作者：首都医科大学宣武医院骨科 孙祥耀
脊柱支撑身体的重量，为日常活动提供灵活性，并保护神经系统；除此之外，脊柱需要承受压缩/拉伸、弯曲、扭转力矩或组合载荷等各种生理载荷。脊柱退行性变会导致疼痛、神经系统问题和行动不便。衰老、创伤和异常运动也会引起脊柱严重问题。多项研究报告称，最常见的脊柱问题是
传统腰椎融合手术生物力学实验研究的探讨
既往研究通过实验分析了完整脊柱和内固定植入后脊柱的功能和生理运动特征。Wilke等报道了一项体内测试研究，旨在测量各种身体运动和姿势下的椎间盘内压力(IDP)，其将探针插入活体IVD中。当受试者举起20kg的重物时，观察到2.30MPa的IDP，这种观察结果可能因患者而异。在屈曲和伸展过程中躯干肌肉力量变化的测试中，其使用了随动载荷(沿路径施加的压缩载荷)技术，以模拟跟随脊柱曲率的上半身重量，这使整个腰椎近乎只受到压缩载荷；竖脊肌肌力的观察值在站立时为100N，在上半身伸展15°时为130N，在上半身弯曲30°时为520N。
手术治疗的方法需要去除或改变相关IVD和韧带的生物力学特性。脊柱融合手术中退变的IVD被移除，椎间盘间隙被不同类型的cage取代，以矫正脊柱曲度和椎间孔高度。PLIF和TLIF通常需要PS和连接棒来维持节段稳定性。其中PLIF是较为常用的手术方法，通过身体背侧入路，应将硬膜囊向侧方牵拉以便显露IVD。既往研究对各种手术方法(PLIF、ALIF、TLIF、OLIF等)进行了单独分析及比较研究；临床研究结果更支持TLIF手术，因为与其它方法相比，其创伤更小；在TLIF中，关节突关节的部分被切除以显露IVD，并且其不存在对硬膜囊或腹肌进行有创操作等危险因素。然而，在ALIF和LLIF中，需要切开大部分腹部肌肉才能显露IVD。
一项尸体研究比较了间接减压(通过ALIF进行减压)和直接减压(通过TLIF进行减压)之间椎间孔面积的变化。该研究还将测得的椎间孔面积与完整脊柱的椎间孔面积进行了比较。结果表明，通过ALIF进行椎间植骨融合术具有出色的减压效果。在尸体研究中，Lai等量化了使用LLIF手术进行椎间融合术后腰椎的生物力学稳定性(图1)。其研究中使用的内固定种类包括无辅助内固定的cage植入、LLIF联合单侧椎弓根螺钉(UPS)固定、LLIF联合双侧椎弓根螺钉(BPS)、LS和外侧内固定板(LP)(LLIF联合LP)、LLIF联合棘突间内固定板(IP)和LLIF联合LP和IP。该研究观察到LLIF联合BPS，LLIF联合LP和IP结构的ROM显著减少。另一项尸体研究比较了植入独立cage或带有辅助BPS的cage的腰椎节段稳定性。该研究观察到，当植入具有辅助BPS(多重构造装置)的cage以实现结构稳定时，应力遮挡并不显著。然而，该研究没有分析融合节段和相邻节段治疗失败的情况。因此，独立cage植入的长期疗效是未知的。一项尸体生物力学研究调查了5种不同情况下的脊柱ROM；完整的腰椎、棘突固定装置CDHorizonSPIRE脊柱系统(德国美敦力公司)、PS固定装置，“Facfix”(关节突关节固定类型)和“LatPlat”(与PS一起用于固定棘突)。
据报道，关节突关节固定类型在所有生理载荷下都具有更高的稳定性。术后脊柱ROM的分析结果表明关节突关节固定类型的装置并不优于BPS内固定装置。既往研究将脊柱采用不同内固定系统进行ALIF治疗后，在静态和振动条件下分别进行生物力学测试；最终发现，与ISS相比，BPS更具有优势。部分关于LLIF的生物力学研究集中讨论一个或两个腰椎手术节段；除了LLIF和PLIF，其它研究分析了使用TLIF植入cage之后的生物力学性能。其中一项研究比较了3种不同形状cage通过TLIF植入后的生物力学性能；其分析的cage设计类型包括肾形、铰接式和子弹形cage；该研究无法确定何种cage的设计明显优于其它cage；此研究中cage的足印位置被认为是植入位置，然而研究结果与这些位置无关。