零切迹颈椎椎间融合器是对传统融合术产品的改进，对新兴人工椎间盘产品的必要补充，应用时能够保留传统融合术的优势，又能降低术后并发症，并能应用在置换术的禁忌症状下。本文汇总了近年来临床上普遍认可、广泛应用的零切迹颈椎融合器产品，综述了零切迹颈椎融合器的结构设计和材料研究进展，并结合最新研究趋势，展望了零切迹颈椎椎间融合器的未来发展方向。
引用本文： 祝佳, 王松, 廖振华, 刘伟强. 零切迹颈椎椎间融合器设计与研究进展. 生物医学工程学杂志, 2017, 34(1): 150-155. doi: 10.7507/1001-5515.201604049 复制
引言
随着社会生活节奏加快，工作方式变化，人们长时间伏案工作于空调环境，易受风寒侵袭，加之体育锻炼不足，颈椎病发病率逐年升高[1]，近年有关文献报道，发病人群有年轻化的趋势，青少年颈椎病发病率已达到 10% 以上[2]。
颈椎病的治疗有非手术疗法和手术疗法。非手术疗法包括理疗、牵引、推拿、针灸、按摩以及药物治疗等方式，能缓解颈椎病病情，减轻疼痛症状，但不能根除病痛源，相当比例的患者需进行手术治疗。人工颈椎间盘置换术（artificial cervical disc replacement，ACDR）和颈椎前路减压融合术（anterior cervical decompression and fusion，ACDF）是目前临床上普遍应用的两种手术疗法。ACDR 能有效解除病痛，恢复病变节段正常椎间高度以及生理弯曲度，保留手术节段的活动度，正确传递上下椎体间载荷及应力，有广阔的应用前景[3]。但该术式有严格的手术适用症，手术节段脊柱畸形、严重骨质疏松、骨软化、关节面疾病、Ⅱ级以上椎体滑脱、骨性椎管狭窄及椎间盘退变引起的节段性不稳定等病况下并不适用，需要采用 ACDF[4]。ACDF 一直被视为颈椎病治疗的金标准，能够解除患者疼痛，恢复手术节段正常生理弯曲度和稳定性，但术后存在邻近节段退行性病变以及吞咽困难等并发症，部分患者需要二次手术[5-6]。
基于以上情况，将零切迹融合器产品应用于 ACDF 中，既能保留传统术式的优点，又能有效地降低传统术式术后并发症发生率，同时还可以应用于 ACDR 的禁忌症下，是两种术式之间一种必要的衔接术式。
基于对颈椎解剖结构和生物力学特性的分析以及对 ACDF 效果评估标准的参考，我们概括出零切记融合器设计目标：有效缓解或根除患者疼痛症状，恢复颈椎正常椎间隙高度和生理弯曲度，保证手术节段较好术后融合效果，提供手术节段较佳生物力学稳定性，降低术后吞咽困难、邻近节段退行性病变等术后并发症的发生率[7-9]。本文将从零切记融合器的结构设计和材料设计两个方面来综述其设计原理和研究现状，并结合产品国内外需求，展望其发展方向。
1 零切迹融合器结构设计
零切迹融合器采用颈前零切迹设计，植入后完全位于椎体间隙内，可有效降低或避免邻近节段退行性病变和术后吞咽困难等并发症[10]，是对传统融合术产品的改进，又是对新型人工颈椎间盘置换术产品的必要补充。目前临床上常见的代表性产品详细情况如表 1 所示。
表1
临床上常见的几种零切迹融合器产品
Table1.
