《Egyptian Journal of Neurosurgery》：Apparent stability vs. hidden mechanical risk in lumbar interbody fusion: a systematic biomechanical review
背景：腰椎椎间融合术的临床疗效常通过术后节段活动度降低及表观节段稳定性进行评估，但单纯的活动度控制并不能完全反映融合结构的内部力学环境。即便表观稳定性相近的融合结构，其终板应力、融合器载荷、内固定应变、邻近节段负荷及抗沉降能力仍可能存在显著差异。
主体：本研究为一项结合叙述性机制合成的系统生物力学评价，旨在明确腰椎椎间融合中表观稳定性与隐匿性力学风险的关系。研究人员检索了PubMed/MEDLINE、Embase、Scopus及Web of Science数据库自建库至2026年3月的文献，纳入采用尸体标本、离体实验、有限元分析、经尸体验证的计算模型、循环压缩及基于尸体标本的沉降模型评估腰椎或腰骶椎间融合结构的研究，最终16项研究进入定性合成。证据类型涵盖有限元研究、尸体及离体实验、经尸体验证的计算模型及沉降相关压缩模型，并通过结构化方法学评价与定性证据层级框架对不同模型的类型、验证状态、加载相关性及结局广度进行区分。
结论：现有生物力学证据表明，腰椎椎间融合结构的评估不应仅依赖表观稳定性。将内部结构应力行为、融合器-终板接触力学、骨质量、固定结构载荷分担、邻近节段效应及循环或动态力学易损性纳入综合评估框架，可为结构评价与手术规划提供更全面的信息支持。
引言
腰椎椎间融合术广泛应用于退行性不稳、滑脱、复发性椎管狭窄、畸形及其他需节段重建的腰椎疾病，其核心生物力学目标包括恢复椎间隙高度、改善椎间孔容积、维持序列力线及减少病理性活动。然而，融合的机械学成功不能仅以运动控制衡量。邻近节段病变是腰椎融合术后公认的临床问题，临床回顾与生物力学研究均提示术后载荷传递模式的改变可能参与邻近节段的退变或症状发生。除邻近节段问题外，融合器沉降、假关节形成、椎弓根螺钉松动、棒断裂及内固定失效等机械并发症，也反映了生物学风险、局部应力集中、循环载荷与结构载荷分担之间的相互作用，这类并发症可在融合节段表观力学稳定时发生，凸显了区分可见稳定性与内部力学负荷的必要性。传统生物力学研究多以活动度（ROM）、刚度、中立区等运动学参数评估表观稳定性，但相似的活动度降低并不意味着相同的内部应力行为。有限元研究显示，经椎间孔腰椎椎间融合术（TLIF）中融合器接触面积、数量及位置可在运动学稳定性相近的情况下改变终板应力、融合器应力、植骨应力及椎弓根螺钉应力。融合器与终板的接触力学在此背景下尤为关键，融合器的贴合度、接触面积、环突支撑及骺环嵌合可降低局部界面应力并提升抗沉降能力；反之，过大的撑开高度、不理想的放置位置或较高的扩张阻力虽可改善力线或运动控制，却可能增加融合器-终板界面应力或术后循环载荷下的沉降风险。内固定策略同样可能重构螺钉、棒、融合器及邻近节段间的力学负荷分布，而非单纯提升整体稳定性。本研究中，表观稳定性指与运动相关的结构行为，包括活动度、刚度、中立区、松弛区或等效运动学指标；隐匿性力学风险指无法被活动度降低完全反映的内部力学负荷，包括终板应力、融合器应力、螺钉或棒载荷、融合器-终板界面应力、邻近节段负荷、抗沉降能力及动态或循环力学易损性。本研究旨在通过系统生物力学评价，明确表观稳定性相近的融合结构是否存在内部力学风险差异，并识别融合入路、融合器设计、内植物位置及辅助固定策略间的生物力学权衡，为结构评估框架的完善提供依据。
