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目的：

阐述椎间融合器的发展历程，对各种类型的融合器进行详细分析，以期为以后的融合器发展做出相应的指导作用。

方法：

第一作者应用计算机检索1989年1月至2016年3月PubMed数据库、中国知网的相关文章，英文检索词“interbodyfusioncage，PEEK，TMC”；

中文检索词“椎间融合器，聚醚醚酮融合器，钛网”。

共检索到106篇相关文献，38篇文献符合纳入标准。

结果与结论：

在椎体间进行椎体融合是目前治疗脊柱退行性疾病的主要方法之一。

目前在临床上使用的椎间融合器种类繁多，如钛网融合器、聚醚醚酮融合器、可吸收融合器等。

融合器中可采用的移植物也多种多样，如自体骨、异体骨、合成骨、骨形态发生蛋白等。

文章详细的描述了椎间融合器的发展历程，并着重阐述了临床上常用的椎间融合器，对未来椎间融合器的前景做出了估计，最后对椎间融合器的发展表达了自己的看法。

关键词：

生物材料；

骨生物材料；

椎间融合器；

移植物；

退行性变；

钛网；

聚醚醚酮融合器；

可吸收融合器主题词：

生物相容性材料；

脊柱融合术；

骨形态发生蛋白质类；

组织工程ResearchprogressofinterbodyfusioncageanditsmaterialsZhaoBo-ran,ZhengXiu-jun,MaJin-rong（AffiliatedHospitalofQingdaoUniversity,Qingdao266000,ShandongProvince,China）

Abstract

BACKGROUND:

Withtherapiddevelopmentoftechnology,mostinterbodyfusioncageshavebeenappliedinclinic,butsomearestillinexperimentalstage.Allfusioncagesholdtheirowndistinctcharacteristicsaswellasadvantagesandshortcomings.

OBJECTIVE:

Toclarifythedevelopmentcourseofinterbodyfusioncagesandanalyzetheirtypesindetail,therebypavingwaysforitsimprovement.

METHODS:

Acomputer-basedsearchforliteraturesinCNKIandPubMeddatabasespublishedfromJanuary1989toMarch2016wasperformedusingthekeywordsof“interbodyfusioncage,PEEK,TMC”inEnglishandChinese,respectively.Atotalof106articleswereretrievedand38articleswereinaccordancewiththeinclusioncriteria.

RESULTSANDCONCLUSION:

Intervertebralfusionisamajormethodtotreatspinaldegenerativediseases.Thereareavarietyoffusioncagesinclinic,suchaspyramesh,polyetheretherketoneandabsobablefusioncages.Implantsusedforfusioncagesincludeautogenous,allogenicandartificialbonesaswellasbonemorphogeneticprotein.Weintroducethedevelopmentprocessoffusioncagesindetail,emphasizethecommonlyusedfusioncagesandanalyzeitsdevelopmentinfuture.Intheend,wegiveouropinionsaboutthedevelopmentofintervertebralfusioncages.

Subjectheadings:

BiocompatibleMaterials;

SpinalFusion;

BoneMorphogeneticProteins;

TissueEngineering

Citethisarticle:

ZhaoBR,ZhengXJ,MaJR.Researchprogressofinterbodyfusioncageanditsmaterials.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2017;

21

（2）:

0引言Introduction

随着人口老龄化的加剧，以颈肩痛及腰腿痛为主要症状的脊柱退行性疾病正严重地影响人们的工作和生活。

在椎体间进行椎体融合术是目前治疗脊柱退行性疾病主要方法之一。

自从Kuslich等[1]于1988年首次将椎间融合器用于腰椎椎间融合术以来，各种材质的椎间融合器相继问世，并逐步应用于临床。

根据融合器的原料可以分为金属类和非金属类，其中金属类主要是钛网融合器，非金属类种类较多，主要包括生物型融合器、复合材料型融合器（如碳纤维、聚醚醚酮）、可吸收性融合器等。

