3 生物型cage 的生物学特征及其设计
骨内生长与骨整合需要组织调控良好的多孔状结构及力学传导信号, 所以, 理想的生物型cage 应具备以下特征: ①提供细胞生长的良好界面, 易于细胞锚着、迁移扩增; ②具备多孔性, 为生长因子提供释放载体; ③接近宿主骨的生物力学特性、承载适当生物力学负荷, 例如, 人小梁骨的弹性模量为50MPa, 其抗压强度为5MPa, 这样能限制因内置物应力遮挡所致的骨量丢失; ④降解速度及程度与骨再生完成相匹配。
如何优化设计生物降解性椎间cage 已成为近年来研究的热点[13]。从生物学观点, 应运用组织工程学技术的理念来研制椎体间cage, 也可采用计算机辅助技术、三维有限元分析等新兴技术来裁制其形状与尺寸。有限元分析( element finite) 有助于cage 设计及分析融合过程中cage的生物力学变化[14]。如何在减少应力遮挡与生物活性因子载释的多孔性之间获得平衡显得特别重要, 使cage 获得理想的力学特性, 同时保留供生长因子控释的内在显微孔道。Lin 等[15]尝试采用集成全局设计与优化显微拓扑结构研制新型椎间融合cage, 与常规带螺纹刻度的cage 比较早期稳定性及远期应力遮挡对新骨生长的影响, 显示其具有较低的应力分布, 可减少局部下沉与应力遮挡。
4 生物型cage 用于脊柱融合的实验研究
生物型cage 的实验研究涉及生物力学、组织形态学、生物相容性及临床前瞻性等方面研究。Lippman 等[16]报道了脊柱融合中不同比例成分可吸收性复合cage 的效应,证实85∶15 聚左旋消旋乳酸/聚乙醇酸( PLDLLA/PGA) 椎间cage 因吸收过快在颈椎前路两节段融合中失效, 而70∶30 PLDLLA/PGA 椎间cage 能发挥金标准的作用。复合椎间cage 成分比例的不同具有不同的生物学效应, 所以, 有可能改变匹配材料的理想比例来构建最佳形状的椎间cage。
生物力学研究在脊柱融合研究中起着重要作用, 特别是评估不同椎间cage 的疗效。Shikinami 等[17]报道了采用羟基磷灰石原颗粒/聚左旋乳酸( u- HA/PLLA) 制成的可吸收性椎间cage, 测试开放盒状、圆柱状、垂直环状三种cage, 并与金属类及碳纤维或聚合物cage 相比较。结果显示三种cage 的抗压强度超越了金属类及碳纤维cage。
为了进一步评估生物可吸收性新型椎间cage 的力学特性, Pflugmacher 等[18]报道了使用羊模型进行颈椎可吸收性cage( 命名为resorbon) 的生物力学研究。结果表明, 与其他组相比, 在颈椎屈伸位resorbon 椎间cage 的移动显著减少、硬度明显增加。他认为resorbon 椎间cage 的体外生物力学特征等同或优于金属cage, 能替代目前金属椎间cage。
Kaniziora 等[20]报道了胰岛素样生长因子- Ⅰ( IGF-Ⅰ) 和转化生长因子- β1( TGF- β1) 涂层的PDLLA cage 具有很高的骨矿化密度、骨矿化含量及骨痂数量, 尽管在12周内未达到骨性融合, 他指出PDLLA cage 能作为生长因子释放的有效载体。然而, 这种释放体系尚存在某种缺陷,生长因子涂层的cage 与局部血供接触时, 易丧失生长因子的原始浓度。此外, 该体系缺乏种子细胞, 意味着无法与其靶细胞有效结合。所以, 正确评估生物活性物质释放体系应着重于选择合理的载体、与靶细胞( 或种子细胞) 结合能力、诱导成骨环境等方面。
5 生物型cage 用于脊柱融合的临床研究
Jeffrey 等[21]采用聚内消旋乳酸cage 和自体髂骨经椎间孔行腰椎间融合术, X 线评估椎间骨小梁形成情况。31例患者平均随访19.4 个月, 坚强融合达96.8%, 平均随访1年时SF- 36 疼痛评分由27.7 分改善到50.0 分, 功能评分自38.3 分改善到52.3 分, 81%的患者疗效优良。
Lanaman 等[22]报道20 例退变性颈椎间盘疾病患者行单节段或多节段颈椎前路融合术, 移植含rhBMP- 2 的聚左旋消旋乳酸( PLDLLA) 椎间cage, 随访6 个月。3 个月时, X 线与CT 检查示所有患者均达到椎间融合; 6 个月时, 仍保持融合状态; 患者的SF- 36 疼痛评分、精神状态及功能评分均有不同程度的改善。
Cho 等[23]将100 例颈椎病患者分为2 组, 分别采用含双相磷酸钙的PEEK cage (A 组) 与含自体髂骨的PEEKcage(B 组) 进行前路融合。术后第5 个月, A 组融合率低于B 组, 但第6 个月, 两组融合率均为100%。Cho 认为A 组缩短了手术及住院时间, 减少了术中出血, 消除了供骨区并发症等危险, 含双相磷酸钙的PEEK cage 为颈椎融合的良好替代物。
目前, 生物型cage 的临床应用主要集中在聚乳酸合成物、异体骨及生物陶瓷类cage, 其他聚合物cage 的研究报道甚少; 融合应用部位多为腰椎, 其次为颈椎。有关感染、内置物松动与下沉、融合失败等并发症尚未见报道。
