胸腰椎壓縮性骨折經椎體后凸成形置入新型人工合成骨與骨水泥填充物的生物力學性能分析

王　健,李　凱,陳　博,王明飛,譚　芳,周　捷

?

胸腰椎壓縮性骨折經椎體后凸成形置入新型人工合成骨與骨水泥填充物的生物力學性能分析

王健1,李凱1,陳博2,王明飛3,譚芳1,周捷1

1.201103,武警上海總隊醫(yī)院骨科;2.200025,上海交通大學附屬瑞金醫(yī)院傷骨科研究所;3.200062,上海普陀區(qū)中心醫(yī)院骨科

【摘要】目的應用三維有限元分析法比較兩種材料置入青壯年正常骨質胸腰椎壓縮性骨折的生物力學效應。方法(1)測量兩種材料鑄件的力學性質；(2)建立青壯年正常骨質胸腰段的三維有限元模型；(3) 模擬L1椎體后凸成形術后骨水泥強化并進行分析。結果(1)成功建立正常骨質患者胸腰段三維有限元力學模型；(2)采用兩種材料作為填充物均能重建椎體的穩(wěn)定性，又不顯著增加鄰近節(jié)段椎間盤的應力。結論新型人工合成骨(GENEX)未來可以作為治療青壯年正常骨質胸腰椎壓縮性骨折的一種理想的填充材料。

【關鍵詞】胸腰椎壓縮性骨折；有限元法；生物力學；聚甲基丙烯酸甲脂；人工合成骨

目前,單獨使用球囊擴張后凸椎體成形術，被越來越廣泛地應用于治療老年骨質疏松性胸腰椎壓縮性骨折。然而，對于青壯年正常骨質的胸腰椎壓縮性骨折的治療，單獨使用球囊擴張后凸椎體成形術國內外尚未報道。新型人工合成骨(GENEX)是一種理想的充填材料，具有生物活性、生物相容性，以及骨誘導性。它的出現(xiàn)使我們認為，單獨使用球囊擴張后凸椎體成形術治療青壯年正常骨質的胸腰椎壓縮性骨折具有可行性。但病椎使用GENEX人工骨行椎體后凸成形術是否能夠提供足夠的機械抗壓強度，同時椎體后凸成形術是否會造成相鄰椎間盤應力顯著變化，是否會造成相鄰椎間盤加速退變等，目前存在分歧，為了進一步論證，設計本課題并運用有限元分析方法，分析GENEX人工骨和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl mechacrylate，PMMA)骨水泥經球囊擴張椎體后凸成形注入青壯年正常骨質胸腰椎壓縮性骨折椎體后，病椎術前、術后強度和剛度的變化；分析椎體成形術后鄰近節(jié)段椎間隙力學性質的變化情況。

1對象與方法

1.1實驗對象選擇一名健康男性志愿者,32歲,身高172 cm,體重66 kg,X線檢查排除胸腰椎畸形。從T12—L2椎體用GE Lightspeed 64排螺旋CT掃描獲得體層圖像,以512×512像素Dicom格式保存。骨水泥(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)由德國基曼公司出品和GENEX由英國百塞公司出品。

1.2實驗方法

1.2.1材料數(shù)據(jù)采集分別將骨水泥和新型人工骨在試管中成形，做成圓柱形鑄件， 12.25 mm，h=8.6 mm，在WD-5型萬能材料機上，測定加載時的力學參數(shù)，同時保證兩種生物材料同一實驗環(huán)境條件一致。每種試樣取8個標本，置于材料試驗機上進行壓縮實驗。當圓柱形標本達到屈服，發(fā)生破裂或呈鼓狀時停止，記錄此時的載荷和形變，載荷除以圓柱形體橫截面積為標本的抗壓強度，載荷除以位移為標本的剛度。

1.2.2正常胸腰椎三維有限元模型的建立從T12—L2椎體用GE Lightspeed 64排螺旋CT掃描健康男性志愿者獲得體層圖像。有限元分析前處理在大型前處理軟件Hypermesh11.0中完成。最后運用有限元軟件Abaqus6.9進行有限元計算求解[1，2]。

