帶負(fù)電荷硫酸鈣β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥對椎體成形術(shù)后相鄰椎體生物力學(xué)影響的有限元分析

薛經(jīng)來，鄭 忠，林向全，蔡碰德，陳國齡 (廈門大學(xué)附屬福州第二醫(yī)院骨科，福建 福州 350007)

經(jīng)皮椎體成形 (percutaneous vertebro-plasty，PVP)及經(jīng)皮球囊擴(kuò)張椎體后凸成形 (percutaneous kypho plasty,PKP)已在臨床普及應(yīng)用多年，可明顯減輕老年性骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折引起的疼痛[1]，是目前治療疼痛性骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折最廣泛的微創(chuàng)手術(shù)方法之一。 聚甲基丙烯酸甲酯( polymethyl mechacrylate，PMMA)骨水泥為臨床中最常用的椎體成形填充材料，具有低黏滯性[2]、高放熱反應(yīng)[3]、高強(qiáng)度等缺點[4-5]，國內(nèi)外學(xué)者對其生物力學(xué)及對鄰近椎體影響的相關(guān)研究較多，臨床中逐步發(fā)現(xiàn)采用PMMA作為骨水泥材料行PVP或PKP后容易發(fā)生相鄰椎體骨折的問題[6-7]。PVP和PKP后相鄰椎體出現(xiàn)再次骨折是老年性骨質(zhì)疏松癥的自然發(fā)生過程，還是由于椎體成形使用材料、椎體過度強(qiáng)化的結(jié)果，或者二者相互作用，國內(nèi)外眾多學(xué)者最終的臨床和生物力學(xué)研究仍存爭議。近年來出現(xiàn)的磷酸鈣骨水泥是一種自固型人工骨材料，Lim等多位學(xué)者研究表明磷酸鈣作為骨水泥材料注入椎體可以恢復(fù)椎體的高度和強(qiáng)度，并保持相應(yīng)的生物力學(xué)性能。新型帶負(fù)電荷硫酸鈣β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥GENEX是英國百賽公司近年來研制出的骨水泥材料，是硫酸鈣、磷酸鈣的混合物，具有無毒性、塑形強(qiáng)、低發(fā)熱性等優(yōu)點，實驗研究表明其在體內(nèi)經(jīng)1年左右的時間可逐漸被正常骨取代，GENEX 在固化過程中幾乎不發(fā)熱，它與PMMA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(dǎo)性[8-9]，GENEX在手術(shù)早期強(qiáng)度和剛度稍欠佳，但也有其他學(xué)者的實驗說明帶負(fù)電荷硫酸鈣β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥能夠增加椎體的剛度，并能達(dá)到同 PMMA 骨水泥同樣的效果[10]。目前國內(nèi)外學(xué)者在研究其作為骨水泥材料行PVP或者PKP后是否能夠提供足夠的機(jī)械抗壓強(qiáng)度、是否會造成相鄰椎間盤應(yīng)力顯著變化及加速椎體及椎間隙的退變等。

有限元模型是研究應(yīng)力分布變化的一種理想的生物力學(xué)研究手段，其最大的優(yōu)點是可以反映內(nèi)部的應(yīng)力變化情況，具有極大的優(yōu)越性，能進(jìn)行模擬各種脊柱動力學(xué)載荷下的脊柱各個方向的運動、椎體間的運動，從而對相鄰椎體及椎間盤內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布等做各種研究。有限元三維模型為我們對脊柱的生物力學(xué)分析提供了簡單、準(zhǔn)確、直觀數(shù)字化模型，本研究通過建立老年性椎體壓縮性骨折椎體的模型，探索采用帶負(fù)電荷硫酸鈣β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥作為填充材料行PVP后對鄰近椎體及椎間盤的力學(xué)影響，說明帶負(fù)電荷硫酸鈣β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥量及在椎體內(nèi)的分布區(qū)域?qū)︵徑刁w的生物力學(xué)影響的變化情況。

1 資料與方法

1.1有限元模型的建立：對成人正常脊柱(胸腰椎)進(jìn)行CT掃描重建( 使用64 排飛利浦螺旋 CT，層厚0.625 mm )，數(shù)據(jù)以 DICOM 格式儲存，為了對CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維實體化，需要對DICOM文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，遂導(dǎo)入 Mimics10.0 軟件，根據(jù)骨組織等不同組織灰度值的差異，提取骨組織、軟組織的粗糙模型，構(gòu)建得到 T11～L3三維模型。見圖1、圖2。將模型輸出為 STL 格式文件，導(dǎo)入至GeomagicStudio11.0 進(jìn)行光滑處理、降噪及擬合曲面，輸出為STP格式文件，再導(dǎo)入Pro/E5.0軟件中進(jìn)行組裝模型、曲面建模，其中減少正常椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、終板的彈性模量，椎間盤的建模是依據(jù)椎間盤解剖學(xué)形態(tài)，導(dǎo)出“.IGS”格式文件，最后導(dǎo)入 Abaqus6.13 軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格處理。

