带负电荷硫酸钙β-磷酸三钙复合骨水泥对椎体成形术后相邻椎体生物力学影响的有限元分析

薛经来，郑 忠，林向全，蔡碰德，陈国龄 (厦门大学附属福州第二医院骨科，福建 福州 350007)

经皮椎体成形 (percutaneous vertebro-plasty，PVP)及经皮球囊扩张椎体后凸成形 (percutaneous kypho plasty,PKP)已在临床普及应用多年，可明显减轻老年性骨质疏松性椎体压缩骨折引起的疼痛[1]，是目前治疗疼痛性骨质疏松性椎体压缩骨折最广泛的微创手术方法之一。 聚甲基丙烯酸甲酯( polymethyl mechacrylate，PMMA)骨水泥为临床中最常用的椎体成形填充材料，具有低黏滞性[2]、高放热反应[3]、高强度等缺点[4-5]，国内外学者对其生物力学及对邻近椎体影响的相关研究较多，临床中逐步发现采用PMMA作为骨水泥材料行PVP或PKP后容易发生相邻椎体骨折的问题[6-7]。PVP和PKP后相邻椎体出现再次骨折是老年性骨质疏松症的自然发生过程，还是由于椎体成形使用材料、椎体过度强化的结果，或者二者相互作用，国内外众多学者最终的临床和生物力学研究仍存争议。近年来出现的磷酸钙骨水泥是一种自固型人工骨材料，Lim等多位学者研究表明磷酸钙作为骨水泥材料注入椎体可以恢复椎体的高度和强度，并保持相应的生物力学性能。新型带负电荷硫酸钙β-磷酸三钙复合骨水泥GENEX是英国百赛公司近年来研制出的骨水泥材料，是硫酸钙、磷酸钙的混合物，具有无毒性、塑形强、低发热性等优点，实验研究表明其在体内经1年左右的时间可逐渐被正常骨取代，GENEX 在固化过程中几乎不发热，它与PMMA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[8-9]，GENEX在手术早期强度和刚度稍欠佳，但也有其他学者的实验说明带负电荷硫酸钙β-磷酸三钙复合骨水泥能够增加椎体的刚度，并能达到同 PMMA 骨水泥同样的效果[10]。目前国内外学者在研究其作为骨水泥材料行PVP或者PKP后是否能够提供足够的机械抗压强度、是否会造成相邻椎间盘应力显著变化及加速椎体及椎间隙的退变等。

有限元模型是研究应力分布变化的一种理想的生物力学研究手段，其最大的优点是可以反映内部的应力变化情况，具有极大的优越性，能进行模拟各种脊柱动力学载荷下的脊柱各个方向的运动、椎体间的运动，从而对相邻椎体及椎间盘内部的应力应变分布等做各种研究。有限元三维模型为我们对脊柱的生物力学分析提供了简单、准确、直观数字化模型，本研究通过建立老年性椎体压缩性骨折椎体的模型，探索采用带负电荷硫酸钙β-磷酸三钙复合骨水泥作为填充材料行PVP后对邻近椎体及椎间盘的力学影响，说明带负电荷硫酸钙β-磷酸三钙复合骨水泥量及在椎体内的分布区域对邻近椎体的生物力学影响的变化情况。

1 资料与方法

1.1有限元模型的建立：对成人正常脊柱(胸腰椎)进行CT扫描重建( 使用64 排飞利浦螺旋 CT，层厚0.625 mm )，数据以 DICOM 格式储存，为了对CT数据进行三维实体化，需要对DICOM文件进行转换和处理，遂导入 Mimics10.0 软件，根据骨组织等不同组织灰度值的差异，提取骨组织、软组织的粗糙模型，构建得到 T11～L3三维模型。见图1、图2。将模型输出为 STL 格式文件，导入至GeomagicStudio11.0 进行光滑处理、降噪及拟合曲面，输出为STP格式文件，再导入Pro/E5.0软件中进行组装模型、曲面建模，其中减少正常椎体皮质骨、松质骨、终板的弹性模量，椎间盘的建模是依据椎间盘解剖学形态，导出“.IGS”格式文件，最后导入 Abaqus6.13 软件进行有限元网格处理。

1.2材料参数：有限元模型分析一直追求更为合理的骨骼材料赋值，本研究是建立在模拟为各向同性的线弹性材料的假设前提下。各部分材料参数参考文献[11-12]。详见表1。

图1 组装完成的T11～L3骨质疏松模型

图2 图①、图②正常模型；图③单侧模型；图④双侧模型

表1 有限元模型中各结构材料参数

材料名称弹性模量(MPa)泊松比椎体皮质骨120000.3椎体松质骨 1000.2椎弓根35000.25小关节 150.45终板5000.4髓核10.4999纤维环基4.20.45带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥 1052.4760.3

1.3模型加载及有限元分析

1.3.1本部分涉及模型验证，在正常生理条件下，对构造好的T11～L3三维有限元模型载荷施加及边界设定，在T11椎体上表面施加15 N/m扭矩载荷，约束L3的下表面全自由度。模拟站立、屈曲、后伸、侧屈及旋转这5种状态。站立时模型给予施加负荷为500 N正压力，屈曲时对模型施加1 175 N轴向载荷及7.5 N/m的矢状方向弯矩，后伸、侧屈及旋转时对模型进行轴向加载为500 N 、7.5 N/m的力矩。分析不同载荷条件下治疗椎体的相邻椎体的应力大小比较。

1.3.2接触对设置:由于各部件之间大部分不会发生分离，故大部分均设置为绑定。详见表2。

表2 各部件接触对设置

序号部位接触状态设置1椎骨VS椎间盘bond2椎骨VS小关节bond3小关节VS小关节Contact4参考点VS椎骨Coupling5植入体VS骨或小关节bond

