L4/5棘突间植入椎间融合器的稳定性及对相邻节段的生物力学特性和生物相容性的影响

洪志群， 叶 薇， 林国兵

(中国人民解放军九五医院， 福建 莆田 351100)

L4/5棘突间植入椎间融合器的稳定性及对相邻节段的生物力学特性和生物相容性的影响

洪志群， 叶 薇， 林国兵

(中国人民解放军九五医院， 福建 莆田351100)

目的探讨L4/5棘突间植入椎间融合器的稳定性及对相邻节段的生物力学特性与生物相容性的影响。方法采集18组新鲜成人冰冻脊柱标本，其中模拟L4/5棘突间植入椎间融合器为研究组，而正常标本为对照组，两组各9例，两组标本进行编号后经棘突间弹性内植入并用固定器进行固定。结果研究组于各个植入处在前屈、中心压缩、侧屈及后伸下的应变变化均较对照组小(P均<0.05)。于施加最大载荷600N下，研究组椎体的角位移与线性位移在左侧屈、左旋转、前屈、后伸状态下均小于对照组(P均<0.05)。结论L4/5棘突间植入椎间融合器可有效改善伤椎的活动度，保留其稳定性，有助于减轻椎间盘应力。

椎间融合器； 稳定性； 生物力学； 生物相容性

腰椎退行性变在国内外老年人群体的发生率较高，由于年龄的增长，椎间盘纤维环会引起玻璃样变及网状变性，导致原来的韧性与层次丢失，进一步形成各个裂痕，最终会造成完全破裂[1～3]。椎间盘髓核作为富含小分子弹性黏糖蛋白与水分的组织，亦包含纤维母细胞及软骨细胞等，并且椎间盘内的水量在很大程度上对其弹性状态与内在压力水平起到决定性作用[4,5]。同时，髓核的退变过程通常于纤维环与骨关节退变的条件下形成[6]。椎间隙压力一旦上升且椎间盘变性加快的情况下，会加深纤维环的裂隙，导致已变性的髓核会随着其裂隙方向突至边缘处，最终造成腰椎间盘突出[7]。近几年来，椎间融合器逐渐应用于临床治疗腰椎退行性变患者，该融合器为一圆柱体，中空周壁多孔且呈现螺纹状，由钛合金制成，主要由撑开-牵拉效应产生的椎体间界面而发挥固定作用[8]。本研究即探讨L4/5棘突间植入椎间融合器的稳定性及对相邻节段的生物力学特性与生物相容性的影响，旨在为临床提供一定的指导意义。

1 资料与方法

1.1一般资料：于2015年1月至2016年12月在我院骨科进行，采集18个新鲜成人冰冻脊柱标本，并将标本中的软组织予以剔除，对其腰椎L4/5部分进行截取，最终完成对腰椎功能阶段的制作。其次，对标本进行编号后，置于专用夹具中以固定，通过椎间融合器(来源：山东威高骨科材料有限公司)对棘突间进行弹性内植入处理。

表1 腰椎L4/5活动范围

1.2标本入选及排除标准：标本入选标准：成人尸体腰椎，均为男性；骨密度均处在正常水平。排除标准：通过X射线检查提示存在严重退行性变和腰椎疾病的标本；先天畸形；合并其他严重创伤及骨科疾病。研究已获得尸体家属同意，且通过我院伦理委员会批准实施。

1.3方 法

1.3.1分组情况：将18个标本分为两组，其中模拟L4/5棘突间植入椎间融合器为研究组，而正常标本为对照组，两组各9例。均对两组标本进行旋转运动、侧屈及伸屈的测量以评估其力学性质。经电阻应变仪(来源：北京一洋应振测试技术有限公司)连接后，尽量保持两组标本载荷、结构及性质的统一性以获得较为统一、精确的力学模型。本研究重在L4/5腰椎节段，其旋转运动、侧屈及伸屈的活动范围见表1。

1.3.2腰椎载荷情况：根据其体质量作用在腰椎上的质量以算出腰椎载荷程度，其生物载荷为600N，并从150N、300N、450N至600N逐级施加到标本腰椎上，施加速度调整为1.5mm/min。

