本研究介绍了一种用于植入仿生人工椎间盘（BioAID）的新型外科手术技术。该方法可确保精确放置和稳定性，旨在利用山羊模型恢复颈椎功能。该技术在治疗因颈椎脊髓病而受影响的人类和犬类患者方面具有良好的临床应用前景。
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摘要
摘要
颈椎间盘置换术（CDA）已成为治疗退行性压迫性颈椎脊髓病患者的一种外科解决方案，但仍存在局限性，尤其是在实现稳定整合方面。目前人工椎间盘面临的主要挑战之一是由于与相邻椎体骨整合不足，导致移位和脱位的风险。尽管CDA在人类医学中已是一种成熟的治疗方法，但患有颈椎脊髓病的犬通常仍接受减压手术治疗。在兽医学领域，人们对创新疗法（如椎间盘置换术）具有浓厚兴趣。最近，一种新型仿生人工椎间盘（BioAID）被研发出来。该人工椎间盘复制了天然椎间盘的关键特征，包含一个模拟髓核的黏弹性核心和一个模拟纤维环的抗张力纤维套。带翼的钛合金终板可实现牢固固定，而纤维套则促进与相邻椎体的骨整合，从而随时间推移最大限度降低移位风险。由于山羊是脊柱研究中常用且易于获得的动物模型，本研究提供了一套全面且可操作的指南，涵盖假体的设计与制备、实验动物的选择与入组、术前管理、麻醉方案及术后护理，用于在山羊颈椎中植入人工椎间盘装置。文中提供了详细的分步手术方法，并介绍了定制手术器械的设计以及术中和术后所需的影像学技术。该方法弥合了实验研究与临床应用之间的鸿沟。该手术已在四只山羊中成功实施，术后21天的监测证实未发生移位或并发症。这些结果表明，该植入技术可确保初期稳定性，支持其进一步评估的可行性。未来仍需开展研究，以评估长期骨整合效果和生物力学性能，然后才能将该方法转化为人类和犬类临床应用。
引言
在全球范围内，颈痛是导致残疾的第四大常见原因，每年影响超过30%的个体1。尽管颈痛通常与衰老和退行性改变相关，但由于遗传因素、生活方式习惯和生物力学应变，年轻人和犬类也可能出现颈痛。虽然颈痛可能由多种因素引起，但椎间盘（IVD）疾病是最重要原因之一，尤其因其可导致神经结构受压。
在颈椎部位，椎间盘（IVD）疾病可导致压迫性脊髓病（CCM），这是一种在人类和犬类中均被明确认识的脊柱疾病2,3。在人类中，CCM表现为颈部疼痛、麻木以及运动功能障碍2。类似地，大型犬种如大丹犬和杜宾犬易患颈椎脊髓病（CSM），该病通常被称为“摇摆综合征”（Wobbler syndrome）。CSM是由于椎间盘突出、椎体骨质改变、椎体不稳定以及韧带和小关节的退行性变化所引起的脊髓受压。这些因素共同导致脊髓和神经根受压，从而引发临床症状，例如步态不协调，尤其是后肢明显，并伴有肌力减弱，症状可能逐渐累及前肢。患病犬可能出现颈部疼痛、僵硬以及不愿低头的行为，在触诊时常常表现出不适感4,5。在犬类中，最常见的Wobbler综合征类型是与椎间盘相关的CSM，主要影响C4-C5、C5-C6和C6-C7节段的脊柱6。
通常，患有椎间盘相关脊髓型颈椎病（CCM）的人类患者和患有椎间盘相关脊髓型脊髓病（CSM）的犬类患者对保守性内科治疗、生活方式调整以及物理治疗反应良好。对于人类和兽医临床中更为严重、退行性的椎间盘（IVD）疾病患者，当神经结构受到显著压迫且不再对保守治疗产生反应时，则需采取手术治疗7,8。治疗颈髓病的传统外科技术，例如减压术和牵开-稳定术（脊柱融合术），常用于缓解神经压迫并恢复脊柱稳定性9,10。尽管这些手术方法能有效缓解疼痛，但无法恢复脊柱功能单位的正常功能，且常常导致受累脊柱节段的退变加速或完全丧失活动能力。此外，脊柱融合术还与邻近节段疾病（ASD）的发生相关，因为融合节段的固定可能导致邻近节段机械应力增加，进而加速其退变。然而，这种关联在现有文献中仍存在持续争议9,11。
近二十年来，使用人工椎间盘假体进行椎间盘（IVD）置换（即颈椎间盘成形术，CDA）以保留节段活动性，在2000年代初期获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准后，已成为临床实践中成熟的治疗选择12。在临床前研究阶段，研究人员已广泛采用山羊、绵羊和犬等实验动物模型对椎间盘成形术进行深入探索13,14,15。迄今为止，CDA在犬类中的兽医应用仍较为罕见，且缺乏长期随访研究。尽管已有少数研究报道开发了用于维持犬类节段活动性的人工椎间盘16,17，但Falzone等人（2022年）的最新研究揭示了重要局限性。其研究结果表明，接受人工椎间盘（Adamo椎间盘）治疗的犬比接受牵开固定术的犬出现更高发生率和更严重的沉降现象。此外，使用Adamo人工椎间盘治疗的动物中，临床状况恶化及需要翻修手术的情况也更为常见，这引发了对其长期生物力学性能的担忧18。
尽管人工椎间盘置换术（CDA）已获准用于临床，且目前已有多种不同代次的人工椎间盘产品可供选择，但仍存在若干局限性，使得该技术在应用中面临挑战，尤其是对于需要长期植入体稳定性的年轻患者而言19。其中最关键的并发症包括人工椎间盘的移位、脱位和沉降20。因此，一种新型人工椎间盘（BioAID）应运而生，其设计基于模拟天然椎间盘（IVD）结构与生物力学特性的理念，旨在维持生理性的载荷分布模式，并降低邻近脊柱节段退变的风险。