融合器中的植骨材料也有很多种，包括自体骨、异体骨、合成骨、骨形态发生蛋白等。

其中按照融合器的形状又可分为圆柱形螺纹融合器、箱型融合器、垂直网状融合器和解剖融合器等。

文章旨在阐述椎间融合器的发展历程，对各种类型的融合器进行详细分析，以期为以后的融合器发展做出相应的指导作用。

1资料和方法Dataandmethods

资料来源由第一作者检索1989年1月至2016年3月PubMed数据及CNKI中国期刊全文数据库，以“interbodyfusioncage，PEEK，TMC”为英文检索词，“椎间融合器，聚醚醚酮融合器，钛网”为中文检索词，检索摘要内同时包含上述检索词的文献，总计中英文文献共106篇。

纳入标准①文章所述内容需为椎间融合器的临床试验研究，或者与椎间融合器安全性及疗效方面相关的报道；

②同一领域选择近期发表或在权威杂志上发表的文章。

排除标准重复性研究。

数据的提取计算机初检得到106篇文献，阅读标题和摘要进行初筛，排除中英文文献重复报道和因观察对照内容、因素、目的不同重复报道的病例，及文献内容与椎间融合器的不相关的内容。

质量评估符合纳入标准的38篇文献中，中文5篇，英文33篇。

其中29篇是关于各种类型融合器的描述，9篇是关于椎间融合器移植物的描述。

2结果Results

金属融合器

2.1.1BAK融合器金属融合器是科学家们最先研制出的并且最早应用于临床的椎间融合器。

Bagby等于1979年首次将不锈钢材料的中空带孔的柱状体（里面塞满咬除的碎骨块）用于马颈椎椎间融合术中，并取得了良好的疗效，称之为Bagby融合器[1]。

1983年Kuslich等[2]又成功研制了BAK融合器，并将其用于人的腰椎椎间融合术中。

BAK融合器的材料是钛合金，是一种中空圆柱状金属椎间融合器，融合器的上下表面都有许多大孔，将融合器植入椎间隙中，其表面的螺纹可以与上下终板进行咬合从而达到自稳的效果。

椎体的前后纵韧带以及纤维环因为被融合器撑开而处于一种张力状态，产生了“撑开-压缩张力带”效应[3]，从而加强了融合器稳定的效果。

1988年，Bagby成功的将BAK融合器用于治疗腰椎间盘突出症的患者，临床效果良好。

2.1.2螺纹状椎体融合器（ThreadedfusioncageRay-TFC）20世纪80年代末期，Ray等对最初的Bagby融合器进行改造，在融合器表面增添了螺纹结构，制成了Ray-TFC融合器，使其机械强度和稳定度都得到了增强[4]。

进行腰椎融合术时，经前路或者后路放入2枚Ray-TFC融合器，通过融合器两端的螺纹结构将上下2个椎体牢牢地固定住，术中可以在融合器中根据情况放入自体骨、异体骨或者合成骨，有利于椎间融合。

2.1.3LT（LumberTapered）融合器LT融合器前高后低，呈薄壁锥形，这样既可以扩大其接触面积又有利于恢复脊柱前凸。

与之前的金属融合器相比，它的侧壁有所缩短，有利于通过影像学方法来评估融合器内外新骨生成的情况。

Williams等[5]将骨形态发生蛋白2填塞到LT融合器中用于单节段腰椎融合术中，随访6年，影像学证实椎间隙稳定，有新骨生长，融合效果令人满意，患者的症状得到了改善。

