负载浓缩生长因子的多孔钽融合器通过促进血管-成骨耦合增强大鼠XLIF模型椎间融合

《Scientific Reports》：Porous tantalum cage loaded with CGF promotes interbody fusion in a rat XLIF model

本研究针对脊柱椎间融合术后骨不连的临床挑战，开发了一种新型复合植入体：负载浓缩生长因子(CGF)的多孔钽(PTa)融合器。该CGF-PTa融合器巧妙结合了化学气相沉积法制备PTa的力学强度、骨传导性与CGF持续释放血管生成(VEGF)和成骨(TGF-β、IGF-1)因子的优势。通过大鼠极外侧椎间融合(XLIF)模型系统评估，结果表明CGF-PTa能显著促进骨再生、提高融合率及力学稳定性，为优化椎间融合装置功能提供了新策略。

　　

随着全球人口老龄化进程加速，腰椎退行性疾病如腰椎间盘突出症、椎管狭窄和腰椎滑脱的发病率显著上升，给全球医疗系统带来巨大挑战。这些疾病常伴随持续性腰痛和进行性神经功能障碍，当保守治疗无效时，手术干预成为必要选择。椎间融合术是治疗退行性脊柱疾病的关键外科技术，旨在恢复脊柱稳定性和解除神经压迫。然而，其长期疗效仍受限于假关节形成和骨不连等并发症。

目前，自体骨移植因其优异的骨传导性和骨诱导性被视为椎间融合的"金标准"。但其临床应用受限于供区疼痛、感染和骨量有限等问题。与传统后路腰椎椎间融合(PLIF)不同，极外侧入路(XLIF)等侧方入路避免了广泛切除后路骨结构，使得获取足够自体移植材料变得困难。在这种情况下，同种异体骨移植也被广泛用作替代方案，但存在免疫排斥和疾病传播风险，且通常表现出较弱的骨诱导特性。

这些临床局限性推动了脊柱融合生物材料的发展。其中，多孔钽(PTa)因其优异的生物相容性、耐腐蚀性以及与松质骨相似的弹性模量而成为有前景的候选材料。PTa的弹性模量约为3-4 GPa，与松质骨相近，从而减轻了传统钛基植入物常见的应力屏蔽和植入物沉降问题。此外，通过化学气相沉积(CVD)制备的PTa可实现75-80%的孔隙率，其相互连通的三维结构有利于细胞粘附和骨组织长入。

事实上，骨传导和骨诱导是骨植入物的两个基本特性。虽然CVD衍生的PTa由于其结构和材料特性具有优异的骨传导性，但其生物惰性限制了其主动诱导骨形成的能力。研究表明，理想的多孔植入物应结合生物活性细胞或生长因子，以同时促进血管生成和成骨。因此，增强PTa的骨诱导能力对其在椎间融合中的应用至关重要，特别是在椎间隙的无血管和复杂微环境中。

浓缩生长因子(CGF)作为第三代自体血小板浓缩物，富含VEGF、PDGF、TGF-β和IGF-1等多种生长因子，在血管生成和成骨分化中发挥重要作用。通过变速离心工艺制备的CGF形成致密的交联纤维蛋白基质，具有三维网络结构。该基质作为生长因子的理想生物载体，在降解过程中允许持续、顺序释放。先前研究表明，CGF的纤维蛋白网络能够控制生长因子释放长达14天，从而维持组织再生所必需的稳定局部浓度梯度。这种"高浓度储库-程序化释放"机制使CGF成为促进组织再生和血管化的高效自体生物材料。

理论上，CGF的骨诱导潜力与PTa的骨传导结构相结合，可为细胞粘附提供物理支架，同时递送促进血管生成和骨愈合的生物活性因子，从而增强椎间融合。然而，这种策略在脊柱融合领域的探索仍不足。特别是，调节"血管生成-成骨耦合"机制以改善融合效果值得进一步研究。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，研究人员开发了一种创新方法，将PTa和CGF结合制备双功能复合融合器，能够同时促进骨再生和新血管生成。该融合器在大鼠XLIF模型中促进椎间融合的功效得到了系统评估，为优化椎间融合器设计和推进退行性脊柱疾病治疗提供了新策略。

主要技术方法

研究采用48只雄性SD大鼠，建立新型大鼠XLIF椎间融合模型。通过化学气相沉积(CVD)技术制备多孔钽融合器，并从大鼠心脏血制备浓缩生长因子(CGF)，通过真空灌注将CGF负载于PTa融合器中形成复合支架。通过扫描电镜(SEM)和酶联免疫吸附试验(ELISA)表征材料特性和生长因子释放曲线。术后通过影像学(X线、微CT)、生物力学测试、组织学染色(Van-Gieson染色)和免疫组化系统评估融合效果，并考察材料的生物相容性和降解性。