对于任何类型的cage，均可以通过比较术前和术后ROM下降的百分比以及观察到的应力遮挡程度来分析其生物力学性能。ASD也应被视为预测cage或任何其它脊柱植入物治疗效果的参数。这种与生物力学性能相关的比较研究在既往文献中较为少见。很多研究侧重于完整脊柱和内固定系统植入后脊柱的应力和应变分布，以预测使用不同内固定系统进行腰椎融合手术的成功率。然而，分析骨组织重塑及其对相邻椎间盘影响的研究数量较为有限。为了真实地模拟IVD，应考虑将局部细胞外基质(ECM)的组成和结构与其机械性能相关联。应考虑AF和NP(水分、固定电荷密度、胶原蛋白和基质)成分的体积分数，因为这会直接影响AF和NP的生物力学特性。为了预测相邻椎间盘随时间延长而逐步退变的情况，还应考虑由于细胞活动引起的生化组分变化。较少有研究使用耦合机械调节算法研究骨密度变化和椎间盘退变情况进而分析IVD的生物力学性能变化。这种模型的局限性在于其具有患者特异性，这将使得概括任何生物力学和临床研究的相关结论变得更加复杂。在这种情况下，将需要更多的患者和更长时间的临床随访。
微创腰椎融合手术生物力学实验研究的探讨
由于传统开放手术的切口较长并且会出现相关并发症，微创(MI)手术技术在治疗LBP方面的应用越来越广泛。MI手术的优点包括减少对肌肉和软组织的创伤、失血量较少和恢复更快。在MI融合手术中，可以使用可撑开cage代替静态cage。Cannestra等评估了使用MI联合TLIF技术在L4～5IVD植入不同cage的稳定性；标本被植入旁中央(可撑开)Ti6Al4Vcage或带有UPS和BPS的传统(不可撑开)PEEKcage；研究发现，可撑开cage的生物力学性能与传统cage相似；使用可撑开的Ti6Al4Vcage可能会额外产生腰椎前凸的矫正作用。既往研究将MI可撑开cageCaliber-L(GlobusMedical,Inc.，美国)与TLIF静态cageSustain-O(GlobusMedicalInc.，美国)分别植入尸体脊椎滑脱尸体标本的L4～5节段，分析脊柱ROM的变化在这项研究中；研究发现，带有UPS固定装置的可撑开cage提供的稳定性与带有BPS的TLIFcage相当；然而，对于可撑开cage而言，终板塌陷较为常见。一项研究使用TLIF方法对12具L1～5尸体标本植入可撑开cage，并对脊柱ROM进行测量。这项研究发现，在减少ROM方面，静态cage和可撑开cage之间没有显著差异。此外，有研究使用Wave-D可撑开cage(MedtronicInc.，美国)对7个L2～5尸体标本进行了类似的研究。该研究发现使用Wave-D时，腰椎ROM显著减少。
最近的一项研究发现可撑开cage会出现终板损伤、cage下沉以及椎间高度和神经间孔高度损失；除此之外，可撑开cage过度扩张会导致症状复发，特别是在骨质量差的患者中发生率更高。尽管可撑开cage表现出较好的治疗效果，但一些研究报道称，可撑开cage的治疗效果并不优于静态cage。最近的一项研究发现，可撑开cage应用后，只有椎间盘前方高度明显改善，额外的PS辅助固定不能显著促进腰椎矢状位平衡状态的改善。最近有研究推出了独立的可撑开装置Varilift-L(WenzelSpineInc.，美国)。该装置不需要任何辅助内固定来融合手术节段。临床报道，独立可撑开cage翻修发生率低，融合更好，症状能够有效缓解。有研究比较了MI后路cage植入与独立可撑开cage植入之间的疗效差异。可撑开cage旨在减少神经系统并发症，实现更好的腰椎前凸矫形效果，并提高植入操作的便利性；然而，此类装置十分昂贵。通过回顾与这些新型装置相关的研究可以发现，这些装置可能导致ASD的风险存在明显差异。据观察，在独立可撑开cage的应用过程中存在椎间融合方面的并发症。除此之外，没有关于可以使用TLIF方法植入的独立可撑开cage的设计结构不同对治疗效果影响的相关文献。目前仍需要更多的研究来开发此类内固定装置。
