人工椎间盘及髓核假体的生物力学

背景：全椎间盘或髓核假体是否符合人的椎间盘的解剖特点、生物力学是目前关注的焦点。 目的：综述目前存在的人工椎间盘及髓核假体的类型及其生物力学特征。 方法：由第一作者用计算机检索万方数据库、中国期刊全文数据库和PubMed数据库,检索时间：1989/2011,检索词分别为“椎间盘、髓核、人工假体、生物力学”和“intervertebral diac,nucleus pulposus,artificial prosthesis,biomechanics”,语言分别设定为中文和英文。纳入与人工椎间盘及髓核假体的材料类型及其生物力学特性相关的研究,排除重复性研究。共检索到72篇文章,按纳入和排除标准对文献进行筛选,共纳入26篇文章进行分析。 结果与结论：目前应用于人工椎间盘的材料有钴铬合金、钛合金、不锈钢、陶瓷和超高分子量聚乙烯等。应用不同材料制备的人工椎间盘假体校多,其中Bryan假体在临床中最常用,体外实验、三维有限元分析及临床研究均证实其具有良好的生物力学特性,置换成功率高。目前存在的人工髓核假体有预制型和原位聚合型,由于其手术损伤小,是目前研究的热点,但仍很难达到人体髓核的生物力学功能。发掘新型材料和设计个性化假体是将来的发展方向。      

人工髓核治疗颈椎间盘病变的动物实验研究

目的通过动物体内实验对生理状态下人工髓核在颈椎功能单位稳定性中的作用进行评估。方法实验动物为健康杂种犬30只,分为完整组（A组）、人工髓核组（B组）、颈椎间盘病变组（C组）,颈椎间盘病变组和人工髓核组分别经前路行髓核摘除术和人工髓核植入术,术后3个月处死动物,取标本固定,应用脊柱三维运动生物力学机测试时,施加最大载荷为1.0 N.m的6个方向上的力偶,使测试节段产生前屈、后伸、左右侧弯和左右轴向旋转运动,测量运动范围（ROM）和中性区（NZ）,然后施加0 N和100 N的轴向载荷下测量椎间隙高度变化。结果人工髓核组同完整组相比较,节段活动无显著差异（P〉0.05）;颈椎间盘病变组同完整组相比较,颈椎节段活动明显增加,稳定性下降（P〈0.05）。人工髓核组在0 N载荷下,椎间隙高度较完整组平均升高0.2 mm,100 N载荷下椎间隙高度较完整组平均升高0.1 mm。结论植入人工髓核能有效满足颈椎的稳定性和维持椎间隙高度,可考虑将其应用于治疗颈椎间盘病变。     

人工颈椎间盘置换术后颈椎生物力学的有限元分析

目的研究人工颈椎间盘植入术后节段的活动以及临近节段椎间盘、椎体内应力改变。方法建立C4～C7有限元模型，于C5C6之间分别植入人工椎间枯及植骨融合，计算在正常加载下压缩、屈曲、侧偏、轴向旋转时C4C5椎间盘及C5椎体内应力变化，以及C5C6节段的活动度。结果植入人工椎间盘后，该节段的活动基本正常，植骨融合术后该节段的活动丧失60～80％。植骨融合术后在压缩状态时，临近的上下椎间盘内应力明显增加，C5椎体内应力增加幅度最人，人工椎间盘置换术后临近节段椎间盘及椎体内应力变化很小。结论人工颈椎间盘置换可以恢复颈椎的正常活动，对于临近节段的牛物力学影响甚微。     