方法
本研究为结合叙述性机制合成的系统生物力学评价，遵循PRISMA 2020声明开展，因纳入证据均为尸体实验、有限元分析、经尸体验证的计算研究、离体循环压缩研究及基于尸体标本的沉降模型，未计划定量Meta分析，故采用定性叙述合成。研究未在临床干预试验注册平台PROSPERO注册，因其合成的是生物力学与前临床实验证据而非临床干预结局，但研究问题、纳入标准、检索策略、数据提取维度、方法学评价框架、证据层级分类及合成方案均在最终数据提取前预先确定。预设研究问题为：在腰椎椎间融合的生物力学研究中，表观术后稳定性相近的结构是否在终板应力、融合器应力、螺钉或棒载荷、邻近节段负荷、抗沉降能力或循环加载行为等隐匿性力学风险变量上存在差异。
信息来源与检索策略方面，研究人员于2026年3月在PubMed/MEDLINE、Embase、Scopus及Web of Science完成结构化检索，覆盖建库至检索日的记录，限定为英文同行评审全文文献，检索策略整合腰椎、椎间融合操作、生物力学模型及力学风险结局四个概念域，同时手动筛查纳入研究的参考文献。
纳入标准要求研究采用直接相关生物力学模型（包括尸体测试、有限元分析、经尸体验证的计算建模、离体循环压缩测试、基于尸体标本的沉降测试或可比实验力学模型）评估腰椎或腰骶椎间融合结构，并至少报告一项与术后生物力学终点相关的表观稳定性及/或隐匿性力学风险指标；排除无直接生物力学结局、非腰椎研究且无可提取腰椎数据、仅行减压手术、无生物力学测试的技术报告、综述、述评、信件、会议摘要、重复数据集、非同行评审报告及非英文文献。
研究筛选阶段，所有记录导入引文管理工作流，去重后由两名研究者独立完成题目与摘要初筛，潜在合格文献再由两名研究者独立完成全文评估，分歧通过共识解决，必要时由第三位资深研究者裁定，最终纳入严格基于预设标准，不因研究结果与核心假设是否一致而调整。
数据提取采用预先标准化的表单，由两名研究者独立完成，分歧通过共识或第三位研究者裁定解决，提取内容包括发表信息、模型类型、脊柱节段、融合入路、结构设计、对照设置、加载方案、表观稳定性结局、隐匿性力学风险结局、主要生物力学发现、计算模型验证状态及主要方法学局限性。
由于目前尚无针对异质性生物力学研究的通用偏倚风险工具，方法学质量采用基于结构化领域的框架评估，涵盖模型/标本描述、结构定义、对照清晰度、加载方案相关性、结局相关性、计算模型验证状态、可重复性及对假设与局限性的透明度。同时为避免将所有生物力学模型等同对待，研究采用定性证据层级框架进行分类：Tier 1为直接尸体或离体实验证据，或具备直接实验/尸体验证且加载方式符合临床实际的有限元证据；Tier 2为经过验证或部分验证、具有相关生物力学结局但实验对应性或加载真实性有限的计算机模拟证据；Tier 3为探索性、弱验证、假设简化或普适性较窄的计算机模拟证据，特征跨层级的研究采用中间分类。该框架用于指导定性解读，不作为按设计类型排除研究的依据。
数据合成未进行定量合并，因融合入路、脊柱节段、内植物设计、模型类型、加载方案、边界条件及报告生物力学终点存在显著异质性，故采用叙述性机制合成，围绕表观稳定性与隐匿性力学风险的关系展开，结果按内部应力行为、融合器接触面积与终板支撑、沉降相关力学、固定-应力权衡、邻近节段负荷、动态或循环加载、力线恢复与力学成本、入路间比较及骨质量的修饰作用等反复出现的生物力学领域分组，解读时结合主题相关性与证据层级，直接尸体/离体测试、经验证的有限元模型、循环或动态加载方案或独立研究一致的结论赋予更高权重，仅基于探索性或弱验证计算模型的发现需谨慎解读，不单独用于支持强结论。