在该仿生人工椎间盘（BioAID）中，天然椎间盘的髓核（NP）由一种黏弹性内核模拟，纤维环（AF）由具有抗张性能的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维套管模拟，而椎间盘与相邻椎体之间的连接则通过带有榫状结构的钛合金终板来实现，以确保稳定性、锚定性和抗移位能力。为评估其功能，该植入物需通过颈部腹侧入路，切除原有椎间盘，并使用专为人工椎间盘植入设计的特殊外科器械。由于该人工椎间盘具有独特的结构和功能特性，与传统的颈椎间盘置换（CDA）系统不同，因此需要采用定制的外科手术入路及配套的专用手术器械。本研究旨在将该技术应用于人类及兽医临床实践，提供了一份详细的人工椎间盘植入操作手册，以山羊模型中C4-C5椎间盘水平为例，阐述了手术规划与具体操作方法——山羊因其解剖结构的相关性和实验可及性，常被用于脊柱相关研究。
这种仿生人工椎间盘旨在模拟天然椎间盘的结构与功能（图1A、B）。该植入物的原始设计（参见材料表）由以下部分组成：一种凝胶状的膨胀性水凝胶，用于模拟髓核；包裹水凝胶核心的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）膜；代表纤维环的羟基磷灰石涂层高张力UHMWPE纤维织物套层；以及带齿状突起的3D打印钛合金终板（图1C），用于将椎间盘固定于相邻椎体。对该新型人工椎间盘原始设计的生物力学评估表明，其能够模拟被替换椎间盘的运动学行为21。在该植入物的最新版本中，水凝胶内核已被一种粘弹性材料（聚碳酸酯聚氨酯（PCU））所取代（图1D）。人工椎间盘植入物首先接受等离子体蚀刻处理，随后采用环氧乙烷（EO）气体灭菌法（参见材料表）进行灭菌，并通过需氧/厌氧细菌生长（ABG）分析检测其无菌性。
图1：人工椎间盘植入物的设计。（A）人工椎间盘植入物的示意图横截面视图。（B）人工椎间盘植入物的实际图像。（C）钛合金端板设计及其相应尺寸。（D）粘弹性内核的示意图表示。改编自 Jacobs 等（2023）21，略有修改。请点击此处查看此图的放大版本。
在本研究中，采用了多种影像学方法，以确保种植体植入的精确定位、术中引导和术后评估。术前影像学检查对于评估解剖结构以及确认种植体的适用性和匹配性至关重要。术中影像学辅助实现精确的手术操作，而术后影像学则用于验证种植体的位置与对位情况。所有影像学检查均依照机构指南及辐射安全法规进行。
术前使用数字化X线设备（参见材料表）进行放射影像学检查，以分析解剖结构并确定椎间盘间隙（IVD）的尺寸，这是术前规划所必需的。通过正确的体位摆放和曝光参数获取标准的腹背位和侧位X线片，以获得最佳图像质量。术中使用C型臂透视设备（参见材料表）引导手术操作，并确认植入物的正确放置。术后采用高分辨率CT扫描仪（参见材料表）评估植入物的位置及解剖对位情况。为进行详细检查，采集薄层轴向图像，以实现多平面重建和三维可视化。为确保对术后效果的准确评估，使用专用软件（参见材料表）进行图像分析。
为了提供人工椎间盘植入的手术指南，本方案描述了术前管理、麻醉、手术步骤以及术后护理。
方案
该项目已获得国家动物实验中央管理机构批准（CCD编号：AVD10800202114750-1），动物实验操作细节包含在经地方动物福利委员会批准的工作方案中（编号：14750-1-02）。此外，使用了两项无关研究中的两具荷兰奶山羊尸体（CCD：AVD11500202216382）来测试植入技术。为验证植入操作流程 体内，从当地饲养者处购买了四只雌性荷兰奶山羊（82–105 kg，3–5岁）。动物在受控环境条件下以群体方式饲养，包括调节温度、湿度和通风。它们拥有 随意摄取 可自由获取食物和水，并依照既定的动物福利指南进行处理。
1. 仪器的设计与制备
- 试验性人工椎间盘的设计与制备
- 设计带翼与不带翼的试模图2A，B根据人工椎间盘植入物的尺寸，试用椎间盘的尺寸为14 mm × 13 mm × 5 mm，与人工椎间盘植入物的尺寸一致。
- 使用专用软件（参考下文） 材料清单设计试验盘，一种版本无鳍，一种版本有鳍，并将其与持握杆连接。
注意：本研究中使用的定制人工椎间盘植入物尺寸相似，为14 mm × 13 mm × 5 mm。试用椎间盘有两种版本，旨在满足不同的手术需求：无翼片版本用于椎间盘切除术后对椎间盘间隙进行尺寸测量，而带翼片版本可确保在终板上正确形成通道，并用作翼片清理工具。 - 使用直接金属打印机通过选择性激光熔融技术打印医用级钛合金（Ti6Al4V ELI Grade 23）的试件圆盘（参见 材料表).
- 对圆盘试样进行后处理，包括手动抛光和超声波清洗（参见 材料清单).
- 人工椎间盘锯导板的设计与制作
- 扫描市售脊柱 Cage 植入物的固定装置（参考 材料清单）重点注意两个螺纹杆，它们牢固地抓握并连接笼子与支架（图 2C).