Several clinically common zero profile products
零切迹融合器的结构设计直接关系到零切迹融合器应用于临床时能否达到预期临床效果，是产品研发与应用的关键步骤之一，本文对现有零切迹融合器产品的设计原理综述如下。
1.1 整体结构设计
零切迹融合器整体结构设计形式直接决定了该产品临床应用效果的优劣，是产品设计时首先要考虑的，现有产品主要有三种整体结构类型。
（1）融合器-紧固螺钉结构：融合器内腔填充自体骨碎屑或骨替代材料，采用三个自攻丝紧固螺钉固定，如产品 CHESAPEAKER（K2M公司）、WeMUST（YELLOWSTEPS公司）、STALIF-C（Centinel Spine公司）等。而产品 PRO-Link（Life Spine公司）、PEEK PREVAIL（Meditronic公司）、C-Cur（S14 IMPLANTS公司）、Locked Cervical Cage（Synimed Spine公司）等，融合器采用的是两个可变角度螺钉固定。
（2）固定板-融合器-紧固螺钉结构：固定板与融合器预先安装好，采用紧固螺钉固定。产品 Zero-P（DePuy Synthes公司）、Vault-C（Precision Spine公司）、Zero-P VA（DePuy Synthes 公司）等均是此种结构设计形式。固定板与融合器的结合方式主要有间隙配合方式（如产品 Zero-P）、机械锁合方式（如产品 Vault-C）和螺钉连接方式（如 Alphatec Spine 公司产品 Pegasus）。
（3）融合器-其它固定方式结构：融合器产品 ROI-CTM（LDR公司）植入椎间隙后，采用双弧形自锁板结构固定，产品 ASPEN SE（Innov’spine公司）采用旋转式固定片固定融合器。
目前，临床应用多采用固定板-融合器-紧固螺钉结构设计形式，满足结构设计目标、固定可靠且使用寿命长。而新型结构设计，如产品 ASPEN SE，因设计形式简单，简化植入手术过程，缩短手术时间，设计理念受到越来越多设计者和医生的认可，具有较为广阔的应用前景。
1.2 融合器主体设计
融合器主体设计主要包括：矢状面轮廓设计、足印面设计、填充内腔设计和即刻固定设计。
（1）矢状面轮廓设计：矢状面轮廓主要有弧形（Convex）、楔形（Lordotic）、平行（Parallel）三种。Convex 融合器上表面弧形设计与人体椎体下表面弧形轮廓一致，融合器平直下表面与人体椎骨平直上表面相配合，符合人体椎体正常结构形态，能够保证融合器与椎体骨充分结合，减少手术中椎体骨的切除量。Lordotic 融合器平直上、下表面呈 6° 或 7° 夹角，植入方向前端高度低于末端高度，符合人体颈椎的正常生理弯曲角度，应用在不同骨骼形态和骨骼尺寸的患者中，具有通用性强的特点。Parallel 融合器上、下表面均是水平平面，应用于一些特殊病况（如椎体骨断裂等）。
（2）足印面设计：产品 Zero-P、Zero-P VA、COALITION（Globus Medical公司）等采用梯形足印面；而产品 Locked Cervical Cage 设计为半圆形足印面；产品 ROI-CTM、MC+®（LDR公司）为拱形足印面；产品 PEEK PREVAIL 采用锚形足印面，此外还有其他一些形状不规则的足印面设计。足印面设计基本原则是在椎体横断面尺寸范围内，增大融合器主体与椎体接触面积，提高融合率。
（3）填充内腔设计：Zero-P、Zero-P VA 等产品采用拱形填充内腔，产品 COALITION 采用梯形填充内腔，产品 Locked Cervical Cage 采用半圆形填充内腔，产品 ROI-CTM、MC+® 采用近似圆形填充内腔，产品 STALIF-C 采用近似椭圆形填充内腔，产品 PEEK PREVAIL 采用两个近似半圆形填充腔置于融合器主体两侧，还有一些非规则形状填充腔设计。填充内腔设计基本原则，增加内腔容量，增大接触面积，提高术后融合率。
（4）即刻固定设计：足印面表面设计有一定形状的即刻固定结构，是为了提供临时固定，防止植入物移位，是为了提高植入位置精度。Zero-P、Zero-P VA、COALITION 等产品表面呈阵列形式均布四棱锥形倒齿，产品 Locked Cervical Cage 表面均布成排半圆形凸起，PEEK PREVAIL、STALIF-C、ROI-CTM 等产品表面则均布成排锯齿状凸起。