最近，有研究报道了一种可以植入IVD上以在显微镜下椎间盘切除术后，使用可以植入到IVD表面以闭合纤维环破口的环形闭合装置(ACD)。需要进行显微椎间盘切除术以去除IVD的突出部分。植入的ACD有助于阻止椎间盘突出复发。几项临床研究试图确定ACD在腰椎区域的表现。临床研究观察到患者的钛质骨锚钉断裂。封闭纤维环破口的部分是编织涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯)；在几例患者中观察到编织涤纶剥离。
合成仿生脊柱模型在腰椎融合手术生物力学实验研究中应用的探讨
由于尸体和动物标本具有传播疾病、样本变异性高、易于腐烂和容易材料疲劳等局限性，合成仿生脊柱模型已被用作替代方案。对合成脊柱的反复测试不会改变其生物力学特点。这些模型提供了在许多不同程序之间进行无遗留影响的无损检测(NDT)选项。合成模型的标本内变异较小，没有明显生物危害。最近，一项实验研究使用人工完整脊柱模型来测量整个腰椎的ROM。该研究观察到，测量的ROM数据与尸体研究的已发表数据相当。一般来说，合成仿生模型是尸体脊柱模型的经济高效的替代品。为了验证目的，一些研究对人工模型进行了生物力学测试。合成仿生脊柱模型可以通过多种材料制成，如聚氨酯、聚乳酸等，根据需要模拟不同的脊柱节段和生物力学特性，例如模拟椎体、椎间盘、韧带、椎弓根等结构，同时可以调整材料的硬度、弹性等参数以实现不同的生物力学特性。在腰椎融合手术生物力学实验中，可以使用合成仿生脊柱模型模拟患者腰椎的结构和特点，通过模拟手术操作和植入融合植入物来评估植入物的稳定性和融合效果，提供可靠的实验数据和参考依据。合成仿生脊柱模型在腰椎融合手术生物力学实验研究中具有重要应用价值，可以为脊柱手术技术的开发和临床实践提供有效支持，有助于提高患者的治疗效果和生活质量。
展望
脊柱融合手术不仅会影响脊柱的力学特性，也会影响椎间盘的生物力学特性。尽管部分研究建议提高对ASD的关注，然而对其形成原理和随时间而进展的详细情况的分析较为有限。很少有研究比较不同手术之间ASD的严重程度和发生风险。未来的实验研究需要进一步评估融合植入物和手术技术对椎间盘高度、刚度、应力分布等影响，为腰椎退行性疾病的治疗提供更有效的方法。未来需要进一步优化脊柱融合手术植入物的材料和结构设计，以提高植入物的生物相容性、机械强度和生物活性。需要进一步开发独立可撑开cage，并对可撑开cage和静态cage的生物力学性能进行比较研究。到目前为止，临床上已经使用了多种不同几何形状的cage。然而，cage的几何形状对相邻节段生物力学特点的长期影响尚不清楚。对融合手术中使用的多孔cage中骨组织向内生长的研究将有助于明确最佳的cage设计理念。在生物力学实验中，采用仿真技术模拟手术操作过程可以更加真实地模拟手术环境和手术过程，有助于减少实验误差，提高实验数据的可靠性。除此之外，应当继续发展个性化治疗方案。未来，可以结合融合植入物和个体化设计手术技术，实现更好的治疗效果。例如，可以利用生物力学实验数据和计算机模拟技术，对每位患者的脊柱进行个性化的手术方案设计和植入物选择。
来源：中国骨与关节杂志2025年4月第14卷第4期
(本网站所有内容，凡注明来源为“医脉通”，版权均归医脉通所有，未经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，否则将追究法律责任，授权转载时须注明“来源：医脉通”。本网注明来源为其他媒体的内容为转载，转载仅作观点分享，版权归原作者所有，如有侵犯版权，请及时联系我们。)
