胸腰椎压缩性骨折经椎体后凸成形置入新型人工合成骨与骨水泥填充物的生物力学性能分析

王　健,李　凯,陈　博,王明飞,谭　芳,周　捷



胸腰椎压缩性骨折经椎体后凸成形置入新型人工合成骨与骨水泥填充物的生物力学性能分析

王健1,李凯1,陈博2,王明飞3,谭芳1,周捷1

1.201103,武警上海总队医院骨科;2.200025,上海交通大学附属瑞金医院伤骨科研究所;3.200062,上海普陀区中心医院骨科

【摘要】目的应用三维有限元分析法比较两种材料置入青壮年正常骨质胸腰椎压缩性骨折的生物力学效应。方法(1)测量两种材料铸件的力学性质；(2)建立青壮年正常骨质胸腰段的三维有限元模型；(3) 模拟L1椎体后凸成形术后骨水泥强化并进行分析。结果(1)成功建立正常骨质患者胸腰段三维有限元力学模型；(2)采用两种材料作为填充物均能重建椎体的稳定性，又不显著增加邻近节段椎间盘的应力。结论新型人工合成骨(GENEX)未来可以作为治疗青壮年正常骨质胸腰椎压缩性骨折的一种理想的填充材料。

【关键词】胸腰椎压缩性骨折；有限元法；生物力学；聚甲基丙烯酸甲脂；人工合成骨

目前,单独使用球囊扩张后凸椎体成形术，被越来越广泛地应用于治疗老年骨质疏松性胸腰椎压缩性骨折。然而，对于青壮年正常骨质的胸腰椎压缩性骨折的治疗，单独使用球囊扩张后凸椎体成形术国内外尚未报道。新型人工合成骨(GENEX)是一种理想的充填材料，具有生物活性、生物相容性，以及骨诱导性。它的出现使我们认为，单独使用球囊扩张后凸椎体成形术治疗青壮年正常骨质的胸腰椎压缩性骨折具有可行性。但病椎使用GENEX人工骨行椎体后凸成形术是否能够提供足够的机械抗压强度，同时椎体后凸成形术是否会造成相邻椎间盘应力显著变化，是否会造成相邻椎间盘加速退变等，目前存在分歧，为了进一步论证，设计本课题并运用有限元分析方法，分析GENEX人工骨和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl mechacrylate，PMMA)骨水泥经球囊扩张椎体后凸成形注入青壮年正常骨质胸腰椎压缩性骨折椎体后，病椎术前、术后强度和刚度的变化；分析椎体成形术后邻近节段椎间隙力学性质的变化情况。

1对象与方法

1.1实验对象选择一名健康男性志愿者,32岁,身高172 cm,体重66 kg,X线检查排除胸腰椎畸形。从T12—L2椎体用GE Lightspeed 64排螺旋CT扫描获得体层图像,以512×512像素Dicom格式保存。骨水泥(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)由德国基曼公司出品和GENEX由英国百塞公司出品。

1.2实验方法

1.2.1材料数据采集分别将骨水泥和新型人工骨在试管中成形，做成圆柱形铸件， 12.25 mm，h=8.6 mm，在WD-5型万能材料机上，测定加载时的力学参数，同时保证两种生物材料同一实验环境条件一致。每种试样取8个标本，置于材料试验机上进行压缩实验。当圆柱形标本达到屈服，发生破裂或呈鼓状时停止，记录此时的载荷和形变，载荷除以圆柱形体横截面积为标本的抗压强度，载荷除以位移为标本的刚度。

1.2.2正常胸腰椎三维有限元模型的建立从T12—L2椎体用GE Lightspeed 64排螺旋CT扫描健康男性志愿者获得体层图像。有限元分析前处理在大型前处理软件Hypermesh11.0中完成。最后运用有限元软件Abaqus6.9进行有限元计算求解[1，2]。

1.2.3关节间相互作用关系采用2节点非线性弹簧单元建立7种关键韧带，采用非线性面面通用接触关系模拟关节间的相互作用。参考文献[3]，分别对不同韧带赋值赋予不同的弹性模量和横截面积，横截面积需用总的横截面积除以每种韧带的根数。

1.2.4材料属性皮质骨采用平均厚度为1 mm的C3D6单元，松质骨采用C3D4，终板采用0.5 mm厚的C3D8单元；韧带采用只有轴向拉伸、双节点的T3D2单元进行划分。椎间盘(含髓核和纤维环)以及终板，采用增强沙漏控制的三维六面体减缩积分C3D8R(沙漏控制可减少单元大变形产生的体积自锁)。纤维环基质和髓核是不可压缩的具有超弹性质的材料。在本例中，参考Lu等[4]和Park等[5]的研究，纤维环基质分为8层，沿径向由髓核向外辐射，内部有相互交叉的胶原纤维网络，填充在基质层之间，胶原纤维和纤维环基质网格做共节点处理。