- 设计锯导引笼（15 mm × 14 mm × 5 mm），在其中设计一个中央槽（13 mm × 1 mm）用于容纳锯片，腹侧开放，背侧封闭图2C）作为锯片的止动装置。使用专用软件，在锯导板的腹侧设计两个与持握装置相匹配的螺纹嵌件。
- 使用由种植体制造商提供的直接金属打印机，通过Ti6Al4V ELI 23级医用认证钛合金的选择性激光熔融技术制备锯导板。
注意：所有植入器械均采用蒸汽高压灭菌法进行灭菌，温度为134 °C，持续80分钟（参见 材料清单). - 人工椎间盘植入器的设计
- 根据人工椎间盘背侧区域的曲率设计植入器图 2D，并由种植体制造商使用直接金属打印设备通过选择性激光熔融技术进行制备。
注意：该植入手术方法最初在尸体山羊颈椎上进行，以确定其可行性和植入器械的适用性。尸体植入后，放射学评估证实了该手术方法的可行性（补充图 S1）。手术步骤部分在 体内 山羊模型包含了植入过程的完整概述。
- 根据人工椎间盘背侧区域的曲率设计植入器图 2D，并由种植体制造商使用直接金属打印设备通过选择性激光熔融技术进行制备。
图 2：用于人工椎间盘植入的 3D 打印钛合金器械。（A）无翼状结构的试用人工椎间盘，（B）带翼状结构的试用人工椎间盘，（C）人工椎间盘锯导板 + 持针器，（D）人工椎间盘植入器。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 术前管理与麻醉
- 在麻醉前对山羊进行一般性检查。
- 按照以下方案对山羊实施麻醉（参见材料表）。
- 麻醉前给药：麻醉前静脉注射右美托咪定 0.01 mg/kg 作为镇静剂
注：右美托咪定的浓度为 0.5 mg/mL，根据动物体重不同，注射体积在 1.64 mL 至 2.1 mL 之间。 - 诱导麻醉：静脉注射丙泊酚 2–4 mg/kg。
注：丙泊酚的浓度为 20 mg/mL。 - 气道管理：对动物进行气管插管，并通过吸入异氟烷和氧气维持麻醉。
- 采用持续输注（CRI）方式静脉输注丙泊酚（10 mg/kg/h）、瑞芬太尼（0.03 mg/kg/h）和顺式阿曲库铵（0.09 mg/kg/h），以维持麻醉，并在手术期间提供镇痛和肌肉松弛作用。
注：本研究中，顺式阿曲库铵（2 mg/mL）和丙泊酚（20 mg/mL）以持续输注方式使用。最终输注体积根据所需剂量和体重计算得出。瑞芬太尼（2 mg/瓶）用 2 mL 无菌水溶解后，再加入 48 mL 生理盐水稀释，获得终浓度为 40 µg/mL 的溶液，以便根据所需剂量和体重进行精确输注。 - 监测：为确保动物稳定，需持续监测心率、呼吸频率、呼气末二氧化碳水平、动脉血氧饱和度、无创血压及心电图数据。
- 麻醉前给药：麻醉前静脉注射右美托咪定 0.01 mg/kg 作为镇静剂
- 采用无菌技术将留置型 Foley 导尿管置入膀胱（参见材料表）。
- 准备：为导尿操作建立无菌环境。修剪山羊阴唇腹侧的毛发。
- 清洁：使用聚维酮碘溶液对局部区域进行消毒，并用 10–12 mL 稀释的聚维酮碘溶液冲洗阴道前庭。
- 为避免污染，操作过程中应采用无菌技术，如彻底洗手并佩戴无菌手套。
- 插入 Foley 导尿管前，应在导管远端涂抹无菌润滑剂。操作全程保持无菌操作方法。
- 固定导尿管：当导尿管正确置于膀胱内后，按照制造商说明用无菌水充盈球囊，以固定导管并防止脱落。
- 尿液收集：将 Foley 导尿管的引流端连接至尿液收集袋，以便监测和管理尿量。
- 在山羊体内插入咽部导管，以防止手术期间发生腹胀和反流。
- 将山羊置于胸卧位，以利于导管放置。
- 确保头部和颈部轻微前伸。
- 根据山羊体型选择合适长度和直径的导管。
- 使用水溶性凝胶润滑导管，以减少插入时的创伤。
- 使用开口器保持口腔张开，防止山羊咬合导管。
- 轻柔地将导管经舌面送入，并导向口咽部。
- 小心推进导管，确保其在咽部正确定位，避免强行插入。
- 在皮肤切口前 30 分钟，静脉注射阿莫西林-克拉维酸，剂量为 10 mg/kg（参见材料表）。
- 将动物置于仰卧位，颈部伸展。使用垫高的头枕或沙袋以维持头部的正确对线并提供支撑。在颈部下方放置泡沫垫或体位固定袋，以维持颈椎的对线（图 3）。
注：为防止过度伸展、颈椎受压过大或脑干受压等并发症，整个操作过程中应确保颈部处于中立且稳定的对线位置。 - 从颅骨至胸廓入口处剃除颈部腹侧毛发，并用碘溶液清洁。
- 术前进行最后一次无菌外科刷洗。用 4% 葡萄糖酸氯己定溶液清洁皮肤三次，随后喷洒 0.5%（m/v）葡萄糖酸氯己定酒精（70%）溶液三次（参见材料表）。
- 在手术区域周围放置四块无菌防水手术巾（参见材料表）。
- 用含碘敷料覆盖暴露的手术区域，并用巾钳固定。
- 使用眼用软膏保护眼睛，防止麻醉期间角膜干燥。根据需要提供保温支持（如加热垫或保温毯）并进行监测。
图3：山羊人工椎间盘植入术的术中设置。 山羊仰卧于手术台上，由真空辅助的沙垫支撑，以维持正确的体位和稳定性。示意图（中图和右图）展示了体位设置，包括置于颈部下方的垫片（黄色），用于提供颈椎支撑和对齐。红色标记指示人工椎间盘植入的手术部位。该设置可确保脊柱的最佳对齐，同时在手术过程中最小化压力点。 请点击此处查看该图的放大版本。