2.1.4钛网融合器钛网融合器是一种垂直放置的钛制网状结构，手术过程中可以根据需要进行裁剪，中间还可以填入自体骨或者异体骨有利于融合。

钛网融合器可以提供椎体前柱的稳定性，恢复椎间隙的高度，常用于因感染、结核、肿瘤等需要椎体次全切除，保持椎体的稳定性。

经过实验研究发现，钛金属与其他金属相比具有很强的抗疲劳性和耐腐蚀性。

钛金属还具有较好的生物相容性，将钛金属植入到动物体内，与其他金属相比钛金属的排斥反应较小。

随着临床的应用，钛金属融合器的缺点逐渐显露出来：

①在X射线片上不能观察到骨融合的情况；

②钛合金弹性模量较高，术后容易出现临近椎体的下沉及应力遮挡等并发症；

③钛金属价格较昂贵，不利于临床的应用。

2.1.5其他金属融合器金属融合器具有较高的硬度及抗断裂韧性的特点，不锈钢及钴金属具有足够的强度，但它的弹性模量较高，植入人体后会出现应力遮挡作用，临床应用较少；

相比较，镁金属安全性较高，可随尿液排出体外，弹性模量较低，能有效地降低应力遮挡作用。

但是镁合金降解过快，无法提供足够的力学支撑。

目前研究在镁金属表面改性有助于缓解它的降解并提高生物相容性[6]。

碳纤维椎间融合器Brantigan等[7]于1991年成功研制出了应用于腰椎椎间融合的碳纤维椎间融合器。

碳纤维材料具有较好的生物相容性，其弹性模量接近骨组织，生物力学性能与骨皮质相近，有较小的应力遮挡作用，能有效地恢复脊柱的生理弯曲。

融合器的上下表面有很多棘突状突起，可以十分有效地防止融合器的滑动。

碳纤维融合器还具有抵抗轴向压力和弯曲压力的作用，联合椎弓根钉棒内固定后会有更好的稳定效果。

碳纤维融合器与金属融合器相比，最大的优点就是能透过X射线，可以观察到植骨融合的情况。

但碳纤维融合器的缺点也很明显，它的脆性较大，融合器较易发生破裂。

宋成哲等[8]选择腰椎退行性变行后路腰椎间融合术患者60例，并将他们随机分为碳纤维组和钛网组，在椎间融合器中植入自体骨并联合椎弓根钉棒内固定。

随访3-27个月，植入后1周椎间隙的高度有所恢复，植入后3个月JOA评分明显改善。

两组材料均没发现明显的排斥反应，无感染发生，融合器在体内表现出了良好的生物相容性。

但是钛网组有2例融合器出现下沉。

实验表明，碳纤维融合器和钛网融合器行后路植入人体椎间隙中都表现出了较好的生物相容性，2组融合器都能维持椎体的稳定性，很大程度上恢复椎间高度，但是与钛网融合器相比，碳纤维融合器发生并发症的概率更低。

聚醚醚酮融合器聚醚醚酮融合器是法国Scient’X公司研制的并于1997年用于临床。

聚醚醚酮是一种热塑性聚合物，具有高强度、高刚度、耐腐蚀、抗水解等机械性能，而且还有很好的生物相容性。

聚醚醚酮的的弹性模量较小，介于皮质骨和松质骨之间，远低于钛合金。

与钛合金相比，它的应力遮挡作用更小，能更好的促进骨愈合，降低了椎间融合器的下沉的风险，有效地防止了椎间隙高度的丢失。

聚醚醚酮融合器另一优势是它具有较好的透光性，可以透过X射线，以便于观察植骨融合情况。

刘利君[9]通过对聚醚醚酮融合器进行细胞毒性、急性全身毒性、黏膜刺激等试验，证实聚醚醚酮材料植入人体后具有良好的生物安全性。

但是聚醚醚酮融合器表面成骨效能较低，许多科学家将聚醚醚酮融合器的表面进行处理，在融合器表面填充纳米材料，从而提高它的成骨效能。

Niu等[10]将聚醚醚酮融合器和钛合金融合器分别用于人体颈椎前路手术中，其中聚醚醚酮融合器组有25例病人（神经根型颈椎病19例，脊髓型3例，混合型3例），融合器中使用同种异体骨移植；