1.2.5网格划分在Hypermesh10.0强大的拓扑分区及网格划分功能支持下，网格质量Jacobian比控制在0.6以上。采用一阶的六面体体网格，这是因为在相同阶数下，它们相对于三角形壳网格与四面体体网格有更高的精度与更小的计算代价；采用减缩积分单元是因为该单元类型在大变形工况下能有效减少单元“沙漏”现象的产生，防止由于单元的剪切自锁而导致的计算结果不收敛。

1.2.6载荷与边界条件约束L2下终板全部6个自由度作为边界条件。在T12旋转轴上选择一参考点，建立此参考点与T12上表面所有单元节点的Distribution Coupling(该约束方式可以将参考点上的受力情况换算成均布载荷施加于T12所有从节点上)。对参考点施加扭矩为7.5 NM[3]，方向分别为X、Y、Z全局坐标的纯扭矩(X-Y平面为水平面、X-Z为冠状面、Y-Z为矢状面，图1)。

图1　T12-L2胸腰椎有限元模型

1.2.7椎体后凸成形术后骨水泥强化模型模拟球囊扩张复位，将L1高度恢复至正常高度的90%；(图 2)分别模拟椎体球囊扩张成形术在L1椎体置入GENEX与PMMA骨水泥，沿椎弓根方向，平行T12上终板，建立椭球体(a=b=9.748 mm；d=28.203 mm)模拟注入椭球型置入物，椭球体V=3 ml，共6 ml。参考国内外相关文献[5]，模型的有效性得到了相应的生物力学实验证实。

图2　椎体后凸成形术后骨水泥强化模型

1.3主要观察指标测量GENEX和PMMA铸件力学性质，包括弹性模量以及泊松比；对椎体后凸成形术后骨水泥强化模型的后伸、前屈、左侧弯、右侧弯、左侧旋、右侧旋位椎体及椎间盘的负荷传递、应力、位移等进行分析。

1.4统计学处理采用SPSS 10.0统计软件进行统计学处理，采用方差分析检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2结果

2.1样品压缩试验用INSTRON拉伸压缩试验机，以速率20 mm/min对样品进行压缩破坏试验。结果经过加权平均，GENEX与PMMA骨水泥的弹性模量E分别为1052.476 MPa、2072.32 MPa(表1、2)。泊松比分别为0.3、0.4。

2.2相邻椎间盘最大应力及植入物最大应力的变化情况在后伸、前屈、左侧弯、右侧弯、左侧旋、右侧旋位的工况下，T12-L1、L1-2椎间盘应力在应用GENEX与PMMA骨水泥后变化较小，均能符合临床医师对椎体后凸成形填充材料的要求(表3)。

2.3经皮椎体后凸成形术后模型自由度(°)及刚度(Nm/°)的变化不同植入物自由度及刚度大小区别很小，原因在于不同植入物，只是材料不同，由于占据椎体的体积有限，对于整体结构的影响是很小的。况且皮质骨的强度远远大于内部松质骨，应力遮挡效应更加剧了这个现象(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　两种材料经皮椎体后凸成形术后椎间盘及植入物最大应力的变化情况

表4　两种材料的模型自由度　(°)

表5　两种材料的模型刚度　(Nm/°)

3讨论

与椎体骨质疏松性压缩骨折不同的是，青壮年正常骨质的胸腰椎压缩性骨折病例目前常规采用的是垫枕法卧床保守治疗或采用后路切开复位短节段内固定手术；但上述方法都有各自的缺陷； 目前，对于青壮年正常骨质的胸腰椎压缩性骨折单独应用椎体成形术目前国内外尚无报道[6]；本课题组认为：对于青壮年正常骨质的胸腰椎压缩性骨折单独应用椎体成形术与传统治疗方法相比有有诸多优势；例如，即刻缓解疼痛，有效恢复病椎的稳定性，增强病椎的强度，恢复病椎的高度，恢复脊柱生理曲度，不破坏椎体的后部结构，几乎不损伤背部的软组织以及疗程短(术后24 h即可离床活动)等。