1.3 长期固定设计
有效的长期固定可以防止零切迹融合器脱出、下沉等发生，保证其正常功能。长期固定形式可以分为：螺钉固定、自锁板固定以及其它固定形式。
（1）螺钉固定：螺钉固定牢固可靠，大部分产品均采用螺钉固定设计。Zero-P VA、Locked Cervical Cage、C-Cur 等产品采用两个可变角度自攻丝螺钉，产品 STALIF-C、CoRoent Small Interlock（NuVasive公司）、INDEPENDENCE（Globus Medical公司）等产品采用三个可变角度螺钉结构，产品 Zero-P 采用四个固定角度自攻丝螺钉。
（2）自锁板固定：产品 ROI-CTM 采用两个弧形自锁板实现零切迹融合器的长期固定，产品 MC+® 采用一个平直自锁板。
（3）其它固定形式：产品 ASPEN SE 采用旋转式固定片固定融合器于上、下椎体上，产品 Pegasus 采用两个非自锁弧形板。
总体上，螺钉固定应用普遍，技术成熟，并且在不断改进（如产品 STALIF-C 使用的拉力螺钉），是目前设计者首选。
2 零切迹融合器材料设计
零切迹融合器材料必须具有良好的生物相容性、无毒性、无致癌性，并且耐磨、耐腐蚀，还需具有与骨组织相近的弹性模量、抗变形能力和抗疲劳强度，以确保植入人体后的使用寿命[11]。本文将从融合器材料、固定板材料和紧固螺钉材料以及生物涂层材料三方面综述零切迹融合器材料选择及应用效果。
2.1 融合器材料
（1）金属材料：①钛合金：生物相容性好，在一定范围压力作用下，可产生轻微形变以适应植骨环境，利于提高融合率，但会遮挡 X 射线，对观察内部融合情况有一定影响[12]。②记忆合金（如镍钛记忆合金）：其特点是力学性能优越，抗变形、抗扭转以及承载能力强，在撑开椎体间隙、保持椎体间高度和促进融合方面效果良好，具有较大的研究和应用价值[13-14]。
（2）生物非吸收材料：①高分子聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）：一种人工合成的高性能多聚体材料，弹性模量接近正常椎体骨，介于皮质骨与松质骨之间，生物力学性能突出，能有效减少应力遮挡及融合器下沉，避免椎体间隙变小[15]，并可透过X射线，也可行计算机断层扫描（com-puted tomography，CT）、核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检查，且具有良好的抗腐蚀性以及生物相容性，经临床使用后没有毒性反应的报道[12]。②碳纤维材料：具有良好的生物活性，弹性模量接近正常椎体骨弹性模量，生物力学特性也接近皮质骨，应力遮挡较小、融合率高，可提供植骨所需的力学环境，而且可透过X射线，便于对术后植入物融合情况进行评估，但是脆性较大，长期观察发现存在融合器破裂等问题，从而容易引起组织学反应[16-18]。③羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）与左旋聚乳酸（poly-levogyr-lactic acid，PLLA）复合材料：有良好的生物力学性能，弹性模量与人体骨相近，该材料用于融合器可以满足临床应用需求[13]。
（3）生物可吸收性材料：①高分子量聚消旋乳酸（poly-dextrogyr，levogyr-lactic acid，PDLLA）： 可被人体完全吸收，弹性模量与正常人体椎骨接近，力学特性及降解后的力学改变能够满足椎间植骨融合要求，降解可避免融合器应力遮挡现象，可在一定程度上促进融合 [13]。但 PDLLA 分解产物导致的无菌性炎症反应、融合器断裂导致的融合失败等问题是其不足之处，目前还处于研究的初级阶段 [18-19]。②70/30 聚左旋消旋乳酸（poly-levogyr-lactic-co-dextrogyr，levogyr-lactic acid，PLDLLA）：由 70% 的 PLLA 和 30% 的 PDLLA 制成，应用于临床时早期性能优良，但植入人体后，会在完全融合之前发生降解，融合效果较 PEEK 融合器仍有很大差距，有形成假关节等并发症的风险[20]。
目前，PEEK 材料融合器在临床上应用最多。近些年，对生物可吸收材料的研究越来越多，我们相信随着科学技术进步，该材料可通过多聚化、纳米化、复合化等多种方式，使其各项性能逐渐满足临床应用的要求。