3. 手术步骤
- 确定喉部与胸廓入口之间的手术入路区域，并触诊颈椎（C1的寰椎和C6的横突）以定位。
- 从喉部至胸骨柄做一条腹侧正中皮肤切口。
- 逐层分离皮下组织和平滑肌（platysma muscle），暴露其下方的颈部肌肉组织。使用双极电凝止血以控制并减少出血（参见材料表）。
- 辨认沿颈部腹侧纵向走行的左右胸骨舌骨肌（内侧）和胸锁乳突肌（尾外侧）。
- 在正中线处分离并牵开胸骨舌骨肌和胸锁乳突肌的肌腹，小心暴露其下方的气管。在气管右侧进行钝性分离，并使用Collin（小儿）自持式牵开器将气管连同食管轻柔地向左侧牵开（参见材料表）。使用湿润纱布垫于自持式牵开器叶片与组织之间，保护气管及喉返神经免受牵开器刀片损伤。
- 使用Collin（小儿）自持式牵开器的另一叶片将右侧颈动脉鞘（包含颈动脉、迷走神经和颈内静脉）向右侧牵开，并用纱布保护。
- 辨认长颈肌（longus colli muscle）的肌腹及其在颈椎腹侧棘突上的附着点。
- 通过触诊C6左右两侧向外腹侧延伸的大横突来识别C6，随后在其横突头侧正中位置触诊C5单一的腹侧突起。
- 接着，在上一级水平识别C4单一的腹侧突起。
- 使用钝头剪刀在正中线两侧钝性分离长颈肌，暴露C4和C5椎体的腹侧面，并辨认正中腹侧椎体嵴，以确认C4-C5脊柱节段的完美背腹向对齐。使用双极电凝控制肌腹出血。
- 使用两个自持式Gelpi牵开器牵开长颈肌肌腹，维持C4和C5椎体的充分暴露（参见材料表）（图4A）。
- 通过触诊、解剖标志定位C4-C5椎间盘间隙（位于C4腹侧棘突尾侧），并使用金属标记物（如22G皮下注射针头）在透视下确认位置。
- 接下来，使用11号手术刀或64、65号Beaver刀片进行有限的部分椎间盘切除（参见材料表）。做一矩形切口，长边（10–15 mm）平行于椎体终板，短边（5 mm）位于外侧且垂直于终板（图4A）。
- 将切下的矩形腹侧纤维环（AF）完整取出，使用1 mm球头神经外科探针探查中央髓核（nucleus pulposus），并清除髓核组织。从腹侧向背侧进行椎间盘切除时，椎间盘略呈尾侧向头侧倾斜。避免切除操作穿透至背侧进入椎管。
- 使用神经外科球头探针辨认C4和C5椎体腹侧面的中心区域，并探查终板表面。C4终板表面略呈凹面，而C5终板表面呈凸面。
- 在C4和C5椎体之间正中线的中点处做标记，用于安装Caspar撑开器。
- 将2.0 mm钻头连接至低速钻机，在标记处钻制导孔，穿透皮质骨进入松质骨，但避免穿透对侧皮质（参见材料表）。
- 以90°角垂直于椎体腹侧面钻制C4和C5椎体上的导孔。
- 使用深度测量计探查导孔，确认其深度足以牢固固定克氏针（K-wires），并确认未穿透对侧皮质进入椎管。
- 使用低速钻机将两根2.5 mm克氏针插入导孔，确保其固定稳妥但不过深（参见材料表）。
- 使用透视确认克氏针位置正确，与C4-C5椎间盘间隙对齐，且未穿透对侧皮质。
- 将Caspar椎体撑开器连接至C4和C5椎体上的克氏针（参见材料表）。
- 确保撑开器臂对称放置，避免非对称加载。
- 逐步收紧撑开器，扩大C4-C5之间的椎间盘（IVD）间隙（约超过正常椎间盘高度2–3 mm），以便更好地观察并彻底清除髓核（NP）和背侧纤维环（AF）。
注：应缓慢撑开，避免过度撑开，以防损伤椎体终板或邻近结构，以及对脊髓或神经根造成牵拉张力。 - 使用脊柱刮匙和Chevalier Jackson抓取钳彻底清除IVD的背腹向中央正中部分，以便后续器械及人工椎间盘的植入（参见材料表）。
- 在完全清除包括髓核和纤维环组织在内的椎间盘组织，并确认所有可见椎间盘组织均已清除后，冲洗空置的椎间盘间隙以去除残留的微小碎屑。使用手术显微镜或放大镜确保椎间盘组织被彻底清除。
注：彻底清除中央的髓核和纤维环组织至关重要，以避免残留组织干扰假体植入、愈合过程或生物力学稳定性。然而，应保留附着于外侧韧带的外侧纤维环组织，因其在生物假体植入后可为脊柱节段提供稳定性（见补充图S1A）。清除不完全可能导致炎症反应、假体整合不良或持续压迫等后果。 - 务必避免损伤外侧纤维环和后纵韧带，以确保人工椎间盘植入后的稳定性，并防止椎体脱位。
- 接下来，使用Scoville椎间盘刮匙小心地刮除软骨终板（参见材料表）。
- 保留软骨下骨，以维持稳定性，防止椎体终板塌陷及术后沉降。
- 插入无齿状突起的试模椎间盘，评估人工椎间盘的合适位置，并确保其达到相对于IVD间隙的适当深度（图4B）。通过透视确认位置。
- 取出无齿状突起的试模椎间盘。将锯导板连接至手柄，将其插入预备好的间隙中，确保其开口槽与C4和C5的腹侧椎体嵴精确对齐（见补充图S1A）。通过透视确认锯导板正确插入后，断开并移除手柄。
- 将0.6 mm厚的锯片与C4和C5的腹侧正中椎体嵴对齐，包括锯导板的开口槽，在持续生理盐水冲洗下使用摆动锯从腹侧向背侧开始锯切（图4C，补充图1A）。当锯片接触槽的闭合背侧钛面时停止锯切。使用创伤锯片（参见材料表）。