单独的椎体成形术能否满足脊柱稳定性重建的需要，首先需要采用合适的扩张器扩张并复位骨折椎体，1994年Reiley等发明Kyphon扩张球囊，1998年美国专利授权并得到美国FDA批准应用于临床。它具备减少灌注剂渗透率、更好地恢复椎体高度等优势，所以目前临床上应用最多的扩张器为Kyphon扩张球囊。其次需要充填合适的灌注剂；早期的椎体成形术采用PMMA，它是一种生物惰性材料，在体内不能生物降解、不能与活骨组织生物连接、无诱导成骨作用，最终不被自体骨取代；渗入椎管内可能导致灾难性后果；固化过程中放热可以高达122 ℃，容易引起邻近组织和神经元的热损伤；而骨水泥单体的毒性及栓子的静脉栓塞等副作用一旦发生则可能危及患者生命。目前普遍应用于老年骨质疏松性压缩性骨折，而对于正常骨质的椎体压缩性骨折而言，临床上应用非常谨慎，而应该采用可降解的人工骨进行椎体成形。理想的灌注剂需要满足以下几个方面：足够的机械强度，可注射性、易操作性、不透X线性、合适的凝结时间(约15 min)、低聚合温度、生物相容性、生物活性、低降解速度。随着材料科学的不断进步，具有生物活性的材料相继出现，研究较多的是磷酸钙骨水泥、珊瑚颗粒、珍珠母粉末以及陶瓷材料等；众多的研究表明上述材料均不能满足灌注剂的理想要求[7，8]。

本课题组认为，单独使用球囊扩张后凸椎体成形治疗青壮年胸腰椎压缩性骨折有了比较理想的充填材料，GENEX是一种新型的人工合成骨移植材料，具有全球首创的材料表面控制技术，专为加速骨修复而设计；它是基于独特的Zeta电位控制(ZPCTM)技术研制而成，在体内保证负离子释放；它通过激发自身细胞活性来诱导并增加蛋白质和骨生长因子的吸附，从而加速新骨生成。GENEX是一项运用多项创新新技术，在实验室将两种无机钙复合而成的新一代骨移植材料。它在体内经一年时间可以完全被吸收并为新骨所取代。GENEX在固化过程中不产热，它与其他灌注材料相比具有，更独特的生物活性、更优越的生物相容性以及更理想的骨诱导性，从而达到更完美的临床效果。本研究测量结果表明，GENEX人工骨的弹性模量为1052.476 MPa，泊松比为0.3，其固化后其强度是正常松质骨的3倍，是一种理想的骨替代材料[9]，可以达到临床上单独应用球囊扩张后凸椎体成形治疗青壮年胸腰椎压缩性骨折的使用要求。

近年来，国内外有学者大量报道椎弓根螺钉结合注射可降解生物材料椎体成形术治疗胸腰椎骨折[10-12]；但对单独使用椎体成形注射可降解生物材料治疗青壮年正常骨质胸腰椎压缩性骨折未有相关报道； 本课题组认为经球囊扩张椎体后凸成形注入GENEX治疗青壮年胸腰椎压缩性骨折做为一种微创治疗的新技术已经达到理论上的可行性，但尚须力学方面的研究作为佐证；故设计本课题运用有限元分析方法，分析GENEX与PMMA骨水泥经球囊扩张椎体后凸成形注入青壮年正常骨质胸腰椎压缩性骨折椎体后，在后伸、前屈、左侧弯、右侧弯、左侧旋、右侧旋位的工况下，T12-L1、L1-2椎间盘应力在应用GENEX与PMMA骨水泥后变化较小，均能符合临床医师对填充材料的要求；两种材料经皮椎体后凸成形术后自由度及刚度变化很小。三维有限元力学分析充分表明两种材料均提高了椎体的抗变形能力，有利于椎体功能的重建，同时两种材料的植入没有显著增加成形椎体邻近节段椎间盘的应力，从长远看，能减少邻近椎间盘椎体退变和相邻椎体骨折的机会；需要下一步通过动物实验进一步验证，并观察其临床治疗效果及长期材料吸收及骨折愈合情况。

经球囊扩张椎体后凸成形注射新型人工合成骨(GENEX)能够提供与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥相似的抗压强度，达到了临床使用的安全性的要求；为临床应用提供充分的理论依据，与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)相比，由于新型人工合成骨GENEX作为硫酸钙、磷酸钙的混合物，它还具有独特的安全性、可降解性、极好的生物相容性，以及生物活性，所以，我们可以期待未来它可以作为我们临床使用椎体后凸成形术治疗青壮年正常骨质胸腰椎压缩性骨折的一种理想的填充材料；同时尚需在具体临床应用后，观察其临床治疗效果及长期材料吸收及骨折愈合情况，并评估邻近椎间盘椎体退变和相邻椎体骨折的机会。

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(2015-09-16收稿2016-04-21修回)

(责任编辑岳建华)

医学期刊常用字词正误对照表

基金项目：上海市卫生局局级科研课题面上项目(20114355)

作者简介：王健，博士，副主任医师。 通讯作者：李凯，E-mail:likai74418@126.com

【中国图书分类号】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