1.3.3操作方法：将标本固定在应变仪上，其上端接有压力传感器及加载板，下端则固定在试验台上，利用对力矩大小的变化以测试两组标本伸屈、侧屈、前屈及后伸等情况，将左侧屈所测结果为侧屈结果，加载维持0.5min后对其结果进行记录，并在最大负荷600N下测量其线性移位情况。按照上述操作方法于电子扭转试验仪(来源：深圳君瑞仪器设备有限公司)上加载测试左侧旋转力矩大小以获得标本角位移情况。

1.4观察指标：两组标本在最大负荷600N下其L4/5腰椎左侧屈、左旋转、前屈、后伸状态下的角位移与线性位移情况；两组L4/5腰椎在前屈、中心压缩、侧屈及后伸下固定载荷与其应变关系。

2 结 果

2.1两组于最大载荷时不同状态下椎体位移情况：对比于施加最大载荷600N下，研究组椎体的角位移与线性位移在左侧屈、左旋转、前屈、后伸状态下均小于对照组(P均<0.05)。见表2。

表2 两组于最大载荷时不同状态下椎体位移情况对比

2.2两组L4/5腰椎在各个状态下固定载荷-应变关系分析：研究组于各个植入处在前屈、中心压缩、侧屈及后伸下的应变变化均较对照组小(P均<0.05)。见表3。

表3 L4/5腰椎在各个状态下固定载荷-应变关系分析

注：与对照组对比，*P<0.05

2.3相邻节段的生物相容性情况:在椎间融合器置入2个月后，与其相邻的节段部位存在成骨表现，其骨密度有所提升，且相邻节段位置透亮带呈现模糊；术后3个月其相邻节段已形成大量高密度骨，其透亮带有所减少，植骨界面呈模糊情况。

3 讨 论

腰椎退行性变中的退行性腰椎管狭窄症状在腰椎L4/5的发病率居于首位[9,10]，本次研究将载荷控制与位移控制为生物力学加载形式。为减少随机误差，以防采取同个标本引起的标本疲劳误差，本次研究将18个标本分为两组标本。研究报道指出[11]，腰椎L4/5节段在侧屈、伸屈及旋转的活动范围均值分别为6度、2度及17度，本次研究所测的活动范围处在文献指示的误差范围内，研究组的力学模型是具有可行性的，进而认为探讨L4/5棘突的生物力学及其生物相容性是可信的。

本研究结果发现，研究组于各个植入处在前屈、中心压缩、侧屈及后伸下的应变变化均较对照组小。于施加最大载荷600N下，研究组椎体的角位移与线性位移在左侧屈、左旋转、前屈、后伸状态下均小于对照组。分析其原因，植入椎间融合器可能会对椎体旋转、伸屈等运动程度产生一定的影响，会降低其椎间盘的应变能力，但能够增强椎体稳定性。并且，植入椎间融合器不会引起中心压缩的变化，可见，L4/5棘突间植入椎间融合器可有效改善伤椎的活动度，保留其稳定性，有助于减轻椎间盘应力。其次，该融合器具有以下几个特点：①大开式设计，能够刺激有效地进行移植物的移植与融合，有助于椎体端面与植入接触面发挥至最大化程度[12,13]。②具有抗脱出齿状，能够极大避免融合器脱出等情况发生，进而有效提升其稳定性。③具有防损伤圆弧形状，能够更方便椎体的植入操作，缩短操作时间。④具有丰富的尺寸，能够方便临床更好地进行选择。⑤该融合器的前凸角能够有效地进行径向平衡的修正[14]。椎间融合器操作简单可行，具有较强的压缩力和稳定性，能够改善椎骨生长，进而促进椎体间融合，最终有助于改善伤椎患者的生活水平。

此外，本研究结果发现，在椎间融合器置入2个月后，与其相邻的节段部位存在成骨表现，其骨密度有所提升，且相邻节段位置透亮带呈现模糊；术后3个月其相邻节段已形成大量高密度骨，其透亮带有所减少，植骨界面呈模糊情况。可见，L4/5棘突间植入椎间融合器后其生物相容性较好。该融合器通过撑开-压缩的作用机制，利用对其椎间隙的作用力与反作用力下能够发挥抗旋转扭曲的作用，同时可以利用植入骨、界面与受体骨进行结合后最终成骨。

综上所述，L4/5棘突间植入椎间融合器可有效改善伤椎的活动度，保留其稳定性，生物相容性较佳，有助于减轻椎间盘应力。但本次研究尚有不足，因条件有限，研究的标本数量较少，今后仍需进一步扩大标本数以不断探讨与总结。

[1] 马超,吴继彬,赵猛,等.不同手术方法治疗老年退变性腰椎滑脱合并腰椎管狭窄症疗效的比较[J].中华医学杂志,2012,92(9):620～623.