钛合金融合器组有28例（神经根型21例，脊髓型3例，混合型4例），融合器中使用自体骨和磷酸钙混合物移植。

对两组患者随访12个月，研究发现，聚醚醚酮融合器组全部融合，而钛合金融合器组的融合率为86%。

与钛合金融合器相比，聚醚醚酮融合器能更好的纠正了颈椎前凸的角度、提高了椎体的稳定性和维持了椎间隙的高度。

同样，与聚醚醚酮融合器相比，钛合金融合器出现了更高的下沉率。

Cabraja等[11]将聚醚醚酮融合器和钛合金融合器分别用于单节段颈椎前路椎间盘切除减压融合手术中，其中聚醚醚酮组42例（神经根型34例，脊髓型8例），钛合金组44例（神经根型36例，脊髓型8例）。

融合器中都不添加任何的移植物。

随访28个月，研究发现，在术后临床表现、椎间融合率、下沉率等方面2组差异无显着性意义。

科学家得出结论，弹性模量只是融合器特性之一，椎间融合还受许多特性的影响。

Meier等[12]将聚醚醚酮融合器和碳纤维融合器用于颈椎前路椎间盘切除减压融合中，其中聚醚醚酮组60例，碳纤维组17例。

随访12个月，研究发现，2组在融合率方面差异无显着性意义，然而碳纤维组却有融合器下沉的倾向。

此外，碳纤维融合器的价格比聚醚醚酮融合器高。

2.3.1两种材料混合的聚醚醚酮复合物将不同种活性粒子填充在聚醚醚酮表面，从而提高它的表面活性。

纳米羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料：

将羟基磷灰石与聚醚醚酮混合制成羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料，这种复合材料能够显着地提高聚醚醚酮融合器的生物活性。

羟基磷灰石的钙磷比与正常骨组织的十分相似，它是一种众所周知的成骨材料，有促进成骨作用。

Yu等[13]在聚醚醚酮融合器中添加不同体积的羟基磷灰石颗粒，制成聚醚醚酮/羟基磷灰石混合物，然后将这些不同体积的混合物分别浸入模拟体液中4周，结果显示随着羟基磷灰石体积分数的增加，混合物的成骨效能逐渐增强。

Converse等[14]对含有不同体积分数的羟基磷灰石增强聚醚醚酮复合材料进行纹理分析和拉伸实验，证实10%和20%的羟基磷灰石增强聚醚醚酮复合材料分别具有90MPa和75MPa的抗拉强度，与人的皮质骨纵向抗拉强度相近，从而证明它是具有优良力学性能的植入材料。

碳纤维/聚醚醚酮复合材料：

为了增强聚醚醚酮融合器在椎间融合中的生物活性和力学性能，研究人员在聚醚醚酮融合器表面添加一定比例的碳纤维，其弹性模量与力学性能均有所增加。

石志才等[15]将碳纤维/聚醚醚酮融合器植入到犬的腰椎椎间隙，发现材料的小孔内有大量的骨组织长入，说明具有良好的成骨性。

Wang等[16]研究发现，在润滑条件下，与纯聚醚醚酮相比，碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的粗糙度明显下降，材料更加光滑平坦但是碳纤维/聚醚醚酮融合器仍然有下沉的风险。

纳米氟磷灰石聚醚醚酮复合材料：

众所周知，氟离子可以抑制细菌生长，减少炎症反应的发生。

周聪颖等[17]分别将纳米氟磷灰石聚醚醚酮复合材料与单纯的聚醚醚酮材料植入犬的胫骨内，于第8周末及第12周末，提取骨组织进行染色及测量骨结合率。

通过分析，得出植入纳米氟磷灰石聚醚醚酮复合材料犬的胫骨四周新骨生成的速率更快。

实验证实，纳米氟磷灰石聚醚醚酮复合材料成骨性能较好。

纳米二氧化钛聚醚醚酮复合材料：

在聚醚醚酮融合器中加入二氧化钛粒子增加了融合器表面的粗糙程度，而且还增大融合器的内部空间。

Tsou等[18]进行纳米二氧化钛聚醚醚酮复合材料与单纯的聚醚醚酮材料的细胞实验，结果显示，与单纯的聚醚醚酮材料相比，二氧化钛聚醚醚酮复合材料表现出了较好的细胞相容性。