结果
研究筛选共检出4664条记录，去重及排除明显不相关文献后1298篇进入题目摘要初筛，排除588篇后710篇获取全文，其中36篇无法获取，674篇进入全文评估，最终16项研究纳入定性合成。纳入研究覆盖前路腰椎椎间融合（ALIF）、TLIF、后路腰椎椎间融合（PLIF）、侧方/极外侧腰椎椎间融合（LIF/LLIF）、斜外侧腰椎椎间融合（OLIF）、 standalone融合器、后路辅助结构、环形融合结构、可扩张融合器及不同固定策略等多种腰椎椎间融合构型，最常报告的表观稳定性结局为活动度，隐匿性力学风险结局包括终板应力、融合器应力、融合器-终板界面应力、螺钉或棒应力、邻近节段活动度或椎间盘压力、关节突关节力、沉降载荷及循环或振动相关力学反应。
模型分布与证据层级方面，10项为有限元研究，2项为结合尸体测试或验证的有限元研究，4项为尸体、离体或基于尸体标本的实验模型；5项属Tier 1证据，1项为Tier 1–2证据，8项为Tier 2证据，2项为Tier 2–3证据。
在表观稳定性与内部隐蔽应力的关联分析中，多项研究显示良好的表观稳定性并不等同于更低的内部力学负荷。例如TLIF不同配置可将手术节段活动度降至1°以下，但大接触面积的周缘型融合器较更小或非对称配置可产生更有利的前柱载荷分担并降低终板与螺钉应力；单融合器与双融合器TLIF的活动度差异不足1°，但单融合器结构可产生更高的融合器、植骨及椎弓根螺钉应力。OLIF不同辅助固定方案的L4–L5节段活动度降幅均超过80%，但固定应力、融合器应力、皮质终板应力及松质骨应力存在显著差异；混合皮质骨轨迹（CBT）/改良皮质骨轨迹（MCBT）固定的活动度最优组并非始终为内部应力负荷最低组。
融合器接触面积、贴合度与终板支撑方面，融合器-终板接触力学是隐匿性力学风险的核心决定因素。Standalone TLIF的稳定性与终板应力表现差于standalone LIF或ALIF，后路固定可改善所有结构性能；大接触面积周缘型TLIF结构可提升前柱载荷分担并降低终板与螺钉应力。改变融合器材料（钛合金改为聚醚醚酮）对结构行为影响有限，而定制的贴合型间隔物可降低骨-间隔物界面应力与后方棒应力；跨越椎体环突的融合器较中央支撑的短融合器可提高失效载荷与抗3mm沉降能力；匹配终板的ALIF可扩张内植物可在不明显增加结构刚度的情况下提升沉降载荷，且骺环接触越多抗沉降能力越强。
沉降相关力学风险受内植物设计、终板支撑、骨质量及术中力学行为共同影响。更大的TLIF融合器可改善节段前凸并降低活动度，但会增加骨-融合器界面应力，尤其在斜行非对称放置与骨质疏松条件下；可扩张TLIF融合器术中的峰值扩张扭矩与撑开刚度越高，术后循环载荷下的沉降越显著；跨越环突的融合器可提升轴向失效与抗沉降能力，骺环嵌合可增强抗沉降能力且不必然增加结构刚度，提示沉降风险不能简化为刚度或活动度指标，而与植入物几何形态、支撑区域、骨质量、放置位置及加载条件密切相关。
内固定负荷与固定-应力权衡方面，固定策略会改变力学负荷在组件间的分布。长节段腰骶融合中，髂骨螺钉可降低骶骨螺钉应变但增加棒应变，而L5–S1节段ALIF可在较TLIF更低棒应变下实现良好的螺钉保护；OLIF联合双侧椎弓根螺钉固定在活动度控制、固定应力、融合器应力及终板应力方面综合表现最优，侧方钢板固定的内部应力模式相对不利；双融合器TLIF较单融合器TLIF在活动度相近的情况下可降低融合器、植骨及椎弓根螺钉应力；不同CBT/MCBT固定组合分别最小化不同应力组分，提示活动度最优的固定策略未必对所有硬件元件均最理想。