研究结果

融合器表征

CGF-PTa融合器表现出均匀的多孔结构和致密的纤维蛋白网络。SEM显示PTa融合器具有小梁状十二面体晶格拓扑结构，孔隙率约80%，平均孔径440μm。CGF凝胶能均匀填充PTa金属笼的孔隙结构，在负压灌注条件下深入笼内部孔隙。ELISA结果表明，血管生成和成骨相关因子VEGF、TGF-β和IGF-1在14天内持续释放。

影像学评估

X线成像显示，两组均未出现融合器移位或沉降现象。根据改良Bridwell评分系统，在术后4周，PTa组和CGF-PTa组的平均融合评分分别为0.92±0.63和1.42±0.63；8周时分别增加至2.25±1.11和2.75±0.35。虽然差异无统计学意义，但CGF-PTa组在两个时间点都表现出更高的完全骨性桥接比例。

手动触诊

手动触诊结果显示，在术后4周，PTa组的完全融合率为0.0%(0/12)，而CGF-PTa组为16.7%(2/12)。到8周时，PTa组的融合率增加至41.7%(5/12)，CGF-PTa组达到91.7%(11/12)。8周时组间差异具有统计学意义(p=0.027)，表明CGF负载显著增强了愈合后期的椎间融合。

微CT分析

微CT评估显示，两组在术后4周均观察到初步骨长入，CGF-PTa组表现出更显著的骨愈合趋势。到8周时，两组都表现出更明显的新骨形成和稳定的桥接融合。骨微结构参数定量分析表明，CGF-PTa组在骨体积分数(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁分离度(Tb.Sp)和骨矿物质密度(BMD)方面均显著优于PTa组。

生物力学评价

生物力学测试表明，CGF-PTa组在所有加载方向上都表现出比PTa组更高的结构刚度。在术后4周，与PTa组相比，CGF-PTa组的弯曲刚度增加54.74%，伸展刚度改善39.45%，左右侧弯刚度分别提高18.54%和23.92%。到8周时，虽然组间差异略有减小，但CGF-PTa组仍保持力学优势。

组织形态计量学分析

Van-Gieson染色显示，CGF-PTa组在术后4周和8周的笼内骨面积分数分别为8.73±1.81%和41.38±5.17%，显著高于PTa组的5.46±0.84%和25.65±2.79%，分别增加约59.9%和61.3%。这表明CGF负载不仅促进早期新骨组织粘附和定植，还在后期阶段促进更广泛和深入的骨内渗透和支架内重塑。

免疫组化分析

免疫组化结果显示，在术后4周，CGF-PTa组CD31和VEGF阳性细胞比例显著高于PTa组，表明CGF的参与显著增强了骨愈合早期的局部血管生成活性。到8周时，CGF-PTa组CD31和VEGF表达水平仍高于PTa组，表明愈合中后期持续的血管生成效应。同时，CGF-PTa组OCN和Runx2阳性细胞比例也较高，表明CGF应用不仅早期激活成骨细胞分化，还促进骨基质蛋白表达。

生物相容性和降解性

皮下植入的CGF凝胶在14天内呈现连续降解趋势，累积降解率达90.6%。主要器官的组织学检查显示，CGF-PTa植入未引起SD大鼠明显病理改变，表现出良好的体内生物相容性。

研究结论与意义

本研究系统证明，负载CGF的PTa融合器系统在椎间融合模型中表现出优异的融合率、生物力学稳定性、生物相容性、成骨能力和骨整合性，显著增强了融合节段的长期稳定性。CGF与多孔钽笼之间的协同效应实现了椎间融合微环境中血管生成和骨再生的协调促进，突出了其在组织工程领域的应用潜力。

该研究的主要意义在于：首先，它提供了一种功能化策略，通过将生物活性因子与多孔金属支架相结合，克服无血管环境中惰性植入物的局限性；其次，研究揭示了CGF通过调节局部愈合微环境和促进血管-成骨耦合来增强椎间融合的潜在机制；最后，鉴于钽基植入物已建立的临床应用和生物相容性，以及CGF的自体性质，该双功能策略具有转化为人类椎间融合实践的强大潜力。

研究的局限性包括大鼠椎间隙有限限制了组织学评估、使用同种异体CGF可能引入免疫因素、以及CGF持续释放时间可能通过结合水凝胶或纳米材料进一步延长等。这些局限性为模型优化指明了方向，并为大动物模型验证和最终临床转化奠定了基础。

总之，这项研究为多孔金属融合装置的功能优化和临床转化提供了新方法和理论基础，代表了退行性脊柱疾病治疗领域的重要进展。