1.2.3關節(jié)間相互作用關系采用2節(jié)點非線性彈簧單元建立7種關鍵韌帶，采用非線性面面通用接觸關系模擬關節(jié)間的相互作用。參考文獻[3]，分別對不同韌帶賦值賦予不同的彈性模量和橫截面積，橫截面積需用總的橫截面積除以每種韌帶的根數(shù)。

1.2.4材料屬性皮質骨采用平均厚度為1 mm的C3D6單元，松質骨采用C3D4，終板采用0.5 mm厚的C3D8單元；韌帶采用只有軸向拉伸、雙節(jié)點的T3D2單元進行劃分。椎間盤(含髓核和纖維環(huán))以及終板，采用增強沙漏控制的三維六面體減縮積分C3D8R(沙漏控制可減少單元大變形產生的體積自鎖)。纖維環(huán)基質和髓核是不可壓縮的具有超彈性質的材料。在本例中，參考Lu等[4]和Park等[5]的研究，纖維環(huán)基質分為8層，沿徑向由髓核向外輻射，內部有相互交叉的膠原纖維網(wǎng)絡，填充在基質層之間，膠原纖維和纖維環(huán)基質網(wǎng)格做共節(jié)點處理。

1.2.5網(wǎng)格劃分在Hypermesh10.0強大的拓撲分區(qū)及網(wǎng)格劃分功能支持下，網(wǎng)格質量Jacobian比控制在0.6以上。采用一階的六面體體網(wǎng)格，這是因為在相同階數(shù)下，它們相對于三角形殼網(wǎng)格與四面體體網(wǎng)格有更高的精度與更小的計算代價；采用減縮積分單元是因為該單元類型在大變形工況下能有效減少單元“沙漏”現(xiàn)象的產生，防止由于單元的剪切自鎖而導致的計算結果不收斂。

1.2.6載荷與邊界條件約束L2下終板全部6個自由度作為邊界條件。在T12旋轉軸上選擇一參考點，建立此參考點與T12上表面所有單元節(jié)點的Distribution Coupling(該約束方式可以將參考點上的受力情況換算成均布載荷施加于T12所有從節(jié)點上)。對參考點施加扭矩為7.5 NM[3]，方向分別為X、Y、Z全局坐標的純扭矩(X-Y平面為水平面、X-Z為冠狀面、Y-Z為矢狀面，圖1)。

圖1　T12-L2胸腰椎有限元模型

1.2.7椎體后凸成形術后骨水泥強化模型模擬球囊擴張復位，將L1高度恢復至正常高度的90%；(圖 2)分別模擬椎體球囊擴張成形術在L1椎體置入GENEX與PMMA骨水泥，沿椎弓根方向，平行T12上終板，建立橢球體(a=b=9.748 mm；d=28.203 mm)模擬注入橢球型置入物，橢球體V=3 ml，共6 ml。參考國內外相關文獻[5]，模型的有效性得到了相應的生物力學實驗證實。

圖2　椎體后凸成形術后骨水泥強化模型

1.3主要觀察指標測量GENEX和PMMA鑄件力學性質，包括彈性模量以及泊松比；對椎體后凸成形術后骨水泥強化模型的后伸、前屈、左側彎、右側彎、左側旋、右側旋位椎體及椎間盤的負荷傳遞、應力、位移等進行分析。

1.4統(tǒng)計學處理采用SPSS 10.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學處理，采用方差分析檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2結果

2.1樣品壓縮試驗用INSTRON拉伸壓縮試驗機，以速率20 mm/min對樣品進行壓縮破壞試驗。結果經過加權平均，GENEX與PMMA骨水泥的彈性模量E分別為1052.476 MPa、2072.32 MPa(表1、2)。泊松比分別為0.3、0.4。