2.2 固定板和紧固螺钉材料
前文提及的零切迹融合器固定板和螺钉结构，实际上是颈椎前路固定技术的一种，因此其材料的研究与应用，也主要依据颈椎前路固定技术的材料研究成果。
前路固定板材料主要有：不锈钢、钛合金、可吸收材料（如：PLLA 等）。其中，不锈钢材料惰性好、耐蚀性强、适合制作固定器械，但与骨材料的组织相容性以及机械相容性均不好，因而应用范围受到限制。钛合金材料性质稳定、惰性大、耐酸、耐腐蚀且组织相容性好，对细胞的毒性极低，质量轻、抗拉强度和屈服强度较好，不透 X 射线，是理想的内固定植入材料。相应的另一种可吸收材料（如：PLLA 等）其弹性模量与骨组织相似，作为固定物在体内的降解避免了金属物的应力遮挡效应，材料最终降解吸收或排出体外，可使患者避免二次手术，因此应用前景较为广阔[21]。
目前，钛合金是临床应用最广泛的固定板和紧固螺钉材料[22]。虽然可吸收材料在前路手术传统固定板应用中有广阔的前景，但零切迹融合器的固定板需要为紧固螺钉提供牢固的锁定界面，不适合应用可吸收材料。
2.3 涂层材料
金属材料弹性模量与椎体骨弹性模量相差较大，融合效果欠佳，因此，金属融合器表面常添加涂层材料以提高手术节段融合率，常用的涂层材料有磷酸钙、羟基磷灰石和硅酸钙涂层等，均有良好的生物相容性和骨诱导性 [23]。随着融合器材料的发展，PEEK 材料由于生物力学性能突出，具有良好的生物相容性等，被临床普遍认可接受。Centinel Spine 公司将融合器产品 STALIF C-TiTM 表面喷涂钛活性涂层，该产品展现出来与皮质骨相似的弹性模量，相对于纯钛融合器，植入物下沉几率下降了 6 倍[24]；产品 STALIF C-TiTM 的融合器采用 PEEK 材料，尽管表面喷涂钛活性涂层，但仍保持 PEEK 的射线可透特性，与传统前路钛板加融合器植入术有相当的生物力学特性 [25]。然而，Kienle 等[26] 研究发现，有钛涂层的 PEEK 融合器应用于手术节段，一段时间以后涂层材料会以磨屑形式丢失，磨屑可能会引起术后慢性感染等并发症。
3 结语与展望
如表 1 所示，目前国内零切迹融合器全为进口产品，主要采用固定板-融合器-紧固螺钉结构形式，材料组合为 PEEK 和钛合金，尺寸系列较为完善。随着国内人群生活质量水平不断提升，对产品个性化、前沿性、安全性的要求也越来越高。基于此需求，我们预测未来零切迹融合器产品的发展主要有以下几个方向：
（1）面向种群设计：目前，国内研究所用零切迹融合器产品均是进口产品，这些产品主要针对欧美人群设计，欧美人群正常颈椎生理参数与亚、非人群正常颈椎生理参数之间存在着明显差异，因而进口产品尺寸并不能完全适用于亚、非患者，且产品应用于亚、非患者之后表现出的生物力学特性也并不能很好实现预期目标。针对特定人群（不同地域、不同年龄阶段、不同性别）进行颈椎结构尺寸测量、统计与分析，掌握其椎体解剖学特征的核心数据，并基于此对现有零切迹融合器产品结构和尺寸进行改善，设计出适合特定人群的零切迹融合器产品，对减轻病患疼痛，提高病患术后生活质量，具有重大的现实意义，因此可以预测，该类型融合器产品将拥有广阔的应用前景。
（2）新结构设计：零切迹融合器产品种类繁多，结构形式各异，整体结构形式主要有融合器-紧固螺钉形式和融合器-固定板-紧固螺钉形式，后者固定板结构能为紧固螺钉提供可靠的固定界面，且能将自身所受应力与融合器所受应力分离开，可显著提高产品使用寿命与临床效果，未来可能更受设计者与使用者青睐。此外还有一些创新结构设计，例如：产品 PEEK PREVAIL 采用锚形足印面、中线螺钉、镍钴钼合金线防止螺钉脱出等创新结构形式，治疗单节段颈椎病，术后效果与传统前路减压植骨术相当 [27]；产品 MC+® 和 ROI-CTM 采用创新型自锁板固定结构，研究表明，两个创新结构融合器治疗单节段颈椎病，均具有可靠的临床疗效[28]；产品 ASPEN SE 采用融合器与固定装置一体的结构形式，内置式旋转固定片固定融合器，结构新颖，显著简化手术过程。这些创新结构设计，都可以实现零切迹融合器的设计目标，因此随着零切迹融合器不断发展，将来会不断出现结构新颖的零切迹融合器产品，此外，整合已有零切迹融合器各类产品结构设计优势，在此基础上进行进一步结构改进也是一个非常有效的结构创新方向。