1.2材料參數(shù)：有限元模型分析一直追求更為合理的骨骼材料賦值，本研究是建立在模擬為各向同性的線彈性材料的假設(shè)前提下。各部分材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[11-12]。詳見表1。

圖1 組裝完成的T11～L3骨質(zhì)疏松模型

圖2 圖①、圖②正常模型；圖③單側(cè)模型；圖④雙側(cè)模型

表1 有限元模型中各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

材料名稱彈性模量(MPa)泊松比椎體皮質(zhì)骨120000.3椎體松質(zhì)骨 1000.2椎弓根35000.25小關(guān)節(jié) 150.45終板5000.4髓核10.4999纖維環(huán)基4.20.45帶負(fù)電荷硫酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥 1052.4760.3

1.3模型加載及有限元分析

1.3.1本部分涉及模型驗證，在正常生理條件下，對構(gòu)造好的T11～L3三維有限元模型載荷施加及邊界設(shè)定，在T11椎體上表面施加15 N/m扭矩載荷，約束L3的下表面全自由度。模擬站立、屈曲、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)這5種狀態(tài)。站立時模型給予施加負(fù)荷為500 N正壓力，屈曲時對模型施加1 175 N軸向載荷及7.5 N/m的矢狀方向彎矩，后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)時對模型進(jìn)行軸向加載為500 N 、7.5 N/m的力矩。分析不同載荷條件下治療椎體的相鄰椎體的應(yīng)力大小比較。

1.3.2接觸對設(shè)置:由于各部件之間大部分不會發(fā)生分離，故大部分均設(shè)置為綁定。詳見表2。

表2 各部件接觸對設(shè)置

序號部位接觸狀態(tài)設(shè)置1椎骨VS椎間盤bond2椎骨VS小關(guān)節(jié)bond3小關(guān)節(jié)VS小關(guān)節(jié)Contact4參考點VS椎骨Coupling5植入體VS骨或小關(guān)節(jié)bond

2 結(jié)果

建立的整個骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折椎體成形術(shù)三維有限元模型三維四面體網(wǎng)格數(shù)量為428475,一維truss單元285。單元總數(shù)為428760，節(jié)點總數(shù)為309583。

圖①軸向位移與軸向壓縮力關(guān)系圖;圖②伸直力矩與角度關(guān)系圖;圖③側(cè)屈力矩與角度關(guān)系圖;圖④扭轉(zhuǎn)力矩與角度關(guān)系圖

本部分將選定的相應(yīng)節(jié)段的活動度與文獻(xiàn)的有關(guān)標(biāo)本測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，本部分研究的T11～L3三維有限元模型在設(shè)定的載荷下，其活動度均處在合理范疇內(nèi)，證明了其有效性。見圖3。

垂直載荷下，T12皮質(zhì)骨在三種模型中所受最大應(yīng)力值分別為 12.66 MPa、22.46 MPa、20.23 MPa、L2上終板在三種模型中所受最大應(yīng)力值分別為5.227 MPa、13.26 MPa、12.33 MPa。前屈載荷下，T12皮質(zhì)骨在三種模型中所受最大應(yīng)力值分別為27.88 MPa、72.53 MPa、66.32 MPa、L2上終板在三種模型中所受最大應(yīng)力值分別為11.19 MPa、67.29 MPa、51.06 MPa。后伸載荷下，T12皮質(zhì)骨在三種模型中所受最大應(yīng)力值分別為 15.7 MPa、89.48 MPa、70.63 MPa；L2上終板在三種模型中所受最大應(yīng)力值分別為10.27 MPa、65.53 MPa、45.6 MPa。側(cè)屈載荷下，T12皮質(zhì)骨在三種模型中所受最大應(yīng)力值分別為 18.38 MPa、67.52 MPa、46.95 MPa；L2上終板在三種模型中所受最大應(yīng)力值分別為9.252 MPa；52.75 MPa、38.32 MPa。旋轉(zhuǎn)載荷下，T12皮質(zhì)骨在三種模型中所受最大應(yīng)力值分別為16.22 MPa、77.51 MPa、53.29 MPa；L2上終板在三種模型中所受最大應(yīng)力值分別為6.277 MPa、53.38 MPa、41.83 MPa。從以上的數(shù)據(jù)可見，在垂直、前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)的載荷下，T12所受最大應(yīng)力值在雙側(cè)骨水泥穿刺中比較小，單側(cè)骨水泥穿刺中較高；L2上終板所受應(yīng)力在單側(cè)骨水泥穿刺中較高。見圖4～7。

圖4 五種載荷下正常模型的等效應(yīng)力云圖:圖①垂直載荷;圖②前屈載荷；圖③后伸載荷；圖④側(cè)彎載荷；圖⑤旋轉(zhuǎn)載荷

圖5 五種載荷下單側(cè)骨水泥模型的等效應(yīng)力云圖:圖①垂直載荷；圖②前屈載荷；圖③后伸載荷；圖④側(cè)彎載荷；圖⑤旋轉(zhuǎn)載荷

圖6 五種載荷下雙側(cè)骨水泥模型的等效應(yīng)力云圖:圖①垂直載荷；圖②前屈載荷;圖③后伸載荷;圖④側(cè)彎載荷;圖⑤旋轉(zhuǎn)載荷

圖7 T12、L2皮質(zhì)骨及下終板應(yīng)力的對比關(guān)系圖：圖①：T12皮質(zhì)骨應(yīng)力；圖②：L2皮質(zhì)骨應(yīng)力；圖③：T12下終板應(yīng)力，圖④：L2上終板應(yīng)力