邻近节段力学负荷方面，邻近节段负担不能仅通过融合节段稳定性预测。融合会增加上位邻近椎间盘压力与椎体载荷传递，且不同入路（ALIF、TLIF、PLIF、环形结构）的终板应力模式存在差异；TLIF术后加用后路螺钉固定可降低融合节段终板应力振幅，并小幅降低邻近节段椎间盘膨出、纤维环应力及椎间盘内压；双侧椎弓根螺钉固定可提供最强的融合节段稳定性并最小化融合节段终板与融合器应力，而Coflex-F在振动条件下可更有效降低邻近节段关节突关节力与椎间盘内压；混合椎弓根螺钉-CBT固定较标准椎弓根螺钉-椎弓根螺钉固定可更优地重分布邻近椎间盘应力，后者邻近椎间盘应力集中最为显著。
动态与循环加载证据显示，静态活动度比较无法捕捉全部力学风险。全身振动可在TLIF后产生可测量的融合节段与邻近节段反应，包括终板应力、纤维环应力、椎间盘膨出及椎间盘内压变化；不同固定策略在静态与振动加载下的融合节段保护与邻近节段负担权衡存在差异；可扩张TLIF融合器的术中扩张阻力可为术后沉降易损性提供生物力学信息，提示循环或振动测试可揭示静态评估中可能低估的力学脆弱性。
力线恢复与骨质量方面，力线改善不等同于力学负荷降低。更大的TLIF融合器可改善节段前凸并降低活动度，但会增加骨-融合器界面应力，尤其在斜行非对称放置时；骨质疏松条件下仍可恢复力线，但因结构支撑下降，沉降相关风险升高；终板去皮质会降低力学性能，即使跨越环突的长融合器可提升抗失效能力；更好的骺环接触可增强抗沉降能力，进一步支持局部结构支撑在融合器-终板界面的重要性。
入路间比较未发现某一种融合策略在所有生物力学领域均占优。Standalone TLIF的稳定性与终板应力表现差于standalone LIF或ALIF，后路固定可改善所有结构；环形融合（CLIF/360）整体刚度最高，但ALIF与环形结构的终板应力模式优于双侧TLIF，且融合后邻近椎间盘压力仍会升高；ALIF与双侧可扩张TLIF融合器在不同加载方向上表现各异，ALIF屈伸稳定性更佳，更大双侧可扩张TLIF融合器后伸稳定性更佳且L5终板应力更低，提示不同入路不可简单力学互换，每种结构在运动控制、终板应力、邻近节段反应及载荷分担间均有独特平衡。
总体主题合成显示，融合节段运动控制良好常伴随不同的内部力学特征：更大或支撑更好的融合器接触面积、更高的间隔物贴合度、环突支撑及骺环嵌合通常与更有利的终板载荷或抗沉降能力相关；而刚度提升、前凸恢复或融合节段运动控制改善并不始终意味着更低的隐匿性力学负荷，可能伴随更高的融合器-终板界面应力、更大的内固定应变或更不利的邻近节段载荷。总体而言，腰椎椎间融合生物力学是多维度概念，表观稳定性、终板接触力学、内固定应变、抗沉降能力、邻近节段负担及循环或振动相关反应是相互关联但独立的领域，目前尚无单一融合入路、融合器设计或固定策略在所有评估领域均具力学优势。
讨论
主要发现
本系统生物力学评价指出，仅以表观稳定性判断腰椎椎间融合结构存在明显局限。纳入研究中，活动度降低或结构刚度提升并不始终代表更安全的内部力学环境，表观稳定性相近的结构常在终板应力、融合器应力、螺钉或棒载荷、邻近节段负担及抗沉降能力方面存在差异，支持腰椎融合生物力学应理解为可见运动控制与隐匿性内部力学负荷的多维度平衡这一核心前提。最一致的规律是融合器-终板接触力学显著影响隐匿风险，大接触面积、周缘支撑、更高的间隔物贴合度、环突嵌合及骺环接触反复被证实与更有利的载荷分担或更强的抗沉降能力相关，结合经典生物力学研究中椎体终板强度的区域异质性及融合器位置对压缩下终板失效的影响，提示椎间内植物的力学行为不能仅从类别推断，而应结合接触面积、位置、贴合度、骨质量及支撑区域综合判断。