（3）材料替换和改进设计：随着科技进步，新材料不断出现，性能更优的新材料应用于零切迹融合器产品设计是必然趋势。对现有材料通过掺杂、涂层等处理，提升和优化其性能，也是材料设计的一种常用的有效方式。现有零切迹融合器产品材料设计主要是固定板和紧固螺钉采用钛合金材料，融合器采用 PEEK 材料。钛合金因性能优良，被广泛应用于医疗领域，未来或许将主要致力于钛合金的表面改性以及开发新型 β 钛合金的研究[22]，以获得性能更佳的应用型钛合金。产品 STALIF C-TiTM 采用 PEEK 材料融合器表面喷涂活性钛涂层设计，为后续产品设计提供了新思路，以 PEEK 材料为基体的性能更优涂层材料研究以及涂层加工工艺研究，或许将会成为零切迹融合器材料设计一个重要研究方向。
本文对零切迹颈椎融合器的结构设计和材料研究进展两个方面进行综述，并结合最新研究趋势，展望了零切迹颈椎椎间融合器的未来发展方向，可为零切迹颈椎融合器的设计提供借鉴，且对从事脊柱植入器械研发相关的科研人员也具有一定的参考价值。
引言
随着社会生活节奏加快，工作方式变化，人们长时间伏案工作于空调环境，易受风寒侵袭，加之体育锻炼不足，颈椎病发病率逐年升高[1]，近年有关文献报道，发病人群有年轻化的趋势，青少年颈椎病发病率已达到 10% 以上[2]。
颈椎病的治疗有非手术疗法和手术疗法。非手术疗法包括理疗、牵引、推拿、针灸、按摩以及药物治疗等方式，能缓解颈椎病病情，减轻疼痛症状，但不能根除病痛源，相当比例的患者需进行手术治疗。人工颈椎间盘置换术（artificial cervical disc replacement，ACDR）和颈椎前路减压融合术（anterior cervical decompression and fusion，ACDF）是目前临床上普遍应用的两种手术疗法。ACDR 能有效解除病痛，恢复病变节段正常椎间高度以及生理弯曲度，保留手术节段的活动度，正确传递上下椎体间载荷及应力，有广阔的应用前景[3]。但该术式有严格的手术适用症，手术节段脊柱畸形、严重骨质疏松、骨软化、关节面疾病、Ⅱ级以上椎体滑脱、骨性椎管狭窄及椎间盘退变引起的节段性不稳定等病况下并不适用，需要采用 ACDF[4]。ACDF 一直被视为颈椎病治疗的金标准，能够解除患者疼痛，恢复手术节段正常生理弯曲度和稳定性，但术后存在邻近节段退行性病变以及吞咽困难等并发症，部分患者需要二次手术[5-6]。
基于以上情况，将零切迹融合器产品应用于 ACDF 中，既能保留传统术式的优点，又能有效地降低传统术式术后并发症发生率，同时还可以应用于 ACDR 的禁忌症下，是两种术式之间一种必要的衔接术式。
基于对颈椎解剖结构和生物力学特性的分析以及对 ACDF 效果评估标准的参考，我们概括出零切记融合器设计目标：有效缓解或根除患者疼痛症状，恢复颈椎正常椎间隙高度和生理弯曲度，保证手术节段较好术后融合效果，提供手术节段较佳生物力学稳定性，降低术后吞咽困难、邻近节段退行性病变等术后并发症的发生率[7-9]。本文将从零切记融合器的结构设计和材料设计两个方面来综述其设计原理和研究现状，并结合产品国内外需求，展望其发展方向。
1 零切迹融合器结构设计
零切迹融合器采用颈前零切迹设计，植入后完全位于椎体间隙内，可有效降低或避免邻近节段退行性病变和术后吞咽困难等并发症[10]，是对传统融合术产品的改进，又是对新型人工颈椎间盘置换术产品的必要补充。目前临床上常见的代表性产品详细情况如表 1 所示。
表1
临床上常见的几种零切迹融合器产品
Table1.
Several clinically common zero profile products
零切迹融合器的结构设计直接关系到零切迹融合器应用于临床时能否达到预期临床效果，是产品研发与应用的关键步骤之一，本文对现有零切迹融合器产品的设计原理综述如下。
1.1 整体结构设计
零切迹融合器整体结构设计形式直接决定了该产品临床应用效果的优劣，是产品设计时首先要考虑的，现有产品主要有三种整体结构类型。
（1）融合器-紧固螺钉结构：融合器内腔填充自体骨碎屑或骨替代材料，采用三个自攻丝紧固螺钉固定，如产品 CHESAPEAKER（K2M公司）、WeMUST（YELLOWSTEPS公司）、STALIF-C（Centinel Spine公司）等。而产品 PRO-Link（Life Spine公司）、PEEK PREVAIL（Meditronic公司）、C-Cur（S14 IMPLANTS公司）、Locked Cervical Cage（Synimed Spine公司）等，融合器采用的是两个可变角度螺钉固定。