Wu等[19]将二氧化钛与聚醚醚酮融合器进行混合，制成纳米二氧化钛复合材料，实验得出成骨细胞更倾向黏附在二氧化钛表面的暴露部位。

由此得出，二氧化钛提高了骨再生能力，也提高了聚醚醚酮生物活性。

2.3.2多种材料混合的聚醚醚酮复合材料在羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料中添加碳纤维、氟离子等，不仅能弥补各种融合器的不足，还能改善聚醚醚酮融合器的生物活性。

纳米氟化羟基磷灰石聚醚醚酮复合材料：

Wang等[20]通过多种原料混合制备的纳米纳米氟化羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料进行了体内外实验。

体外结果显示，纳米纳米氟化羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料的细胞黏附性及增值能力都得到提高，而且有良好的抗菌性。

体内结果显示，纳米纳米氟化羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料新生骨体积明显增高。

碳纤维聚醚醚酮纳米羟基磷灰石复合材料：

有学者将不同体积分数的羟基磷灰石混入到碳纤维/聚醚醚酮复合材料中，并将其提取液与大鼠成骨细胞进行体外培养，研究表明，复合材料在培养过程中没有表现出明显的细胞毒性作用。

冯惺等[21]将聚醚醚酮/羟基磷灰石/碳纤维放入模拟液中14d，观察到表面有完整的羟基磷灰石覆盖，研究证明，聚醚醚酮/羟基磷灰石/碳纤维表现出良好的细胞相容性和成骨效能。

自从复合材料融合器投入到临床以来，是目前临床上比较常用的、安全的椎间融合器。

与其他材质的椎间融合器相比有着非常明显的优势，但是在临床使用过程中还经常出现很多问题，如融合器时常出现松动、融合器会损伤到神经根、降低了椎间隙的高度、椎间不融合等。

此外，因融合器的材料是以聚醚醚酮为主的复合材料，不容易被人体吸收，在体内存在占位效应，对于想要再次手术或者临近节段手术会有比较大的影响。

在不久的将来，科学家们有望通过综合应用各种技术制备出生物性能更好的材料，更好的应用临床，造福广大患者。

可吸收椎间融合器虽然金属及碳纤维融合器在临床存在一定的优势，但在使用过程中也表现出一系列问题，科学家们逐渐的将目光转移到研究可吸收性的椎间融合器。

可吸收融合器要具备以下一些特点：

①要有较好的生物相容性，不会引起机体的免疫排斥反应，而且不会刺激周围组织，引发周围炎症反应；

②要有适合的力学强度，对椎间隙有较好的支撑；

③要与正常骨组织有相似的弹性模量，从而防止应力遮挡作用的发生；

④在体内可吸收材料要逐渐地被人体吸收溶解，材料被吸收的速率要与体内新骨生成的速率相一致；

⑤具有生物安全性，无毒副作用。

2.4.1现在临床上应用较多的可吸收材料是聚乳酸和聚乙醇酸聚乙醇酸在体内处于不稳定状态，在体内1个月内就能完全被人体吸收降解，因此临床上并不把它单独作为椎间融合器的材料。