[2] Vokshoor A, Khurana S, Wilson D, et al. Clinical and radiographic outcomes after spinous process fixation and posterior fusion in an elderly cohort[J].Surg Technol Int,2014,25:271～276.

[3] 苏建成, 包杰,谭平先,等.GSS椎弓根螺钉结合椎间融合器治疗创伤性腰椎滑脱症临床分析[J].颈腰痛杂志,2016,37(1):35～37.

[4] 祖丹,海涌,鲁世保,等.腰椎棘突间动态稳定装置Conex最佳置入位置的生物力学研究[J].中华外科杂志,2014,52(3):179～183.

[5] Kim SM, Rhee W, Ha S, et al. Influence of alendronate and endplate degeneration to single level posterior lumbar spinal interbody fusion[J].Korean Spine,2014,11(4):221～226.

[6] 马金梁,李孝林,邓惠良.一种新型椎间融合器用于腰椎融合的有限元模型建立[J].上海医学,2012,35(11):960～963.

[7] 海涌,周立金,苏庆军,等.后路有限减压联合Conex动态稳定术治疗腰椎管狭窄症的临床研究[J].中国骨与关节杂志,2012,1(1)11～16.

[8] Urrutia J, Molina M. Fresh-frozen femoral head allograft as lumbar interbody graft material allows high fusion rate without subsidence[J].Orthop Traumatol Surg Res,2013,99(4):413～418.

[9] 李洋,罗飞,刘鹏,等.新型后路同种异体骨解剖形腰椎融合器的疗效[J].实用医学杂志,2014,30(7):1112～1115.

[10] Yang M, Zeng C, Guo S, et al. Digitalized design of extraforaminal lumbar interbody fusion: a computer-based simulation and cadaveric study[J].PLoS One,2014,9(8):e105646.

[11] 邹守平,蒲涛,黄强,等.椎板扩大开窗减压+膨胀式JR型椎间融合器融合治疗腰椎退行性疾病[J].颈腰痛杂志,2016,37(4):345～346.

[12] 廖壮文,范子文,杨进顺,等.自制一体成型式皮质骨生物型腰椎间融合器在腰椎后路椎间融合术中的中远期疗效[J].广西医学,2014,35(20):3214～3217.

[13] Karikari IO, Nimjee SM, Hardin CA, et al. Extreme lateral interbody fusion approach for isolated tlloracic and thoracolumbar spine diseases:initial clinical experience and early outcomes[J].Spinal Disord Tech,2011,24:368～375.

[14] Fogel GR, Turner AW, Dooley ZA, et al. Biomechanical stability of lateral interbody implants and supplemental fixation in a cadaveric degenerative spondylolisthesis model[J].Spine (Phila Pa 1976),2014,39(19):E1138～E1146.

TheStabilityofL4/5InterspinousInterbodyFusionCageanditsEffectsonBiomechanicalPropertiesandBiocompatibilityofAdjacentSegments

HONGZhiqun,YEWei,LINGuobing

(No.95HospitalofPLA,FujianPutian351100,China)

Objective: To investigate the effects of stability of the L4/5lumbar, biomechanical properties and biocompatibility of adjacent segments for interspinous fusion cage.Methods18 fresh adult frozen spine specimens were collected, including L4/5lumbar for interspinous fusion cage as the study group, and normal specimens as the control group, with 9 specimens in each group. The specimens of two groups were numbered and implanted in vivo and fixed by fixators.ResultsThe strain changes in different implantation for anteflexion, center compression, lateroflexion and rear protraction in the study group were smaller than in the control group (P all<0.05). Under the maximum load of 600 N, the angular displacement and linear displacement in left lateral flexion, levorotation, anteflexion and rear protraction in the study group were lower than in the control group (P all<0.05).ConclusionL4/5lumbar for interspinous fusion cage can effectively improve the vertebral activity and keep its stability, which is helpful to shorten the stress of the intervertebral disc.

Interspinous fusion cage; Stability; Biomechanics; Biocompatibility

1006-6233(2017)11-1776-04

莆田学院院内课题，(编号:闽莆院2014042)

林国兵

A

10.3969/j.issn.1006-6233.2017.11.005