表观稳定性与内部力学负荷
表观稳定性与内部应力的分离具有临床意义。某一结构可有效抑制运动，同时将力量集中于融合器-终板界面或后路内固定。单、双融合器TLIF的活动度相近但内部应力分布不同，OLIF辅助固定与CBT/MCBT固定研究中活动度控制最优的结构并非在所有内部应力领域均最优，提示不能以刚度作为结构质量的唯一判断标准。当然，活动度仍有重要价值，即刻稳定性仍是融合的必要力学目标，但应将其视为性能的一个维度，而非结构安全性的完全替代指标。本综述结果表明，某一结构在运动学意义上“稳定”，仍可能在终板、融合器、棒、螺钉或邻近节段存在力学不利因素，这或可解释为何部分病例术后即刻结构刚度满意但仍发生机械并发症。
沉降、终板力学与骨质量
沉降相关发现是综述中最连贯的主题之一。多项研究显示沉降风险受融合器接触面积、骺环支撑、界面应力、扩张力学及骨质量影响，而非仅由刚度决定；更大的TLIF融合器可改善前凸并降低活动度，但会增加骨-融合器界面应力，尤其在斜行非对称放置与骨质疏松条件下；可扩张TLIF融合器的扩张扭矩与撑开刚度可预测术后循环沉降。这些发现与临床文献中沉降与骨质量、融合器位置、内植物几何形态及椎间隙准备相关的结论一致，支持将内植物选择个体化，依据终板支撑、骨质量及预期载荷区域决策，而非仅以最大化椎间隙高度恢复或节段刚度为指导。
内固定负荷与硬件失效
固定策略会改变力学负荷的分布而非均匀降低风险。长节段腰骶融合中髂骨固定可降低骶骨螺钉应变但增加棒应变，体现保护某一组件可能增加另一组件的负荷；OLIF辅助固定与固定轨迹研究中应力可在螺钉、棒、融合器、植骨及终板间转移，存在类似权衡。这与临床文献中螺钉松动受骨质量、局部螺钉-骨力学及内植物因素影响，棒疲劳与断裂受结构需求、塑形、材料属性及载荷分担影响的结论直接相关，提示生物力学目标不应仅为“更多固定”，而应追求前柱、融合器-终板界面与后路内固定间的平衡载荷分担。换言之，表观高度刚性的结构若载荷路径过度集中于棒、螺钉或融合器界面，仍可能存在脆弱性。
邻近节段力学与力线
邻近节段负担是一个独立的风险领域。部分融合节段稳定性更强的结构并未提供最有利的邻近节段力学环境，例如双侧椎弓根螺钉固定对融合节段的保护最优，而Coflex-F在振动条件下可更有效降低邻近节段关节突关节力与椎间盘内压，强调应分开评估融合节段稳定性与邻近节段保护。肌肉骨骼建模研究显示腰椎融合可改变邻近节段动力学与肌拉力需求，近期力线相关文献也强调矢状面矫形需在更广泛的力学与功能背景下理解，而非孤立的影像学目标，因此力线恢复应兼顾终板应力、融合器放置、后路内固定需求及邻近节段力学。现有证据表明，若通过过度撑开、不理想融合器位置或应力集中实现更好的力线或更低活动度，可能伴随力学代价。
动态与循环加载
动态与循环研究是纳入证据的重要优势。全身振动与循环压缩模型揭示了静态活动度测试无法完全捕捉的力学负荷，腰椎融合结构在日常活动中承受的是重复性载荷而非孤立静态载荷，某一结构在单次静态测试中表现良好，在振动、疲劳或反复压缩下可能呈现不同行为。这支持未来生物力学研究更常规地纳入动态与循环方案，静态活动度与刚度仍是有用的基线指标，但应补充反映累积力学行为的结局，包括界面疲劳、术后循环沉降、棒应变、螺钉-骨相互作用及邻近节段压力变化，此类测试可能更接近导致迟发沉降、硬件失效或邻近节段过载的实际力学环境。