（2）固定板-融合器-紧固螺钉结构：固定板与融合器预先安装好，采用紧固螺钉固定。产品 Zero-P（DePuy Synthes公司）、Vault-C（Precision Spine公司）、Zero-P VA（DePuy Synthes 公司）等均是此种结构设计形式。固定板与融合器的结合方式主要有间隙配合方式（如产品 Zero-P）、机械锁合方式（如产品 Vault-C）和螺钉连接方式（如 Alphatec Spine 公司产品 Pegasus）。
（3）融合器-其它固定方式结构：融合器产品 ROI-CTM（LDR公司）植入椎间隙后，采用双弧形自锁板结构固定，产品 ASPEN SE（Innov’spine公司）采用旋转式固定片固定融合器。
目前，临床应用多采用固定板-融合器-紧固螺钉结构设计形式，满足结构设计目标、固定可靠且使用寿命长。而新型结构设计，如产品 ASPEN SE，因设计形式简单，简化植入手术过程，缩短手术时间，设计理念受到越来越多设计者和医生的认可，具有较为广阔的应用前景。
1.2 融合器主体设计
融合器主体设计主要包括：矢状面轮廓设计、足印面设计、填充内腔设计和即刻固定设计。
（1）矢状面轮廓设计：矢状面轮廓主要有弧形（Convex）、楔形（Lordotic）、平行（Parallel）三种。Convex 融合器上表面弧形设计与人体椎体下表面弧形轮廓一致，融合器平直下表面与人体椎骨平直上表面相配合，符合人体椎体正常结构形态，能够保证融合器与椎体骨充分结合，减少手术中椎体骨的切除量。Lordotic 融合器平直上、下表面呈 6° 或 7° 夹角，植入方向前端高度低于末端高度，符合人体颈椎的正常生理弯曲角度，应用在不同骨骼形态和骨骼尺寸的患者中，具有通用性强的特点。Parallel 融合器上、下表面均是水平平面，应用于一些特殊病况（如椎体骨断裂等）。
（2）足印面设计：产品 Zero-P、Zero-P VA、COALITION（Globus Medical公司）等采用梯形足印面；而产品 Locked Cervical Cage 设计为半圆形足印面；产品 ROI-CTM、MC+®（LDR公司）为拱形足印面；产品 PEEK PREVAIL 采用锚形足印面，此外还有其他一些形状不规则的足印面设计。足印面设计基本原则是在椎体横断面尺寸范围内，增大融合器主体与椎体接触面积，提高融合率。
（3）填充内腔设计：Zero-P、Zero-P VA 等产品采用拱形填充内腔，产品 COALITION 采用梯形填充内腔，产品 Locked Cervical Cage 采用半圆形填充内腔，产品 ROI-CTM、MC+® 采用近似圆形填充内腔，产品 STALIF-C 采用近似椭圆形填充内腔，产品 PEEK PREVAIL 采用两个近似半圆形填充腔置于融合器主体两侧，还有一些非规则形状填充腔设计。填充内腔设计基本原则，增加内腔容量，增大接触面积，提高术后融合率。
（4）即刻固定设计：足印面表面设计有一定形状的即刻固定结构，是为了提供临时固定，防止植入物移位，是为了提高植入位置精度。Zero-P、Zero-P VA、COALITION 等产品表面呈阵列形式均布四棱锥形倒齿，产品 Locked Cervical Cage 表面均布成排半圆形凸起，PEEK PREVAIL、STALIF-C、ROI-CTM 等产品表面则均布成排锯齿状凸起。
1.3 长期固定设计
有效的长期固定可以防止零切迹融合器脱出、下沉等发生，保证其正常功能。长期固定形式可以分为：螺钉固定、自锁板固定以及其它固定形式。
（1）螺钉固定：螺钉固定牢固可靠，大部分产品均采用螺钉固定设计。Zero-P VA、Locked Cervical Cage、C-Cur 等产品采用两个可变角度自攻丝螺钉，产品 STALIF-C、CoRoent Small Interlock（NuVasive公司）、INDEPENDENCE（Globus Medical公司）等产品采用三个可变角度螺钉结构，产品 Zero-P 采用四个固定角度自攻丝螺钉。
（2）自锁板固定：产品 ROI-CTM 采用两个弧形自锁板实现零切迹融合器的长期固定，产品 MC+® 采用一个平直自锁板。
（3）其它固定形式：产品 ASPEN SE 采用旋转式固定片固定融合器于上、下椎体上，产品 Pegasus 采用两个非自锁弧形板。