2.2相鄰椎間盤最大應力及植入物最大應力的變化情況在后伸、前屈、左側彎、右側彎、左側旋、右側旋位的工況下，T12-L1、L1-2椎間盤應力在應用GENEX與PMMA骨水泥后變化較小，均能符合臨床醫(yī)師對椎體后凸成形填充材料的要求(表3)。

2.3經皮椎體后凸成形術后模型自由度(°)及剛度(Nm/°)的變化不同植入物自由度及剛度大小區(qū)別很小，原因在于不同植入物，只是材料不同，由于占據(jù)椎體的體積有限，對于整體結構的影響是很小的。況且皮質骨的強度遠遠大于內部松質骨，應力遮擋效應更加劇了這個現(xiàn)象(表4、5)。

表1　新型人工合成骨(GENEX)

表2　聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

表3　兩種材料經皮椎體后凸成形術后椎間盤及植入物最大應力的變化情況

表4　兩種材料的模型自由度　(°)

表5　兩種材料的模型剛度　(Nm/°)

3討論

與椎體骨質疏松性壓縮骨折不同的是，青壯年正常骨質的胸腰椎壓縮性骨折病例目前常規(guī)采用的是墊枕法臥床保守治療或采用后路切開復位短節(jié)段內固定手術；但上述方法都有各自的缺陷； 目前，對于青壯年正常骨質的胸腰椎壓縮性骨折單獨應用椎體成形術目前國內外尚無報道[6]；本課題組認為：對于青壯年正常骨質的胸腰椎壓縮性骨折單獨應用椎體成形術與傳統(tǒng)治療方法相比有有諸多優(yōu)勢；例如，即刻緩解疼痛，有效恢復病椎的穩(wěn)定性，增強病椎的強度，恢復病椎的高度，恢復脊柱生理曲度，不破壞椎體的后部結構，幾乎不損傷背部的軟組織以及療程短(術后24 h即可離床活動)等。

單獨的椎體成形術能否滿足脊柱穩(wěn)定性重建的需要，首先需要采用合適的擴張器擴張并復位骨折椎體，1994年Reiley等發(fā)明Kyphon擴張球囊，1998年美國專利授權并得到美國FDA批準應用于臨床。它具備減少灌注劑滲透率、更好地恢復椎體高度等優(yōu)勢，所以目前臨床上應用最多的擴張器為Kyphon擴張球囊。其次需要充填合適的灌注劑；早期的椎體成形術采用PMMA，它是一種生物惰性材料，在體內不能生物降解、不能與活骨組織生物連接、無誘導成骨作用，最終不被自體骨取代；滲入椎管內可能導致災難性后果；固化過程中放熱可以高達122 ℃，容易引起鄰近組織和神經元的熱損傷；而骨水泥單體的毒性及栓子的靜脈栓塞等副作用一旦發(fā)生則可能危及患者生命。目前普遍應用于老年骨質疏松性壓縮性骨折，而對于正常骨質的椎體壓縮性骨折而言，臨床上應用非常謹慎，而應該采用可降解的人工骨進行椎體成形。理想的灌注劑需要滿足以下幾個方面：足夠的機械強度，可注射性、易操作性、不透X線性、合適的凝結時間(約15 min)、低聚合溫度、生物相容性、生物活性、低降解速度。隨著材料科學的不斷進步，具有生物活性的材料相繼出現(xiàn)，研究較多的是磷酸鈣骨水泥、珊瑚顆粒、珍珠母粉末以及陶瓷材料等；眾多的研究表明上述材料均不能滿足灌注劑的理想要求[7，8]。