颈椎人工椎间盘置换有限元分析

目的　建立C4~5节段PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘植入后的三维有限元模型,进行手术节段的运动分析。 方法 采用对成年男性的新鲜尸体的颈椎标本进行CT三维扫描方法建立C4~5节段和PrestigeTM-LP人工间盘有限元,模拟完成C4~5人工椎间盘置换手术。测量生理加载下手术节段前屈/后伸、侧弯及轴向旋转运动角度。结果 有限元模型对颈椎的结构,包括椎体间韧带、颈椎关节突关节、钩椎关节等均进行了精确的重建,并较好地模拟手术操作进行PrestigeTM-LP人工间盘植入。运动加载后运动角度,前屈5.7°,后伸3.5°,侧弯5.0°,旋转11.3°,与文献报道结果较为接近。 结论　有限元模型具有精确度高,手术模拟真实的特点,可作为颈椎人工椎间盘生物力学研究的一种较好途径。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换可较好地保留手术节段的运动功能。     

颈椎椎间盘髓核内压力测试分析研究

颈椎椎间盘是维持颈段脊柱的重要组成部分,它在维持颈椎稳定性方面起着非常重要的作用,但各种原因导致颈椎椎间盘退变或突发引起一系列的临床病症。本文通过人体全段颈椎标本模拟人体中立位生理载荷运动,建立力学模型,并用直接和间接的方法测定颈椎椎间盘髓核内压力的数据子以验证,为颈椎椎间盘研究提供相应的生物力学评价和理论依据。     

腰骶部椎间盘髓核摘除对脊柱稳定性影响的生物力学研究

目的：分析髓核摘除对腰骶部Ｌ４～Ｌ５和Ｌ５～Ｓ１节段稳定性的影响。方法：对６例成人新鲜腰骶部（Ｌ４～Ｓ１）标本髓核摘除前后进行三维运动范围和压缩、剪切刚度的测定。对标本施加最大为１０．０Ｎ．ｍ的力偶矩,使之产生前屈、后伸、左右侧屈和左右轴向旋转运动,并由双平面立体测量的计算机图像分析系统得到节段运动范围。分别在１３００Ｎ,６００Ｎ和６００Ｎ的载荷下测定压缩、前后剪切和左右剪切刚度。结果：髓核摘除后,Ｌ４～Ｌ５和Ｌ５～Ｓ１节段的三维运动范围明显增大,其中Ｌ４～Ｌ５节段的后伸、左右轴向旋转运动增大有显著性,Ｌ５～Ｓ１节段的前屈运动增大有非常显著性,左右轴向旋转增大有显著性;Ｌ４～Ｓ１节段压缩和剪切刚度降低,左右剪切刚度降低有显著性。结论：髓核摘除使腰骶椎节段性三维运动范围增大,压缩和剪切刚度下降,腰骶节段失稳,以致整个后部结构承受更大的负载,导致小关节和韧带的损伤和退行性改变。     

人工椎间盘植入术后颈椎邻近节段生物力学变化的有限元分析

目的研究人工椎间盘植入术后邻近节段的运动范围及椎间盘应力改变。方法将接触问题引入生物建模,建立正常全颈椎有限元模型,模拟C5/6椎间植骨融合和C5/6人工间盘植入,分析两种状态下其相邻节段的运动范围及椎间盘的应力改变。结果(1)所建立模型包含了韧带、关节囊及其他软组织结构,而且真实细腻,准确度高;(2)椎间植骨融合术后邻近椎间隙运动范围增加,相应椎间盘应力明显增大,上位节段髓核与纤维环的应力约增加70%,而下位节段髓核与纤维环应力约增加40%;(3)人工间盘植入后颈椎运动范围除仅后伸受限(P(0.05)外,邻近节段椎间盘应力增加不超过10%。结论植入的颈椎人工间盘可在一定程度上降低相邻椎体节段的应力,且有利于改善颈椎的活动度。     