- 保持锯片插入状态，进行透视检查C4和C5椎体内的锯切缝隙（图4C，图5B）。
- 将手柄重新连接至锯导板，然后小心移除锯导板。保持Caspar牵开器的撑开状态。
- 将带齿状突起的试模椎间盘插入椎间盘间隙，以清理齿槽通道并确保正确就位。使用透视确认所创建通道的对齐性和充分性（图5C）。
- 取出带齿状突起的试模椎间盘。
- 取出人工椎间盘装置，检查植入物纤维套筒头侧和尾侧的钛合金齿状突起（图1B）。确保齿状突起完整无损，这对牢固固定及与椎体终板的正常整合至关重要。辨认植入物的背侧和腹侧：腹侧轮廓略更凸出或圆润，而背侧较平坦或宽广（图1B）。
注：钛合金终板的腹侧齿状突起比背侧更厚（1.3 mm vs. 1.0 mm）（图1C）。这一差异在降低术后脱位风险方面起关键作用：植入时先插入背侧齿状突起，再插入腹侧齿状突起进入已制备的通道。 - 将人工椎间盘纤维套筒的腹侧牢固压入椎间盘植入手柄中，将人工椎间盘推入预备好的椎间盘间隙（图4D）（补充图S1B）。
- 将假体与椎体正中线对齐，确保正确位置。使用透视确认人工椎间盘位置正确，头侧和尾侧的背侧与腹侧齿状突起均正确嵌入（图5D）。释放Caspar撑开器的撑开力。
- 当人工椎间盘正确植入时，其腹侧边缘应与椎体骨腹侧面齐平，或略偏背侧（图6A）。
- 移除Caspar撑开器和2.5 mm克氏针。
- 使用高速1–2 mm磨头，在C4尾侧和C5头侧的腹侧锯缝内，紧邻腹侧齿状突起的腹侧，制作一个直径5 mm的圆形孔（图6B）（补充图S1C）。
- 按照制造商说明配制骨水泥，并将其注入通道孔中，静置约10分钟使其固化（参见材料表）（图4E，图6C）（补充图S1D）。
注：混合和应用骨水泥时应保持良好通风环境。应用前使用适当吸引清除血液和液体，以防水泥粘附不良。根据制造商说明，采用质量比64%粉末与36%液体的比例，即每40 g聚合物粉末加入20 mL单体液体。 - 取两块4孔2.0 mm钛板，使用钢板切割器将其裁剪为3孔或2孔钛板（参见材料表）。将这些钛板并列置于外侧，覆盖已填充水泥的通道，有效封闭并防止水泥移位（图4F，图6D）。
- 使用2.0 mm钻头钻通同侧皮质后，用两枚2.0 mm锁定螺钉固定钛板（参见材料表）（图4F，图6D）。
- 用无菌温生理盐水彻底冲洗手术区域，清除碎屑和骨尘。
- 通过最终透视检查确认植入人工椎间盘的位置（图5E、F）。
- 使用可吸收缝线（2-0聚二氧杂环己酮）重新对合并缝合长颈肌（参见材料表）。
- 使用可吸收缝线（2-0聚二氧杂环己酮）复位并缝合胸骨舌骨肌和胸锁乳突肌。
- 使用可吸收缝线（2-0聚甘醇酸酯25，配圆锥形针）连续简单缝合皮下层（参见材料表）。
- 使用皮下连续可吸收缝线（2-0聚甘醇酸酯25，配切割针）缝合皮肤。
图4：山羊C4-C5脊柱节段的腹侧视图。使用Gelpi牵开器牵开颈长肌（右侧为头侧，左侧为尾侧）。人工椎间盘植入手术包括以下步骤：（A）椎间盘切除——使用手术刀切除椎间盘，为植入准备椎间隙。（B）锯导板放置——将锯导板的开口槽对准椎体腹侧中线嵴（绿色箭头头），以确保骨面准备的准确性和可控性。（C）龙骨槽道制备——使用摆动锯沿椎体腹侧中线嵴（绿色箭头头）在骨性终板上制备槽道，以实现植入物的正确放置。（D）人工椎间盘植入——将人工椎间盘（黄色箭头）置入椎间盘（IVD）间隙。（E）骨水泥填充——将骨水泥（蓝色箭头）注入已制备好的骨性终板槽道中，防止龙骨移位。（F）槽道覆盖——用钛板（白色箭头）覆盖槽道，固定手术部位。请点击此处查看该图的放大版本。
图5：术中采用透视技术监测人工椎间盘植入过程。（A）术中透视设备在手术室内的位置。（B）验证锯导板的对位情况，并评估锯片所创建通道的深度。（C）使用带齿试模人工椎间盘评估制备好的通道，并起到清理齿槽的作用。（D）确认人工椎间盘的正确放置，确保背侧和腹侧的齿钉分别准确嵌入颅侧和尾侧椎体。（E 和 F）人工椎间盘植入后，在腹侧通道内填塞骨水泥塞，并在腹侧通道开口处放置覆盖钢板，随后进行透视以最终评估植入的人工椎间盘，E（腹背位视图），B、C、D 和 F（侧位视图）。请点击此处查看该图的放大版本。
图6．人工椎间盘植入及防止翼部移位的附加措施示意图。（A）人工椎间盘假体正确居中放置于椎间盘间隙内。（B）使用电动磨头将两个通道的腹侧部分略微扩宽并修圆，同时小心保持与终板的距离。（C）用骨水泥填充腹侧通道开口，以阻止人工椎间盘装置钛合金终板的腹侧翼部从通道中脱出。（D）使用钛板有效封闭通道，防止骨水泥栓脱落。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 术后恢复与管理
- 对颈部区域进行CT扫描，以评估植入后人工椎间盘的位置（图7）。
- 在颈部周围使用泡沫颈套，并加用轻质绷带以支撑手术植入部位（参见材料表）。
- 在拔除 Foley 导尿管并观察到自主排尿后，根据需要允许动物在术后进行受控下地活动，以完成排尿和排便。
- 术后最多连续五天给予氟尼辛葡甲胺作为镇痛药，剂量为 2.2 mg/kg（静脉注射）（参见材料表）。