乳酸在自然界存在左旋聚乳酸和右旋聚乳酸两种同分异构体，临床上以左旋聚乳酸更为常用。

临床上常用70∶30的聚左旋消旋乳酸指包含70%左旋聚乳酸和30%右旋聚乳酸比例混合的复合多聚体。

VanDijk等[22]在山羊腰椎椎间隙植入了左旋聚乳酸融合器，研究它的生物力学的性能。

研究人员首先对山羊椎节的屈服强度及极限强度进行测量，得出屈服强度和极限强度分别为kN和7kN。

在测量的基础上设计出了与山羊腰椎具有相同屈服强度和极限强度的左旋聚乳酸融合器。

研究人员按是否填充自体骨以及是否刮除软骨终板平均分为4组，还添加了周围带有齿钛合金组及四周光滑的钛合金组。

实验表明，4组融合器在山羊体内都表现出了较好的稳定性，而且都没有对椎节的耐压强度产生负面影响。

但是，与可吸收融合器相比，有齿的钛合金组对山羊腰椎椎节的耐压强度产生了严重影响。

科学家通过显对骨组织结构进行观察，随着时间的延长，左旋聚乳酸融合器骨融合不断进展。

而钛合金融合器内的变化要比左旋聚乳酸融合器缓慢。

Krijnen等[23]将70/30聚左旋消旋乳酸融合器和钛合金融合器植入山羊L3，4节段，其中70/30聚左旋消旋乳酸融合器又细分为内固定组与不内固定组。

分别在3，6，12个月进行观察，在影像学上显示椎间融合率差异无显着性意义。

但是，不进行内固定的聚左旋消旋乳酸融合器组术后3-6个月容易发生断裂、变形，融合率也较低。

Kandziora等[24]对聚左旋消旋乳酸融合器、聚合磷酸钙复合材料融合器、自体髂骨在山羊C3，4模型中进行对照研究，发现聚合磷酸钙复合材料融合器能更好的保持椎间隙的高度，生物学效能更好，并且在影像学显示椎间融合率更好。

而聚左旋消旋乳酸融合器和自体髂骨组之间则无显着差异。

Simth等[25]通过对左旋聚乳酸、右旋聚乳酸、70/30聚左旋消旋乳酸3种材料进行形变动力学分析，虽然聚乳酸类融合器力学强度可以维持到8个月，但是在放入体内3个月就开始溶解了，猜想可能是静态载荷对聚乳酸长期影响有关。

2.4.2其他可降解的融合器Hojo等[26]将羟基磷灰石/左旋聚乳酸锻造复合材料制成融合器并与碳纤维融合器、自体髂骨经后路植入到山羊L2，3进行对照研究，术后120d进行影像学及生物力学分析，羟基磷灰石/左旋聚乳酸锻造复合材料融合器组的生物相容性优于碳纤维融合器组（图1）。

2.4.3可吸收融合器的临床应用Lanman等[27]对43例腰椎间盘疾病的患者行后路腰椎手术，植入可吸收椎间融合器，融合器中填入重组人骨形态发生蛋白2，随访12个月，6个月时影像学显示椎间融合率为98%，12个月时有11例患者经CT检查，显示有明显的骨桥生成。

全部患者临床表现良好，椎间隙能够保持高度的稳定，未发生感染等并发症。

Kinaci等[28]对26例腰椎间盘疾病患者分别植入聚左旋消旋乳酸融合器与聚醚醚酮融合器进行随机对照研究，并进行了长期随访，发现在12个月时2组症状都明显得到了改善。

到了24个月，聚左旋消旋乳酸融合器组较聚醚醚酮融合器组术后临床症状改善不明显。

通过CT扫描发现，聚醚醚酮融合器组中92%患者得到了牢固的融合，而聚左旋消旋乳酸融合器组中只有50%。

科学家们猜想，聚左旋消旋乳酸融合器组融合率较低的原因可能是聚左旋消旋乳酸融合器较早发生了溶解，导致了机械强度的降低。

Jiya等[29]对70/30聚左旋消旋乳酸与聚醚醚酮分别应用在腰椎疾病患者中，进行前瞻性随机对照研究，随访1年以上，在融合器下沉率、椎间融合率、临床症状改善方面，聚醚醚酮材料融合器都优于70/30聚左旋消旋乳酸融合器。

可吸收融合器虽然有很多优点，但是也有自身的缺点。

如降解产物有可能导致人体的炎性反应和促进骨溶解；

内脆性较大，手术过程中有碎裂的风险。

目前可降解融合器仍然处于起步阶段，存在不少急待解决的问题，