临床转化与决策框架
尽管本综述合成的是生物力学证据而非临床结局，仍可谨慎推导若干实践启示：第一，结构选择不应仅基于即刻活动度降低，需考虑结构是否将载荷广泛分布于坚强的终板区域并避免局灶性融合器-终板应力；第二，对于存在沉降风险的患者（包括低骨质量或需高度撑开者），融合器接触面积、贴合度与骺环支撑尤为重要；第三，选择固定策略时需意识到提升融合节段刚性可能将负担转移至棒、螺钉或邻近节段；第四，可扩张融合器术中的高扩张阻力不仅是技术挑战，也可能是术后循环沉降风险升高的信号。一个具有临床实用性的决策框架可包括四步：评估骨质量；选择融合器接触面积与位置以最大化稳定的终板支撑；选择固定策略以平衡前柱与后路载荷分担；考虑邻近节段影响，尤其是计划实施高强度局部刚性或大幅度力线矫正时。该框架不确立任何单一融合入路的优越性，但鼓励对结构安全性进行更细致的解读。
优势与局限性
本综述的优势在于聚焦于“表观稳定性与隐匿性力学风险差异”这一具有临床相关性的生物力学悖论，整合了有限元、尸体、经尸体验证、离体、循环压缩及沉降相关模型等多类证据，并通过透明的纳入标准、基于PRISMA的研究筛选、结构化方法学评价及证据层级分类提升可信度，避免了将所有生物力学模型等同对待的问题。局限性包括纳入证据的模型类型、脊柱节段、加载方案、内植物设计及结局报告异质性较高，无法进行Meta分析而只能采用叙述合成；相当比例的证据来自有限元研究，其结论依赖于材料属性、边界条件、内植物-骨界面及验证质量等假设，因此低层级或弱验证的计算发现需谨慎解读；检索限定为英文同行评审全文，可能存在语言与发表偏倚；生物力学结局是替代指标，无法直接确定临床并发症发生率、融合成功率或患者报告结局；证据层级框架虽提升了透明度，但不能等同于临床确定性分级。
未来研究方向
未来生物力学研究应标准化同时报告表观稳定性与隐匿性力学风险结局，至少应包括活动度或刚度，以及内部应力分布、融合器-终板界面力学、内固定载荷、沉降相关指标及（适用时的）邻近节段效应；更多采用经验证的有限元模型、人类尸体测试、循环加载方案及患者特异性骨质量测量可提升转化价值；将生物力学发现与沉降、假关节、螺钉松动、棒断裂及邻近节段病变等临床终点关联的研究尤为关键。
总体解读
本综述合成的证据表明，腰椎椎间融合结构的评估不应仅依赖表观稳定性。运动控制固然重要，但并不能完整描述终板、融合器、后路内固定或邻近节段承受的力学负荷。更具临床意义的问题不是某一结构是否“稳定”，而是这种稳定性如何实现以及力学载荷如何传递。将内部应力行为、终板接触力学、固定载荷分担、抗沉降能力及邻近节段负担纳入更广泛的生物力学框架，可为结构评价与手术规划提供更准确的基础。
结论
本系统生物力学评价提示，腰椎椎间融合的评估不应仅以表观稳定性为依据。尽管活动度降低与结构刚度仍具有重要意义，但表观运动控制相近的结构可能在终板应力、融合器载荷、内固定应变、邻近节段负担及抗沉降能力方面存在差异。融合器接触面积、内植物贴合度、周缘终板支撑、融合器位置、骨质量及固定策略均可能影响隐匿性力学风险。目前尚无单一融合入路或固定策略在所有领域均具力学优势，每种结构均在稳定性、载荷分担、沉降风险、硬件负担及邻近节段效应间存在独特平衡。未来研究应在临床相关加载条件下同时报告运动相关结局与隐匿风险结局，理想情况下纳入骨质量、多节段模型及循环测试，且仍需临床相关性研究明确上述生物力学模式如何转化为沉降、假关节、硬件失效、邻近节段病变及患者结局。