- 为每只山羊贴敷丁丙诺啡透皮贴剂以提供镇痛，确保贴剂持续保留四天（参见材料表）。
- 预防性给予新霉素-普鲁卡因青霉素，剂量为 5 mg/kg/天（肌内注射），连续三天（参见材料表）。
注意：本研究中，氟尼辛葡甲胺（50 mg/mL，静脉注射）按 2.2 mg/kg 给药，新霉素-普鲁卡因青霉素按 5 mg/kg（肌内注射）给药，所用制剂为含新霉素（100 mg/mL）与普鲁卡因青霉素（200 mg/mL）的复合制剂；两种药物的最终注射体积均根据动物体重计算确定。为提高清晰度并支持实验可重复性，已添加一个工作流程图，总结从术前准备到术后随访的完整过程（图8）。 - 在动物未恢复足够意识以维持胸卧位之前，不得将其单独留置。
图7．人工椎间盘植入术后CT扫描。 CT图像显示植入物已稳固就位，C4椎体可见通道：（A）横断面视图和（D）矢状面视图，以及C5椎体：（B）横断面视图和（E）矢状面视图，其终板已被骨水泥封闭，红色箭头所示。通道位于C4和C5椎体终板中线处，该位置通过横断面图像（A 和 B）测量，并在轴位视图（C）中显示。术后还通过矢状面图像（F）在不同椎间盘（IVD）水平测量了椎间盘间隙。 请点击此处查看该图的放大版本。
图8：从术前准备到术后随访的手术工作流程概览。 请点击此处查看该图的放大版本。
结果
采用尸体山羊模型，使手术团队在启动in vivo研究之前熟悉相关操作流程。该尸体操作方案利用山羊尸体模型，使脊柱研究人员和外科医生能够在接近真实手术室的环境中，练习将一种新型人工椎间盘植入C4-C5椎间隙的手术操作。对尸体进行X射线成像，以确认植入后人工椎间盘假体及骨性终板无明显损伤（补充图S1E）。为增强手术训练的真实性，使用新鲜完整的山羊尸体，以便在手术台上实现精确体位摆放，同时保持组织的自然颜色、质地和硬度。手术操作的每一步均暴露颈椎目标区域，并依照标准神经外科操作规范进行22。
在4只山羊中进行的人工椎间盘植入in vivo研究显示，该方案在山羊动物模型的C4-C5节段成功实施，并在手术准确性与植入物即刻稳定性方面获得了可预测的结果。术中及术后影像学检查（如透视成像、X线摄影和CT） consistently 确认了假体在椎间盘（IVD）间隙内的精确定位。
在关键步骤中使用术中透视，例如试模椎间盘植入、锯导板定位以及最终人工椎间盘的置入，可确保操作的精确性并防止手术错误。完成锯切操作后，对制备好的榫槽通道进行检查，显示榫槽轨迹清晰且对位良好，未见明显过度毛刺或周围结构损伤。骨水泥栓在通道内充分起到了防止榫部迁移的腹侧阻滞作用，为人工椎间盘假体提供了稳定的固定基础。
CT被证明是一种有价值的术后影像学方法，可进行多平面重建，从而能够精确评估假体相对于椎间盘间隙和椎体终板的三维位置（图7）。人工椎间盘的正确对位、椎间盘高度的恢复以及对称的翼槽制备均得以实现，且变异极小（图7）。此外，钛合金锁定板的应用有效封闭了骨水泥塞，防止了骨水泥移位。
术后24小时及21天的随访荧光透视成像进一步证实了人工椎间盘的位置以及周围椎体的结构完整性（图9）。
图9：人工椎间盘植入术后的随访观察。（A-B）术后24小时对其中一只植入动物的观察情况及其相应的透视图像，显示动物具有良好的疼痛控制和整体健康状态，例如正常体态。（C-D）同一只动物在植入后21天的评估结果，透视图像证实植入物位置稳定。 请点击此处查看该图的高清版本。
在所有四只山羊植入后的21天内，评估了包括神经功能恢复和活动能力在内的各项功能学结果。在此期间，所有动物均表现出正常行为，食欲良好，且未出现疼痛、神经功能缺损或跛行等迹象。此外，在术后21天内，根据体温正常、手术部位无肿胀、发红或渗出物、食欲稳定、行为正常以及无跛行或全身性疾病等临床表现，四只山羊均未出现手术部位感染的迹象（补充视频 S1 和 补充视频 S2）。
补充图 S1：利用人工椎间盘假体在山羊尸体颈椎 C4-C5 椎间盘间隙实施椎间盘置换术，以评估植入技术的可行性。 手术步骤如下：（A）椎间盘切除，并沿椎体腹侧中线骨嵴方向在终板骨面上制备通道（绿色箭头所示）。（B）植入人工椎间盘装置。（C）使用电动磨钻扩大所制备的通道（黄色箭头所示）。（D）将骨水泥注入通道内（黑色箭头所示），随后覆盖钛板以防止骨水泥栓脱出。（E）人工椎间盘植入并注入骨水泥后、但在骨水泥栓上方放置钛板前，获得的腹背位（左）和侧位（右）X线影像。人工椎间盘装置的钛合金终板鳍状结构（红色箭头所示）已嵌入各椎体终板的对应鳍槽内。请点击此处下载该文件。
补充视频 S1： 该视频展示了植入人工椎间盘后第3天的动物情况。 请点击此处下载此文件。
补充视频 S2： 该视频记录了人工椎间盘植入后21天的4只实验动物，显示其行为正常。请点击此处下载此文件。
讨论
这项尸体解剖及 体内 山羊动物模型研究证明了在颈椎C4-C5节段进行人工椎间盘植入术所描述方案的精确性与可重复性。该研究有效评估了该手术技术的可行性，强调了在关键手术步骤中影像学、特定定制器械以及植入物、椎体结构与手术入路之间精确对位的重要性。23.