本課題組認為，單獨使用球囊擴張后凸椎體成形治療青壯年胸腰椎壓縮性骨折有了比較理想的充填材料，GENEX是一種新型的人工合成骨移植材料，具有全球首創(chuàng)的材料表面控制技術，專為加速骨修復而設計；它是基于獨特的Zeta電位控制(ZPCTM)技術研制而成，在體內保證負離子釋放；它通過激發(fā)自身細胞活性來誘導并增加蛋白質和骨生長因子的吸附，從而加速新骨生成。GENEX是一項運用多項創(chuàng)新新技術，在實驗室將兩種無機鈣復合而成的新一代骨移植材料。它在體內經一年時間可以完全被吸收并為新骨所取代。GENEX在固化過程中不產熱，它與其他灌注材料相比具有，更獨特的生物活性、更優(yōu)越的生物相容性以及更理想的骨誘導性，從而達到更完美的臨床效果。本研究測量結果表明，GENEX人工骨的彈性模量為1052.476 MPa，泊松比為0.3，其固化后其強度是正常松質骨的3倍，是一種理想的骨替代材料[9]，可以達到臨床上單獨應用球囊擴張后凸椎體成形治療青壯年胸腰椎壓縮性骨折的使用要求。

近年來，國內外有學者大量報道椎弓根螺釘結合注射可降解生物材料椎體成形術治療胸腰椎骨折[10-12]；但對單獨使用椎體成形注射可降解生物材料治療青壯年正常骨質胸腰椎壓縮性骨折未有相關報道； 本課題組認為經球囊擴張椎體后凸成形注入GENEX治療青壯年胸腰椎壓縮性骨折做為一種微創(chuàng)治療的新技術已經達到理論上的可行性，但尚須力學方面的研究作為佐證；故設計本課題運用有限元分析方法，分析GENEX與PMMA骨水泥經球囊擴張椎體后凸成形注入青壯年正常骨質胸腰椎壓縮性骨折椎體后，在后伸、前屈、左側彎、右側彎、左側旋、右側旋位的工況下，T12-L1、L1-2椎間盤應力在應用GENEX與PMMA骨水泥后變化較小，均能符合臨床醫(yī)師對填充材料的要求；兩種材料經皮椎體后凸成形術后自由度及剛度變化很小。三維有限元力學分析充分表明兩種材料均提高了椎體的抗變形能力，有利于椎體功能的重建，同時兩種材料的植入沒有顯著增加成形椎體鄰近節(jié)段椎間盤的應力，從長遠看，能減少鄰近椎間盤椎體退變和相鄰椎體骨折的機會；需要下一步通過動物實驗進一步驗證，并觀察其臨床治療效果及長期材料吸收及骨折愈合情況。

經球囊擴張椎體后凸成形注射新型人工合成骨(GENEX)能夠提供與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥相似的抗壓強度，達到了臨床使用的安全性的要求；為臨床應用提供充分的理論依據(jù)，與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)相比，由于新型人工合成骨GENEX作為硫酸鈣、磷酸鈣的混合物，它還具有獨特的安全性、可降解性、極好的生物相容性，以及生物活性，所以，我們可以期待未來它可以作為我們臨床使用椎體后凸成形術治療青壯年正常骨質胸腰椎壓縮性骨折的一種理想的填充材料；同時尚需在具體臨床應用后，觀察其臨床治療效果及長期材料吸收及骨折愈合情況，并評估鄰近椎間盤椎體退變和相鄰椎體骨折的機會。

【參考文獻】

[1]孫麗梅,許立俠,侯文輝,等.有限元方法分析(牙合)面裂隙對后牙應力分布影響的研究進展[J].武警醫(yī)學,2015, 26 (9):956-957.

[2]李偉,曹麗君,高明.足部三維有限元模型的建立和跗跖關節(jié)模擬碾傷生物力學特性[J].武警醫(yī)學,2014, 25(2):160-163.

[3]Shirazi A A, Ahmed A M, Shrivastava S C,etal.Mechanical response of a lumbar motion segment in axial torque alone and combined with compression[J].Spine(Phila Pa), 1986, 11(9):914-927.

[4]Lu Y M, Hutton W C, Gharpuray V M,etal.Do bending,twisting,and diurnal fluid changes in the disc affect the propensity to prolapse? A viscoelastic finite element model[J].Spine, 1996, 21(22):2570-2579.