3 討論

隨著人口老齡化，骨質(zhì)疏松引起的椎體壓縮性骨折發(fā)生率在逐年增加。經(jīng)皮椎體成形術(shù)可以快速改善疼痛癥狀，具有良好的臨床療效。近年來，臨床上應(yīng)用磷酸鈣與硫酸鈣為椎體成形骨水泥材料替代PMMA。既往學(xué)者研究表明，新型帶負(fù)電荷硫酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥GENEX的彈性模量為 1052．476 MPa，泊松比為0．3，其強(qiáng)度在固化后可以達(dá)到正常松質(zhì)骨的3倍左右，達(dá)到臨床上作為填充材料的標(biāo)準(zhǔn)而應(yīng)用其行椎體成形術(shù)治療老年性骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折[13-14]。部分學(xué)者研究顯示GENEX骨水泥作為椎體成形材料生物力學(xué)效果良好，可快速增加椎體的強(qiáng)度和剛度[15]。不僅只是填充，其獨特的Z電勢控制通過負(fù)電荷，吸引包括CBFA1、骨膠原TY pel誘導(dǎo)成骨細(xì)胞加速生長，1年左右的時間內(nèi)促成骨形成[16]。與PMMA相比，其在椎體內(nèi)的強(qiáng)度是逐漸增加的，最終轉(zhuǎn)變?yōu)樯锕潭ā?/p>

目前，椎體成形手術(shù)恢復(fù)椎體的強(qiáng)度和剛度最佳骨水泥的注射量是尚無定論的，新型帶負(fù)電荷硫酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥骨化時間較PMMA長，人工骨的稠稀度要適度，過干和過稀都將影響注射量，另外注射量的多少也同樣對椎體的剛度有影響。單側(cè)穿刺和雙側(cè)穿刺骨水泥填充效果對比研究，也一直存在爭論。應(yīng)用新型帶負(fù)電荷硫酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥結(jié)果是否不一樣是本課題研究的重點。椎體成形術(shù)中出現(xiàn)骨水泥滲漏是手術(shù)重要的并發(fā)癥之一，骨水泥的滲漏與多方面因素有關(guān)，新型帶負(fù)電荷硫酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥也不例外。其中，控制骨水泥注入量是避免滲漏的關(guān)鍵因素之一，骨水泥注射的時機(jī)和椎體骨折類型也是是否造成骨水泥滲漏的重要原因。新型帶負(fù)電荷硫酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥在其強(qiáng)化過程中產(chǎn)熱較PMMA小，出現(xiàn)滲漏的情況下對周圍組織幾乎無灼傷，但是同樣避免滲漏是手術(shù)成功的關(guān)鍵。

本課題利用三維有限元模型，采用帶負(fù)電荷硫酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥行椎體成形術(shù)后(單側(cè)及雙側(cè)經(jīng)椎弓根入路)。在垂直、屈曲、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)不同載荷下，研究發(fā)現(xiàn)與填充新型骨水泥前相比，填充后的新型骨水泥量及在椎體內(nèi)的分布區(qū)域?qū)︵徑?jié)段應(yīng)力和應(yīng)力分布有較大影響。在不同方向及不同力學(xué)載荷下，相鄰椎體的終板所受力學(xué)效應(yīng)不同，即使采用新型骨水泥材料，相鄰椎體骨折的風(fēng)險仍與骨水泥量及其分布區(qū)域有關(guān)，所受施加的力學(xué)載荷方向也密切相關(guān)。

綜上所述，有限元分析充分表明帶負(fù)電荷硫酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥具有很好的力學(xué)效果，可以提高椎體的抗變形的能力，包括強(qiáng)度和剛度，達(dá)到骨性結(jié)合，有利于椎體功能的重建，同時GENEX骨水泥的植入并沒有顯著增加成形椎體鄰近節(jié)段椎間盤的應(yīng)力。當(dāng)然本模型仍有不足之處，脊柱的相關(guān)組織力學(xué)性質(zhì)極復(fù)雜，本研究雖簡化了脊柱解剖結(jié)構(gòu)，與真實的生理情況尚存在一定的差異。各種組織材料的各向異性、不均勻性和非線性都以線性各向同性為主，而且是在高度正常的椎體內(nèi)灌注帶負(fù)電荷硫酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥。新型骨水泥材料在椎體內(nèi)的分布也相對復(fù)雜，本研究只是簡單的進(jìn)行模擬而不能代表所有的椎體成形的情況。從長遠(yuǎn)看，帶負(fù)電荷硫酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥作為骨水泥材料能減少鄰近椎間盤椎體退變和相鄰椎體骨折的機(jī)會，但需不斷進(jìn)行實驗研究和總結(jié)，進(jìn)行更多的臨床測試，以明確其效果。