总体上，螺钉固定应用普遍，技术成熟，并且在不断改进（如产品 STALIF-C 使用的拉力螺钉），是目前设计者首选。
2 零切迹融合器材料设计
零切迹融合器材料必须具有良好的生物相容性、无毒性、无致癌性，并且耐磨、耐腐蚀，还需具有与骨组织相近的弹性模量、抗变形能力和抗疲劳强度，以确保植入人体后的使用寿命[11]。本文将从融合器材料、固定板材料和紧固螺钉材料以及生物涂层材料三方面综述零切迹融合器材料选择及应用效果。
2.1 融合器材料
（1）金属材料：①钛合金：生物相容性好，在一定范围压力作用下，可产生轻微形变以适应植骨环境，利于提高融合率，但会遮挡 X 射线，对观察内部融合情况有一定影响[12]。②记忆合金（如镍钛记忆合金）：其特点是力学性能优越，抗变形、抗扭转以及承载能力强，在撑开椎体间隙、保持椎体间高度和促进融合方面效果良好，具有较大的研究和应用价值[13-14]。
（2）生物非吸收材料：①高分子聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）：一种人工合成的高性能多聚体材料，弹性模量接近正常椎体骨，介于皮质骨与松质骨之间，生物力学性能突出，能有效减少应力遮挡及融合器下沉，避免椎体间隙变小[15]，并可透过X射线，也可行计算机断层扫描（com-puted tomography，CT）、核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检查，且具有良好的抗腐蚀性以及生物相容性，经临床使用后没有毒性反应的报道[12]。②碳纤维材料：具有良好的生物活性，弹性模量接近正常椎体骨弹性模量，生物力学特性也接近皮质骨，应力遮挡较小、融合率高，可提供植骨所需的力学环境，而且可透过X射线，便于对术后植入物融合情况进行评估，但是脆性较大，长期观察发现存在融合器破裂等问题，从而容易引起组织学反应[16-18]。③羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）与左旋聚乳酸（poly-levogyr-lactic acid，PLLA）复合材料：有良好的生物力学性能，弹性模量与人体骨相近，该材料用于融合器可以满足临床应用需求[13]。
（3）生物可吸收性材料：①高分子量聚消旋乳酸（poly-dextrogyr，levogyr-lactic acid，PDLLA）： 可被人体完全吸收，弹性模量与正常人体椎骨接近，力学特性及降解后的力学改变能够满足椎间植骨融合要求，降解可避免融合器应力遮挡现象，可在一定程度上促进融合 [13]。但 PDLLA 分解产物导致的无菌性炎症反应、融合器断裂导致的融合失败等问题是其不足之处，目前还处于研究的初级阶段 [18-19]。②70/30 聚左旋消旋乳酸（poly-levogyr-lactic-co-dextrogyr，levogyr-lactic acid，PLDLLA）：由 70% 的 PLLA 和 30% 的 PDLLA 制成，应用于临床时早期性能优良，但植入人体后，会在完全融合之前发生降解，融合效果较 PEEK 融合器仍有很大差距，有形成假关节等并发症的风险[20]。
目前，PEEK 材料融合器在临床上应用最多。近些年，对生物可吸收材料的研究越来越多，我们相信随着科学技术进步，该材料可通过多聚化、纳米化、复合化等多种方式，使其各项性能逐渐满足临床应用的要求。
2.2 固定板和紧固螺钉材料
前文提及的零切迹融合器固定板和螺钉结构，实际上是颈椎前路固定技术的一种，因此其材料的研究与应用，也主要依据颈椎前路固定技术的材料研究成果。
前路固定板材料主要有：不锈钢、钛合金、可吸收材料（如：PLLA 等）。其中，不锈钢材料惰性好、耐蚀性强、适合制作固定器械，但与骨材料的组织相容性以及机械相容性均不好，因而应用范围受到限制。钛合金材料性质稳定、惰性大、耐酸、耐腐蚀且组织相容性好，对细胞的毒性极低，质量轻、抗拉强度和屈服强度较好，不透 X 射线，是理想的内固定植入材料。相应的另一种可吸收材料（如：PLLA 等）其弹性模量与骨组织相似，作为固定物在体内的降解避免了金属物的应力遮挡效应，材料最终降解吸收或排出体外，可使患者避免二次手术，因此应用前景较为广阔[21]。