[5]Park W M, Park Y S, Kim K,etal.Biomechanical comparison of instrumentation techniques in treatment of thoracolumbar burst fractures: a finite element analysis[J].Journal of Orthopaedic Science,2009, 14(4):443-449.

[6]Qi Fei,Qiu-Jun Li,Dong Li,etal.Biomechanical effect on adjacent vertebra after percutaneous kyphoplasty with cement leakage into disc: a finite element analysis of thoracolumbar osteoporotic vertebral compression fracture[J]. Zhonghua Yi Xue Za Zhi, 2011, 91(1): 51-55.

[7]Xian Chang,Yang F L,Bin Chen,etal.Vertebroplasty versus kyphoplasty in osteoporotic vertebral compression fracture: a meta-analysis of prospective comparative studies[J]. Int Orthop, 2015, 39(3): 491-500.

[8]Ertian Wang,Hongwei Yi,Min Wang,etal.Treatment of osteoporotic vertebral compression fractures with percutaneous kyphoplasty: a report of 196 cases[J]. Eur J Orthop Surg Traumatol,2013, 23(suppl 1): S71-75.

[9]Ai Min Wu,Wen Fei Ni,Wei Weng,etal.Outcomes of percutaneous kyphoplasty in patients with intravertebral vacuum cleft[J]. Acta Orthop Belg, 2012, 78(6): 790-795.

[10]De Liang,Lin-Qiang Ye,Xiao-Bing Jiang,etal. Biomechanical effects of cement distribution in the fractured area on osteoporotic vertebral compression fractures: a three-dimensional finite element analysis[J]. J Surg Res，2015,195(1):246-256.

[11]李婷,王文妍.經皮球囊擴張椎體后凸成形術治療骨質疏松型椎體壓縮骨折的護理[J]. 武警醫(yī)學,2014,25(10):1066-1067.

[12]杜明奎,毛克亞,楊筠,等.β1-磷酸三鈣/α-半水硫酸鈣復合人工骨的水熱合成與性能檢測[J].武警醫(yī)學,2010,21(8):659-662.

(2015-09-16收稿2016-04-21修回)

(責任編輯岳建華)

醫(yī)學期刊常用字詞正誤對照表

基金項目：上海市衛(wèi)生局局級科研課題面上項目(20114355)

作者簡介：王健，博士，副主任醫(yī)師。 通訊作者：李凱，E-mail:likai74418@126.com

【中國圖書分類號】R318.08

Casting mechanical characteristics of Genex and polymethyl mechacrylate aspercutaneous kyphoplasty fillers in treating unosteoporotic vertebral compressive fractures by 3D finite element analysis

WANG Jian1,LI Kai1,CHEN Bo2,WANG Mingfei3,TAN Fang1,and ZHOU Jie1.

1.Department of Orthopedics,Shanghai Municipal Corps Hospital, Chinese People’s Armed Police Force, Shanghai 201103,China;2.Department of Orthopedics, Ruijin Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200025,China; 3.Department of Orthopedics, Putuo Hospital,Shanghai 200062,China

【Abstract】ObjectiveTo compare the biological effects of polymethyl mechacrylate(PMMA)and calcium phosphate cement(CPC)as percutaneous kyphoplasty (PKP) fillers in treating osteoporotic vertebral compressive fractures by 3D finite element analysis.Methods(1)The casting mechanicaI characters of PMMA and CPC were measured.(2) the 3D finite element models were developed by using finite element software and others．(3) PKP was simulated to evaluate the influence of L1.Results(1) A 3D finite element model of human osteoporotic thoracolumber spine was developed.(2) Injection of PMMA or CPC all could stabilize vertebrae and restore the strength and stifness of vertebral body and lead to less increase the stress concentration at its posterior body and adjacent vertebral body.ConclusionThe new artificial bone (GENEX) in the future can be used as an ideal filling material for the treatment of thoracolumbar vertebral compression fracture in young adults.

【Key words】Thoraeolumbar compression fracture; 3D finite element analysis；Biomechanics; Polymethyl mechacrylate; artificial bone Genex