本研究的一个重要成果是成功可靠地制备出对齐良好的脊状通道，并实现了假体的稳定放置。手术过程中系统性地使用X线透视技术，确保了操作的准确性，尤其是在试模椎间盘放置和最终假体植入阶段。这种基于影像引导的方法旨在最大限度降低假体错位的风险，而错位在此前的人工椎间盘植入研究中曾被报道为一种潜在并发症24。此外，应用Caspar椎体撑开器提供了可控且稳定的手术操作空间，有助于精确切除椎间盘组织并制备脊状通道。在人工椎间盘植入术中使用Caspar椎体撑开器的方法，与颈椎前路减压与固定术中采用的技术高度相似，进一步支持了本操作方案的可转化应用价值25。
骨水泥，尤其是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），常用于椎体成形术和椎体后凸成形术等治疗，以稳定脊柱压缩性骨折25。骨水泥还被用于改善骨质疏松脊柱中椎弓根螺钉的固定效果，因其已被证实可增强在骨质条件较差情况下的稳定性26。在本项外科技术中，联合使用骨水泥和钛合金锁定钢板，旨在通过锚定假体并限制其移位，从而提高稳定性，同时便于评估人工椎间盘纤维鞘套与椎体终板之间长期的骨整合情况。采取这些措施是为了增强植入物的长期完整性，确保脊柱固定的持久性。然而，额外使用骨水泥和钢板固定很可能增加与植入物相关的并发症风险，例如邻近结构应力增加、骨重塑受损、异物反应或翻修手术困难。未来关于人工椎间盘的长期功能结局研究，还应重点关注这一附加步骤的必要性，以预防假体基座的移位。
尽管这项在山羊中开展的体内研究主要旨在评估人工椎间盘植入的可行性及短期效果，但结果显示，在术后21天内，所有植入操作均成功完成，且未出现任何影像学上的感染迹象、植入物移位或植入材料降解现象。通过功能评估对动物的短期术后恢复情况进行了评价，包括神经功能恢复、疼痛反应、活动能力及整体健康状况的监测。所有四只山羊均表现出正常行为、食欲良好，且无疼痛、跛行或手术部位感染的迹象。这些结果表明，所述实验方案在实验用山羊中具有良好的有效性和耐受性。
针对术中常见问题（如假体位置不良、燕尾槽制备困难或骨水泥应用不当）的潜在解决方案，可通过术前影像学检查精确准备手术方案，并测量椎间盘和椎体尺寸以及使用透视技术来预防或解决。该方法的高效性、可用性和可重复性得到了术中反复使用透视检查的支持，证实了在背卧位时假体的精确定位；同时支持使用针对山羊体型定制的手术器械，并对涉及颈部定位、解剖结构识别正确位置、燕尾槽锯切、燕尾嵌入、假体植入、骨水泥应用及钢板固定的全部手术步骤进行监控。
尽管本研究具有诸多优势，但仍受限于相对较短的随访时间。虽然21天的观察期为术后早期转归提供了重要见解，但长期的生物力学稳定性、骨整合以及功能适应性仍需在更长时间内进一步评估。此外，动物个体间的解剖结构、年龄和骨密度差异可能影响研究结果，在未来的研究中应予以考虑。尽管该人工椎间盘原始版本的生物力学分析已证实其能够模拟天然椎间盘复杂的运动学特性21，但针对最终版本（含新型内核）的力学评估业已完成，相关结果将在未来一项纳入这四只山羊的长期队列研究中发表。
总之，本研究证实了所述人工椎间盘植入方案在 体内 山羊模型。研究结果表明，该技术在保留颈椎活动度的干预措施中具有应用前景，可为后续转化研究提供有价值的理论基础。未来的研究应包括对保留颈椎活动度干预措施的分析，并需延长随访时间，同时进行脊柱功能单位的组织病理学检查，以评估植入物的长期稳定性及终板骨整合情况，从而确定其在犬类乃至人类中的安全性和潜在临床应用价值。
披露
作者声明无任何利益冲突。
致谢
本出版物属于 BioAID 项目（项目编号 10025453），由 AES 开放技术计划资助，并由荷兰研究委员会（NWO）部分资助。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>种植体实验室 | |||
| 3D 实验室 | 荷兰乌得勒支大学医学中心3D，乌得勒支，荷兰 | 负责设计植入装置的实验室。[https://www.umcutrecht.nl/nl/3d-lab/] | |
| <强>软件 | |||
| Clideo.com | Clideo Ltd. ，塞浦路斯 | 在线视频编辑器及工具 | |
| Materialise Mimics 软件版本 25.1 | Materialise，比利时鲁汶 | CT DICOM 数据处理 | |
| 3-Matic 软件版本 17 | Materialise，比利时鲁汶 | 设计植入装置的软件 | |
| RadiAnt DICOM Viewer（版本 2024.2） | Medixant，波兹南<图像替代文本"公式 1" src="/files/ftp_upload/68623/68623eq1.jpg" 样式="margin: auto;"/>，波兰 | CT DICOM 查看器 | |
| <强>植入物制造商 | |||
| Amnovis | Amnovis，比利时阿尔斯霍特 | 植入器械的打印及打印后处理，包括试模 Cage 和锯导引器 [https://www.amnovis. com/] | |
| 3D金属打印 | 3D金属打印生产 & 工程，Houlle，法国 | BioAID 钛合金终板的打印与后处理。 [https://www.3d-metalprint.com/] | |
| OSYPKA AG | 德国莱茵费尔登 | 组装完成后对BioAID植入物进行环氧乙烷（EO）灭菌，将植入物置于含8%环氧乙烷的灭菌器中。灭菌循环在低温（38 °C）下运行。°-42°C）孵育3小时。[https://osypka.de/] | |
| Empa | Emp，瑞士圣加仑 | 等离子体刻蚀：在批量反应器中应用两次40分钟的Ar/O₂等离子体，16/4 sccm，30 W，4 Pa [https://www.empa.ch/] | |
| <强>植入体组件 | |||
| Bionate® 80A PCU | DSM Biomedical，荷兰，赫尔伦 | 7006035 | 硬度平均值：82.6，分子量 Mw：385272 Da，PDI：2.5，抗拉强度：8402.1 psi，厚度 1.8 mm |
| 超高分子量聚乙烯膜 | DSM Biomedical，荷兰，赫尔伦 | 厚度为38 μm，面密度为5 g/m²，孔径为0.9 μm | |
| 超高分子量聚乙烯编织纤维护套 | Centexbel，Grâ比利时 ce-Hollogne | 2/1 织物，每厘米8针 | |
| 乌尔捷耶娃纯度™ | DSM Biomedical，荷兰，赫尔伦 | Ulteeva +HA SGX、dtex110、TS 100，原名Dyneema Purity® | |
| <强>仪器与设备 | |||
| ProX DMP320 | 美国南卡罗来纳州3D系统公司 | 使用选择性激光熔化技术的直接金属打印设备 | |
| Miele 专业 G 7826 | Miele Nederland B.V.，Vianen，荷兰 | 卫生型洗衣机 | |
| BLUE SEAL 100*360 毫米 | Interster，Wormerveer，荷兰 | 3FKFB210819 | 透明灭菌覆膜，尺寸 100*360 mm |
| MMM 灭菌器 OB10643 | MMM 集团，普拉内格，德国 | 蒸汽高压灭菌器 | |
