由创伤、发育畸形、退行性疾病及骨肿瘤等引发的脊柱疾患需通过脊柱融合术来解决, 仅在美国每年实施脊柱融合术就超过20 万例。脊柱融合的实质并非再造原始解剖结构, 而是干扰病变解剖结构, 产生理想的力学排列^[1]。随着对脊柱融合的细胞与分子生物学方面的了解, 组织工程学为主的治疗策略为提高脊柱融合率带来了新的挑战与希望。现将生物型cage 及其在脊柱融合应用中的研究进展综述如下。

1 生物型cage 的概念

椎间自体骨移植被视为脊柱融合的金标准。然而, 常伴随供骨区并发症的高发生率。自Bagby^[2]研发腰椎椎间cage作为脊柱融合的替代物以来, 应用cage 的脊柱融合已证实其临床有效性。椎间cage 克服了自体移植骨的缺陷。目前, 临床应用的有金属与多聚碳纤维两类cage。前者为常见类型, 多由钛合金制成, 可设计成圆柱状、垂直环状、新月状等多种形状。尽管短期疗效显著, 但远期存在应力遮挡、内置物下沉、移位、脱出, 影像伪影(CT 或MRI 扫描)等弊端, 常由于金属的弹性模量超出椎体骨质的弹性模量所致^[3]。碳纤维类cage 具有透射线性、接近于骨质的弹性模量、防止应力遮挡等特性^[4、5]。最近, 有学者通过汽相淀积法在碳纤维材料表面用钽涂层, 影像学与生物力学评估显示其具有良好的抗压强度、抗疲劳特性^[6]。但远期易产生磨损颗粒及cage 崩解, 干扰融合效应^[7]。这两类cage 无法被人体吸收, 远期可能不利于人体健康。

为避免这些缺陷, 就诞生了生物型cage。其概念最早由Janssen^[8]提出, 它具有金属型cage 不具备的优势: 第一,由于没有伪影, 能获得理想的影像学评估; 第二, 可在生物环境中降解, 降解产物能参与正常细胞或生化代谢过程;第三, 独特的生物力学特性能提高融合率, 从某种程度上减少了内置物移位、局部下沉、脱出等风险。

2 生物型cage 的分类

2.1 异体骨cage

异体骨椎间cage 常采自于尸体骨, 现已作为矫形外科及神经外科最常用的cage 之一, 制备技术已使其能大规模生产成为医用商品( 例如美国再生技术公司的Biocleanse 产品) 。它分为不同的形状与外观, 具备不同的生物学特性。Janssen ^[8] 发现采制股骨环状的异体骨椎间cage 内置物功能等同于金属椎间cage。但其本身缺乏成骨细胞, 无法在所需时间内提供细胞生长的理想环境, 因此,其应用受到了限制。

2.2 脱钙骨基质(DBM) cage

DBM仅含部分骨形态发生蛋白(BMP) , BMP 在骨再生中发挥着重要作用, DBM通常具备诱导成骨活性, 但缺乏有效的生物力学支撑特性, 常被移植到非负重部位。

2.3 聚合物cage

聚合物cage 的生物学行为是稳定融合部位, 获得骨再生的前提下完成吸收, 这类cage 能模仿金属cage 的生物力学特性。Van Dijk 等^[9]证实了聚L 乳酸cage 具备金属类cage 的相似效应。然而, Krijnen 等^[10]发现移植于L3/4 椎间的聚左旋消旋乳酸融合器( PLDLLA cage) 在3~6 个月出现崩解、变形及低融合率。cage 崩解与高负荷情况下使聚合物cage 的降解加速有关, 其降解速度取决于局部力学负载程度外, 还与其他因素有关, 例如内在结构、加工技术、孔隙比率, 分子量, cage 的形状或移植部位等。聚合物cage 必须是无毒、生物相容性良好的材料, 应有控制良好的降解速率, 这点对于其作为生物型cage 尤其有利, 因为延缓降解过程会延长cage 的力学强度, 并能维持骨- 融合器的稳定界面。

2.4 陶瓷cage

陶瓷类cage 为羟基磷灰石(HA) 、磷酸钙(Calcium Phosphate, CP) 或两者与聚合物混合而成的聚乳酸羟基磷灰石cage, 聚合物磷酸钙cage^[11]。主要优点为无毒性、易于消毒及塑形。但力学特性欠佳, 常与其他坚硬内固定物联合应用。这类材料的降解特性常存在差异, Xie 等^[12]发现β- 磷酸三钙( β- TCP) 在椎间的降解情况优于HA, 这说明β- TCP 可能更容易被新骨替代。