人工颈椎间盘置换术后邻近下位关节突关节压力变化的生物力学研究

目的:探讨人工颈椎间盘置换术后邻近下位关节突关节内压力的变化,为其在临床应用提供生物力学依据,方法:在11具保留C3至T1的新鲜成人颈椎标本上,采用自行设计的圆片状微阻电式传感器测量C5/6椎间盘完整、椎间盘摘除、人工椎间盘置换和椎间融合4个模型组C6/7关节突关节内的压力负荷.结果:人工椎间盘置换组C6/7关节突关节内的压力在轴向(16.98±3.74)N、左侧弯(26.87±5.78)N、右侧弯(12.91±3.50)N、前屈(20.88±5.77)N、后伸(20.63±5.30)N,与完整组接近,差异无统计学意义(P>0.05),高于椎间盘摘除组(P<0.05),低于椎间融合组(P<0.05).结论:人工颈椎间盘置换后邻近下位关节突关节内的压力接近正常,提示人工椎间盘置换符合颈椎正常生物力学要求.     

人工髓核置换术治疗退变性腰椎间盘病的近期效果

目的：评价人工髓核置换术治疗退变性腰椎间盘疾病的近期效果。方法：2002年1月至2003年6月，对单节段退变性腰椎间盘病患者施行人工髓椎置换术21例，男15例，女6例，平均年龄39．1岁；均为单节段退变性腰椎间盘疾病，其中L4～5例，L5S116例；病程4个月～10年，平均26个月。19例经后侧手术入路，2例经腰大肌的前外侧入路；均采用单枚PDN置入：PR725型4例，PR925型1例，PW525型2例，PW725型14例。结果：所有患者均获得随访，平均14个月。患者术后临床症状、运动功能明显改善，椎间隙高度增加。Oswrestry疼痛功能指数评分由术前61％改善为术后1年的17％，VAS评分则由8．2分降为2．8分。早期有2例假体发生移位，引起神经受压症状而再次手术。临床优良率达90．5％。结论：人工髓核PDN置换术能有效地治疗退变性腰椎间盘病，近期效果满意。     

人工颈椎间盘置换术后颈椎活动与稳定性的评价

目的:评价人工颈椎间盘置换术对颈椎活动与维持手术节段稳定性的作用及临床效果。方法:18例非手术治疗无效的颈椎病(脊髓型、神经根型或/和混合型)行前路颈椎间盘切除后置入Bryan人工颈椎间盘,按计划进行定期随访(6～20个月,平均14个月),根据手术前后颈椎的动力位X线片分析手术节段的稳定性。并结合病人神经症状和体征的改善情况评价其临床效果。结果:手术效果优9例,良5例,一般3例,差1例。手术前平均JOA评分为12分,术后平均为15.5分;手术节段前屈后伸术前运动范围12.8°±5.7°,术后11.2°±5.4°;邻近间隙术前屈伸运动范围11.9°±5.8°,术后11.4°±4.9°。术前后比较无统计学差异(P>0.05)。未发现假体松动和移位。结论:人工颈椎间盘置换术安全可靠,病人恢复快,既可保持手术节段颈椎稳定,又可维持颈椎的生理活动度。     

新型人工髓核植入对腰椎稳定性影响的生物力学研究

目的: 评价一种新型果胶/聚乙烯醇复合水凝胶人工髓核的生物力学性能, 为其临床应用提供科学依据。方法: 采用6具新鲜人体标本的 L4/5脊柱功能单元进行生物力学实验, 在轴向压缩、前屈后伸和左右侧弯等运动工况下, 观察正常椎间盘、髓核摘除以及新型人工髓核CoPP植入三种状态下活动度(ROM)、中性区(NZ)的变化以及在中立位轴向加载下椎间隙高度变化。结果: 髓核摘除后, L4/5椎间屈伸、旋转、侧弯的ROM和 NZ较正常组显著增加(P<0.05), 植入CoPP人工髓核后, L4/5椎间屈伸、侧弯、旋转的 ROM和 NZ与完整椎间盘无明显差异, 除右侧弯外其他方向的ROM和 NZ较髓核摘除组明显下降　(P<0.05)。髓核摘除组在 0和500N的负荷下椎间隙高度较相同情况下正常组平均下降1.08 mm和 1.77 　mm; CoPP人工髓核植入组较相同情况下髓核摘除组分别增加1.23 mm和1.95 mm。结论: 新型果胶/聚乙烯醇复合水凝胶人工髓核植入椎间隙可维持腰椎节段正常的三维运动稳定性,恢复椎间隙高度,可望进入临床应用。     

