感染等治疗。定期切口换药，待24 h 引流量低于50 mL后拔除引流管，并指导患者佩戴腰围下地活动。术后佩戴腰围固定2～3 个月。

　　1.6.1 、临床评价指标记录手术时间、术中出血量，以及术中硬膜、神经损伤和术后免疫排斥反应、螺钉松动、钉棒断裂、Cage塌陷等不良事件发生情况。采用JOA评分评价神经功能，按照以下公式计算改善率，改善率=（术后评分?术前评分）/ （29?术前评分）×100%。

　　1.6.2 、影像学评价指标① 椎间隙高度丢失率：于侧位X线片上测量手术节段椎间隙前、后缘高度及上位椎体前缘高度，首先计算相对椎间隙高度，公式为：［（手术节段椎间隙前缘高度+手术节段椎间隙后缘高度）/2］/上位椎体前缘高度，然后按照以下公式计算椎间隙高度丢失率：（术后7 d 内相对椎间隙高度?术后随访相对椎间隙高度）/术后7 d 内相对椎间隙高度×100%。② 椎间融合情况：通过CT矢状位、冠状位图像，按照Brantigan和Steffee评定标准[9]对腰椎椎间融合进行评级，分为 Ⅰ～Ⅴ级。

　　采用SPSS21.0 统计软件进行分析。计量资料行正态性检验，如符合正态分布，数据以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本 t 检验，组内比较采用配对 t 检验；如不符合正态分布，数据以M（Q1，Q3）表示，组间比较采用秩和检验。等级资 料组间比较采用秩和检验。检验水准α=0.05。

　　两组手术均顺利完成。试验组手术时间与术中出血量分别为（128.13±26.36）min、350（255， 400）mL，与对照组（133.64±23.56）min、350（300，410）mL比较，差异均无统计学意义（t=?0.889， P=0.377；Z=?0.829，P=0.407）。试验组术中出现硬膜破裂并发脑脊液渗漏1例，使用纤维蛋白胶封闭，术后采用头低脚高充分卧床制动，引流管引流并加压包扎，1周后症状消失。两组其他患者无手术相关并发症发生。术后两组切口均Ⅰ期愈合。

　　两组患者均获随访，随访时间12～24个月，平均16.7个月。两组术后1 年JOA评分与术前比较，差异有统计学意义（P0.05）；两组间手术前后差值及术后1年JOA 评分改善率比较，差异均无统计学意义（P0.05）。见表1。

　　X线片复查示随访期间两组均无螺钉松动、钉棒断裂、Cage塌陷和免疫排斥反应等不良事件发生（图2、3）。术后3个月及1 年，试验组椎间隙高度丢失率均小于对照组，差异有统计学意义（P 0.05）。见表1。术后3、6 个月，试验组椎间融合分级均优于对照组，差异有统计学意义（P0.05）；术后1年两组差异无统计学意义（P0.05）。见表2。

　　a～d. 术前正、侧位及过伸、过屈位X线片；e、f. 术前CT；g、h. 术前MRI；i、j. 术后1周正、侧位X 线D Cage 在位并与上、下终板贴合较好；k～n. 术后3 个月正、侧位X线片与CT示椎间融合良

　　a～d. 术前正、侧位及过伸、过屈位X线片；e、f. 术前CT；g、h. 术前MRI；i、j. 术后1周正、侧位X 线片示腰椎序列规整，PEEK Cage在位；k～n. 术后3 个月正、侧位X线片与CT示椎间融合良好

　　3D Cage由医用Ti6Al4V 合金粉末制备，钛合金具有机械强度大、抗疲劳能力强、耐腐蚀性及生物力学性能好的特点，是理想的骨科植入材料[11]。但传统工业生产的实体钛合金弹性模量约为110 GPa，比人体腰椎10～30 GPa高，由其制备的Cage植入椎间隙后，Cage与椎体接触界面会形成应力遮挡效应，导致上、下终板得不到足够力学刺激发生骨质疏松，进而引起Cage沉降[12]。而3D Cage为多孔结构，合理设计的孔隙率和孔径范围能有效降低弹性模量，减少应力遮挡，进一步减缓了椎间高度丢失[13-14]。Zhang等[15]基于腰椎椎间融合术有限元模型，对比了实心钛Cage、PEEK Cage以及3D Cage在不同运动模式下的生物力学性能，发现相比实心钛Cage，PEEK Cage与3D Cage能显著降低接触界面应力；随着3D Cage孔隙率增大，融合界面应力会逐渐减小，孔隙率在65%～80% 之间的3D Cage能够完全替代PEEK Cage。同时，3D Cage采用电子束熔融技术制备，加之生产过程中的真空环境、高温锻造特点，使其不仅能获得均匀的显微组织结构，还具有形状稳定和低残余应力特性，研究显示其力学性能明显优于普通Cage[17-18]。Adl Amini等[19]分析了腰椎融合术后6～12个月119 例PEEK Cage融合节段与67例3D Cage融合节段的影像学表现，发现3D Cage早期沉降程度明显低于PEEK Cage。本研究两组术后3个月及1 年椎间隙高度丢失率比较结果与上述结论一致。