| NZS 229 荧光透视模型 | 飞利浦，埃因霍温，荷兰 | 透视成像 | |
| AGFA DR 600 | AGFA Valory，比利时 | X射线机 | |
| 64排，西门子SOMATOM Definition AS | 西门子医疗美国有限公司，美国 | CT扫描仪 | |
| 10Fr×40cm 导尿管，带10cc气囊 | 美国 Teleflex | 170605-12 | Foley 导尿管规格 12 |
| Ioban 2 | 3M，明尼苏达州，美国 | 6640EU | 含碘手术铺巾 |
| 2.0 LeiLOX 锁定螺钉 钛 | Rita Leibinger，BW，德国 | 245-420-18 | 2.4 mm 自攻型锁定钛螺钉 |
| PDS 2-0 配 CP-1 针 | Johnson & Johnson Medical GmbH，诺德施泰特，德国 | PDP466H | 聚对二氧环己酮加抗菌2-0（可吸收缝合材料） |
| Monocryl 2-0 带 Taperpoint Plus 针 | Johnson & Johnson Medical GmbH，德国诺德施泰特 | MCP3170H | 含抗菌剂的聚甘醇碳酸酯25 2-0（可吸收缝合材料）配锥形针 |
| Monocryl 2-0 带反向切割针 | Johnson & Johnson Medical GmbH，诺德施泰特，德国 | MCP4443H | 含抗菌剂的聚甘醇碳酸酯25 2-0（可吸收缝合线材料）配反向切割针 |
| Syncage C 短夹具 | SYNTHES 公司，瑞士 | 3,96,989 | 4.5号试模专用持握器 |
| Curion® CuriBag 尿袋（2 升），25 个 | Medeco BV，荷兰 | 55902 | 110 厘米管和一个十字阀 |
| Shiley™ 带TaperGuard的气管插管™ 袖带 | 美敦力公司，明尼苏达州，美国 | 18790S | 带预装导丝的墨菲眼，内径 9.0 mm，外径 12.1 mm |
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| Gelpi拉钩 | Aesculap GmbH，图特林根，德国 | BV996R | HGIII 套件 L=135mm |
| 贝弗刀片手柄 | 法国里昂，Vet spectrum | SAH.002544 | 4英寸，巴尔德斯编号：64 和 65 |
| Synthes 2.0 mm 钻头 | SYNTHES 公司，瑞士 | 310.19 | |
| 基希纳 wiers | SYNTHES 公司，瑞士 | 292.20 | Synthes 2.0 mm KWIRE W/TROCAR POINT 150 mm |
| CASPAR，椎体撑开器 | KLS，德国图特林根 | SBH 110-740-02 | 左侧，短齿条：110 mm |
| C-Lox 脊柱刮匙 | Rita Leibinger，BW，德国 | 134-0700-22 | 不锈钢 22厘米 |
| MTI Curette | MTI，俄亥俄州，美国 | L = 8.8 mm，总长 = 19 mm <图片替代文本"公式 2" src="/files/ftp_upload/68623/68623eq2.jpg" 样式="margin: auto;"/> 6.3毫米刮匙，45度刮匙钩<图片替代文本"公式 3" 源文本：src="/files/ftp_upload/68623/68623eq3.jpg" 样式="margin: auto;"/> | |
| 切瓦利埃·杰克逊喉用抓钳 | 美国密歇根州斯特赖克 | S35.43000 | 11.75″ 299MM |
| 斯科维尔刮匙 | GerMedUSA，美国纽约 | G46-1502 | 10" 向下 |
| 锯片 | 美国印第安纳州，DePuy Synthes公司 | 519.104S | 可用长度：50 mm，切片厚度：0.6 mm，宽度：10 mm |
| 骨科 COLIBRI II | 美国印第安纳州，DePuy Synthes | 5,32,101 | 钻头/摆动锯 |
| PALACOS® R（骨水泥） | 贺利氏（库尔策），德国 | K202475 | 高黏度骨水泥 ，不透射线，绿色 |
| LeiLOX 钛合金重建板 | Rita Leibinger，BW，德国 | 142-0220-04 | 4个孔，两孔间距约9毫米，长度=32.95毫米，最大宽度=5.95毫米，最小宽度=3.6毫米，高度=1.55毫米 |
| Actimove Cerviroll | Ottobock，德国德德施塔特 | 72859-44 | 颈部泡沫护套（大号） |
| <强>药物 | |||
| Dexdomitor 0.5 mg/ml | Orion Corporation，芬兰埃斯波 | EU/2/02/033/001-002 | 盐酸右美托咪定注射液 0.5 mg/ml（10ml） |
| 布托啡诺 20μm/小时 贴剂 | SANDOZ BV，荷兰阿尔梅勒 | RVG 114802 | 透皮贴剂 |
| 丙泊酚 20 mg/ml | Fresenius Kabi Nederland b.v.，Huis ter Heide，荷兰 | RVG 110811 | 注射用或输注用丙泊酚 20 mg/ml 乳剂（50ml） |
| 氟尼辛葡甲胺 50 mg/ml | Laboratories Calier S.A.，莱斯弗兰克斯德尔瓦尔ès，Spian | ES/V/0127/001 | 100 ml 瓶装，QM01AG90 - 氟尼辛 |
| Neopen® | MSD intervet，博斯梅尔，荷兰 | REG NL 1556 | 新霉素（100 mg/ml）-普鲁卡因青霉素（200 mg/ml） |
| 瑞芬太尼 2mg | Mylan B.V.，荷兰阿姆斯特尔芬 | RVG 104757 | 盐酸瑞芬太尼 2.19 mg/瓶，相当于瑞芬太尼 2 mg/瓶 |
| 聚维酮碘洗发液 | Mylan B.V.，荷兰阿姆斯特尔芬 | RVG 08943 | 聚维酮碘 75 mg/ml（120 ml） |
| 聚维酮碘溶液 | Mylan B.V.，荷兰阿姆斯特尔芬 | RVG 01331 | 聚维酮碘溶液 100mg/ml（500ml） |
| 阿莫西林/克拉维酸 | SANDOZ BV，荷兰阿尔梅勒 | RVG 29725 | 含500 mg阿莫西林和50 mg克拉维酸（粉末） |
| HiBiScrub | Mölnlycke Health Care AB.，荷兰乌得勒支 | RVG 10156 | 氯己定二葡糖酸盐 40 mg/ml（500 ml） |
| 酒精70%中的氯己定0.5% 喷雾（品红色） | ADDED PHARMA，荷兰奥斯 | ROL. 1642783 | 0.5%氯己定溶于70%酒精 喷雾（250毫升） |
| 顺式阿曲库铵 2mg/ml | 德国哈梅林市，哈梅林制药有限公司 | 9266716 | 1 ml 含：苯磺顺阿曲库铵 2.68 mg（相当于顺阿曲库铵 2 mg） |
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