一种新型人工颈椎间盘置换的生物力学研究

目的研究新型人工颈椎间盘(Pretic-I)置换和颈椎前路椎间固定对颈椎活动范围(Range of motion,ROM)及邻近节段椎间盘髓核内压力(Intradiscal Pressures,IDPs)的影响。方法新鲜尸体颈椎标本6具,先后依次作为完整组(A组)、C_(5/6)人工椎间盘置换组(B组)和C5/6前路椎间固定组(C组)进行生物力学测试。给予75N跟随载荷,前屈/后伸、左/右侧弯及左/右轴向旋转均施加2.0Nm的纯力矩载荷,在0.2Nm/S的变化条件下测量手术节段及邻近节段ROM,以及邻近节段IDPs。结果 B组与A组在手术节段及邻近节段的ROM相比均无显著性差异(0.05)。在C_(5/6)节段,C组的ROM明显小于A组和B组(0.05)。在C_(4/5)、C_(6/7)节段,C组的ROM则明显大于其他两组(0.05)。B组和A组的C_(4/5)及C_(6/7)节段IDPs相比均无显著性差异(0.05),而C组的C_(4/5)和C_(6/7)节段IDPs均较其他两组显著增加(0.05)。结论 Pretic-I人工颈椎间盘置换术较好的维持了手术节段及邻近节段的活动范围,并保持了邻近节段椎间盘髓核内压力。     

大鼠颈椎间盘老化及退变过程中髓核形态变化规律的实验研究

目的：研究颈椎间盘自然老化及退变过程中髓核软骨样细胞的来源和脊索性髓核向纤维软骨性髓核转化的规律及其与颈椎间盘退变的关系。方法：4周龄SD大鼠76只，随机分成两组。实验组40只大鼠通过截除前肢制备双后肢大鼠颈椎间盘退变的动物模型，按术后3、6、9、12个月4个时间段分组，每组10只；对照组36只大鼠未予处置，按实验开始后4、8、12、16个月分4组，每组9只。制备C4-5，C5-6和C6-7椎间盘中矢状面组织学切片，行HE、番红-O染色，研究观察不同老化及退变程度颈椎间盘髓核中软骨样细胞的起源和脊索性髓核向纤维软骨性髓核转化的规律。结果：随着颈椎间盘的不断老化，终板的软骨细胞向髓核迁移，脊索性髓核向心性皱缩并最终完全被纤维软骨性髓核取代，在此过程中，软骨终板的厚度逐渐变薄，进而出现缺损或断裂；在颈椎间盘退变的过程中，这一转化完成的更快、更早。结论：髓核中的软骨样细胞由终板的软骨细胞迁移而来，通过向心性的产生和沉积胶原纤维，脊索性髓核逐渐被纤维软骨性髓核替代，这一过程既是颈椎间盘成熟和老化的自然环节也可能是颈椎间盘退变的启动环节。     

The three-dimensional architecture of the notochordal nucleus pulposus: novel observations on cell structures in the canine intervertebral disc

Cells from the nucleus pulposus of young (< 2 years) and old (> 5 years) non‐chondrodystrophoid dogs were studied using routine histology, confocal laser scanning microscopy and transmission electron microscopy. The architecture of cell structures – from the tissue scale down to subcellular scale – was reported. Clusters of notochordal cells were observed in young nuclei pulposi, ranging from 10 to 426 cells each. These clusters resisted mechanical disruption and showed evidence of cell–cell signalling via gap junctions. Cells (30–40 µm in diameter) within the clusters had a physaliferous appearance, containing numerous large inclusions which ranged from 1 to 20 µm in diameter. The inclusions were surrounded by a dense actin cortex but were not contained by a lipid bilayer. The contents of the inclusions were determined not to be predominantly carbohydrate or neutral lipid as assessed by histochemical staining, but the exact composition of the contents remained uncertain. There were striking differences in the cell architecture of young vs. old nuclei pulposi, with a loss of both cell clusters and physaliferous cells during ageing. These observations demonstrate unique cell structures, which may influence our understanding of the differences between notochordal and chondrocytic cells in the nucleus pulposus. Such differences could have substantial impact upon how we think about development, degeneration and repair of the intervertebral disc.     