　　在椎间融合术中Cage高度的选择是手术成功的关键，如高度不足不仅不能有效恢复椎间隙高度和腰椎前凸，还会发生移位和融合失败[3，20]；高度较大时又会导致椎间压力增大，加速Cage下沉[21-22]。而3D Cage是通过对患者全椎体CT扫描、三维成像建模打印制备，其高度与患者椎间隙解剖高度几乎一致，误差不超过2 mm，有效避免了高度选择偏差导致的椎间压力增大[23]。此外，3D Cage上、下面更加贴合上、下椎板弧度与斜度，增加了接触面积，使局部压强进一步减小，有效缓解Cage沉降[24]。为了防止移位，PEEK Cage采用锯齿结构镶入骨面来增大摩擦力。Wu等[25]研究发现为选择合适大小及高度的PEEK Cage，术中需要反复测试，Cage的锯齿结构会对上、下终板造成一定损伤，导致缺少充足皮质骨支持Cage而陷入椎体，最终引起椎间高度丢失。而3D Cage采用粗糙表面设计来增大摩擦力防止移位，有效避免了该弊端。

　　在椎间融合方面，PEEK Cage表面光滑、亲水基团少、生物惰性高、无法为成骨细胞黏附提供环境，导致融合效能较低[26]。为此，PEEK Cage设计出中空结构填充移植骨以促进椎间融合，但中空结构中所植入的骨块主要为术中咬除的椎板、关节突等碎骨以及同种异体骨。咬除的碎骨多以皮质骨为主，皮质骨成骨效能较差且表面软组织不能绝对彻底清理，仍会影响成骨；同种异体骨骨吸收降解速率快、力学强度低、灭菌处理后成骨性能变差[27]；上述两者均不利于椎间快速融合。3D Cage以钛合金为原料，Rapuano等[28]研究发现钛合金表面的氧化层能够促进纤连蛋白、人骨唾液酸糖蛋白等细胞外基质蛋白结合至Cage表面，可为成骨细胞黏附及分化提供有利环境。此外，3D Cage连通的孔隙结构、合理设计的孔隙率以及粗糙表面，能为骨组织黏附、增殖和分化提供空间条件[14]，更有利于椎间快速融合。

　　综上述，与PEEK Cage相比，PLIF术中采用3D Cage能有效降低椎体沉降、加速椎间融合。但本研究为单中心试验，病例数相对较少，需多中心、大样本研究进一步验证上述结论。此外，3D Cage对术后影像造成遮挡和伪影，对椎间融合判断有一定影响，且患者随访时间较短，椎间隙高度丢失与时间关系有待进一步随访观察。

　　周英杰， 河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）脊柱外科中心主任兼微创脊柱外科主任，主任医师，硕士生导师。任中国医药教育协会脊柱分会常委、微创学组副主任委员，中国中西医结合学会脊柱医学专业常委兼秘书长，骨科微创专委会脊柱内镜小组副主任委员，中国康复医学会骨质疏松专业委员会常委，中华中医药学会精准医学分会常委等。河南省555省级学科带头人、河南省中医重点专科学术带头人、河南省中医药学科领军人才。担任《中国矫形外科杂志》、《中国中医骨伤科杂志》、《中国骨与关节损伤杂志》等学术期刊编委，《中华创伤杂志》特邀审稿专家。发表国家级核心论文60余篇，SCI 4篇，专业著作6部，省厅级科研成果15项，国家科技进步二等奖一项。

　　王彦金，河南中医药大学与河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）联合培养研究生，研究方向：中医药防治脊柱相关疾病

　　《中国修复重建外科杂志》是由中华人民共和国国家卫生健康委员会主管，中国康复医学会、四川大学主办的国家级医学专业学术期刊。于1987年创刊，月刊，每月15日出版。期刊以“修复缺损、重建功能、改善外形，促进结构、功能、形态的完美结合”为办刊宗旨；学科领域覆盖骨科、手外科、显微外科、整形外科、口腔颌面外科、泌尿外科、神经外科、康复医学、再生医学等。期刊自1997年持续被国际权威医学数据库MEDLINE收录，2021年被美国国立医学图书馆PubMed Central (PMC)全文数据库收录，也是国内三大核心期刊数据库（中文核心期刊要目总览、中国科学引文数据库、中国科技核心期刊）来源期刊，是目前能够综合反映我国修复重建外科领域最高发展水平的学术期刊。期刊于2011年、2014年、2017年和2020年连续入选第2届、第3届、第4届以及第5届中国精品科技期刊。