目前，钛合金是临床应用最广泛的固定板和紧固螺钉材料[22]。虽然可吸收材料在前路手术传统固定板应用中有广阔的前景，但零切迹融合器的固定板需要为紧固螺钉提供牢固的锁定界面，不适合应用可吸收材料。
2.3 涂层材料
金属材料弹性模量与椎体骨弹性模量相差较大，融合效果欠佳，因此，金属融合器表面常添加涂层材料以提高手术节段融合率，常用的涂层材料有磷酸钙、羟基磷灰石和硅酸钙涂层等，均有良好的生物相容性和骨诱导性 [23]。随着融合器材料的发展，PEEK 材料由于生物力学性能突出，具有良好的生物相容性等，被临床普遍认可接受。Centinel Spine 公司将融合器产品 STALIF C-TiTM 表面喷涂钛活性涂层，该产品展现出来与皮质骨相似的弹性模量，相对于纯钛融合器，植入物下沉几率下降了 6 倍[24]；产品 STALIF C-TiTM 的融合器采用 PEEK 材料，尽管表面喷涂钛活性涂层，但仍保持 PEEK 的射线可透特性，与传统前路钛板加融合器植入术有相当的生物力学特性 [25]。然而，Kienle 等[26] 研究发现，有钛涂层的 PEEK 融合器应用于手术节段，一段时间以后涂层材料会以磨屑形式丢失，磨屑可能会引起术后慢性感染等并发症。
3 结语与展望
如表 1 所示，目前国内零切迹融合器全为进口产品，主要采用固定板-融合器-紧固螺钉结构形式，材料组合为 PEEK 和钛合金，尺寸系列较为完善。随着国内人群生活质量水平不断提升，对产品个性化、前沿性、安全性的要求也越来越高。基于此需求，我们预测未来零切迹融合器产品的发展主要有以下几个方向：
（1）面向种群设计：目前，国内研究所用零切迹融合器产品均是进口产品，这些产品主要针对欧美人群设计，欧美人群正常颈椎生理参数与亚、非人群正常颈椎生理参数之间存在着明显差异，因而进口产品尺寸并不能完全适用于亚、非患者，且产品应用于亚、非患者之后表现出的生物力学特性也并不能很好实现预期目标。针对特定人群（不同地域、不同年龄阶段、不同性别）进行颈椎结构尺寸测量、统计与分析，掌握其椎体解剖学特征的核心数据，并基于此对现有零切迹融合器产品结构和尺寸进行改善，设计出适合特定人群的零切迹融合器产品，对减轻病患疼痛，提高病患术后生活质量，具有重大的现实意义，因此可以预测，该类型融合器产品将拥有广阔的应用前景。
（2）新结构设计：零切迹融合器产品种类繁多，结构形式各异，整体结构形式主要有融合器-紧固螺钉形式和融合器-固定板-紧固螺钉形式，后者固定板结构能为紧固螺钉提供可靠的固定界面，且能将自身所受应力与融合器所受应力分离开，可显著提高产品使用寿命与临床效果，未来可能更受设计者与使用者青睐。此外还有一些创新结构设计，例如：产品 PEEK PREVAIL 采用锚形足印面、中线螺钉、镍钴钼合金线防止螺钉脱出等创新结构形式，治疗单节段颈椎病，术后效果与传统前路减压植骨术相当 [27]；产品 MC+® 和 ROI-CTM 采用创新型自锁板固定结构，研究表明，两个创新结构融合器治疗单节段颈椎病，均具有可靠的临床疗效[28]；产品 ASPEN SE 采用融合器与固定装置一体的结构形式，内置式旋转固定片固定融合器，结构新颖，显著简化手术过程。这些创新结构设计，都可以实现零切迹融合器的设计目标，因此随着零切迹融合器不断发展，将来会不断出现结构新颖的零切迹融合器产品，此外，整合已有零切迹融合器各类产品结构设计优势，在此基础上进行进一步结构改进也是一个非常有效的结构创新方向。
（3）材料替换和改进设计：随着科技进步，新材料不断出现，性能更优的新材料应用于零切迹融合器产品设计是必然趋势。对现有材料通过掺杂、涂层等处理，提升和优化其性能，也是材料设计的一种常用的有效方式。现有零切迹融合器产品材料设计主要是固定板和紧固螺钉采用钛合金材料，融合器采用 PEEK 材料。钛合金因性能优良，被广泛应用于医疗领域，未来或许将主要致力于钛合金的表面改性以及开发新型 β 钛合金的研究[22]，以获得性能更佳的应用型钛合金。产品 STALIF C-TiTM 采用 PEEK 材料融合器表面喷涂活性钛涂层设计，为后续产品设计提供了新思路，以 PEEK 材料为基体的性能更优涂层材料研究以及涂层加工工艺研究，或许将会成为零切迹融合器材料设计一个重要研究方向。
本文对零切迹颈椎融合器的结构设计和材料研究进展两个方面进行综述，并结合最新研究趋势，展望了零切迹颈椎椎间融合器的未来发展方向，可为零切迹颈椎融合器的设计提供借鉴，且对从事脊柱植入器械研发相关的科研人员也具有一定的参考价值。