内毒素诱导退变人椎间盘髓核细胞凋亡

目的观察内毒素(LPS)刺激退变人椎间盘髓核细胞前后,核因子kapp B(NF-κB)的活化与细胞凋亡的相互关系。方法体外培养退变的人椎间盘髓核细胞,采用CCK-8法测定LPS在不同浓度下(100、200、500和1 000μg/m L)对髓核细胞增殖影响,并筛选合适的刺激浓度;设立空白对照组,单纯LPS(500μg/m L)刺激组,NF-κB抑制剂(BAY11-7082)+LPS(500μg/m L)刺激组,以Hochest33258染色以及Annexin V-PI双标法检测细胞凋亡;Western blot检测凋亡相关蛋白caspase-3、PARP、NF-κB结合蛋白P65以及磷酸化P-P65的表达。结果 CCK-8实验结果显示当LPS浓度为500μg/m L能明显降低细胞的活力。与空白对照组相比,单纯LPS刺激组细胞凋亡率上升(P0.05),P-P65表达明显增加,其凋亡蛋白活化型caspase-3和PARP降解产物表达也增高(P0.05)。而与单纯LPS刺激组相比,NF-κB抑制剂+LPS刺激组细胞凋亡率下降(P0.05),P-P65表达明显降低,其凋亡蛋白活化型caspase-3和PARP降解产物表达也降低(P0.05)。结论 NF-κB信号通路可能与椎间盘退变时髓核细胞凋亡的发生密切相关,值得进一步研究。     

颈椎前路多椎间孔间隙显微减压术的生物力学评价

目的 :评价多椎间孔间隙单侧钩突切除术对颈椎稳定性影响的生物力学。方法 :6例成人新鲜颈椎标本 ,选择C4～ 7为实验节段。分正常组和手术组 ,在 2N·m纯力偶作用下分别产生前屈、后伸、左 /右侧弯和左 /右侧旋运动 ,通过脊柱三维运动测试来比较两种手术方式对颈椎稳定性的影响。结果 :①在 6个运动方向上 ,手术组术后ROM较术前无明显增加 (P >0 .0 5 ) ,差异无显著性 ;②运动范围的总和 ,手术组较术前有明显增加 ,差异具有显著性 (P <0 .0 1)。结论 :前路多椎间孔间隙显微减压术对颈椎静态稳定性的影响 ,主要表现在颈椎运动范围总和的增加 ,对某一方向ROM的影响不明显。     

Avian intervertebral disc arises from rostral sclerotome and lacks a nucleus pulposus: implications for evolution of the vertebrate disc

Deterioration of the intervertebral discs is an unfortunate consequence of aging. The intervertebral disc in mammals is composed of three parts: a jelly-like center called the nucleus pulposus, the cartilaginous annulus fibrosus, and anterior and posterior endplates that attach the discs to vertebrae. To understand the origin of the disc, we have investigated the intervertebral region of chickens. Surprisingly, our comparison of mouse and chicken discs revealed that chicken discs lack nuclei pulposi. In addition, the notochord, which in mice forms nuclei pulposi, was found to persist as a rod-like structure and express Shh throughout chicken embryogenesis. Our fate mapping data indicate that cells originating from the rostral half of each somite are responsible for forming the avian disc while cells in the caudal region of each somite form vertebrae. A histological analysis of mammalian and nonmammalian organisms suggests that nuclei pulposi are only present in mammals.