2 结果

建立的整个骨质疏松性椎体压缩骨折椎体成形术三维有限元模型三维四面体网格数量为428475,一维truss单元285。单元总数为428760，节点总数为309583。

图①轴向位移与轴向压缩力关系图;图②伸直力矩与角度关系图;图③侧屈力矩与角度关系图;图④扭转力矩与角度关系图

本部分将选定的相应节段的活动度与文献的有关标本测试结果进行对比分析，结果表明，本部分研究的T11～L3三维有限元模型在设定的载荷下，其活动度均处在合理范畴内，证明了其有效性。见图3。

垂直载荷下，T12皮质骨在三种模型中所受最大应力值分别为 12.66 MPa、22.46 MPa、20.23 MPa、L2上终板在三种模型中所受最大应力值分别为5.227 MPa、13.26 MPa、12.33 MPa。前屈载荷下，T12皮质骨在三种模型中所受最大应力值分别为27.88 MPa、72.53 MPa、66.32 MPa、L2上终板在三种模型中所受最大应力值分别为11.19 MPa、67.29 MPa、51.06 MPa。后伸载荷下，T12皮质骨在三种模型中所受最大应力值分别为 15.7 MPa、89.48 MPa、70.63 MPa；L2上终板在三种模型中所受最大应力值分别为10.27 MPa、65.53 MPa、45.6 MPa。侧屈载荷下，T12皮质骨在三种模型中所受最大应力值分别为 18.38 MPa、67.52 MPa、46.95 MPa；L2上终板在三种模型中所受最大应力值分别为9.252 MPa；52.75 MPa、38.32 MPa。旋转载荷下，T12皮质骨在三种模型中所受最大应力值分别为16.22 MPa、77.51 MPa、53.29 MPa；L2上终板在三种模型中所受最大应力值分别为6.277 MPa、53.38 MPa、41.83 MPa。从以上的数据可见，在垂直、前屈、后伸、侧屈及旋转的载荷下，T12所受最大应力值在双侧骨水泥穿刺中比较小，单侧骨水泥穿刺中较高；L2上终板所受应力在单侧骨水泥穿刺中较高。见图4～7。

图4 五种载荷下正常模型的等效应力云图:图①垂直载荷;图②前屈载荷；图③后伸载荷；图④侧弯载荷；图⑤旋转载荷

图5 五种载荷下单侧骨水泥模型的等效应力云图:图①垂直载荷；图②前屈载荷；图③后伸载荷；图④侧弯载荷；图⑤旋转载荷

图6 五种载荷下双侧骨水泥模型的等效应力云图:图①垂直载荷；图②前屈载荷;图③后伸载荷;图④侧弯载荷;图⑤旋转载荷

图7 T12、L2皮质骨及下终板应力的对比关系图：图①：T12皮质骨应力；图②：L2皮质骨应力；图③：T12下终板应力，图④：L2上终板应力

3 讨论

随着人口老龄化，骨质疏松引起的椎体压缩性骨折发生率在逐年增加。经皮椎体成形术可以快速改善疼痛症状，具有良好的临床疗效。近年来，临床上应用磷酸钙与硫酸钙为椎体成形骨水泥材料替代PMMA。既往学者研究表明，新型带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥GENEX的弹性模量为 1052．476 MPa，泊松比为0．3，其强度在固化后可以达到正常松质骨的3倍左右，达到临床上作为填充材料的标准而应用其行椎体成形术治疗老年性骨质疏松性压缩性骨折[13-14]。部分学者研究显示GENEX骨水泥作为椎体成形材料生物力学效果良好，可快速增加椎体的强度和刚度[15]。不仅只是填充，其独特的Z电势控制通过负电荷，吸引包括CBFA1、骨胶原TY pel诱导成骨细胞加速生长，1年左右的时间内促成骨形成[16]。与PMMA相比，其在椎体内的强度是逐渐增加的，最终转变为生物固定。

目前，椎体成形手术恢复椎体的强度和刚度最佳骨水泥的注射量是尚无定论的，新型带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥骨化时间较PMMA长，人工骨的稠稀度要适度，过干和过稀都将影响注射量，另外注射量的多少也同样对椎体的刚度有影响。单侧穿刺和双侧穿刺骨水泥填充效果对比研究，也一直存在争论。应用新型带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥结果是否不一样是本课题研究的重点。椎体成形术中出现骨水泥渗漏是手术重要的并发症之一，骨水泥的渗漏与多方面因素有关，新型带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥也不例外。其中，控制骨水泥注入量是避免渗漏的关键因素之一，骨水泥注射的时机和椎体骨折类型也是是否造成骨水泥渗漏的重要原因。新型带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥在其强化过程中产热较PMMA小，出现渗漏的情况下对周围组织几乎无灼伤，但是同样避免渗漏是手术成功的关键。

本课题利用三维有限元模型，采用带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥行椎体成形术后(单侧及双侧经椎弓根入路)。在垂直、屈曲、后伸、侧屈及旋转不同载荷下，研究发现与填充新型骨水泥前相比，填充后的新型骨水泥量及在椎体内的分布区域对邻近节段应力和应力分布有较大影响。在不同方向及不同力学载荷下，相邻椎体的终板所受力学效应不同，即使采用新型骨水泥材料，相邻椎体骨折的风险仍与骨水泥量及其分布区域有关，所受施加的力学载荷方向也密切相关。

综上所述，有限元分析充分表明带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥具有很好的力学效果，可以提高椎体的抗变形的能力，包括强度和刚度，达到骨性结合，有利于椎体功能的重建，同时GENEX骨水泥的植入并没有显著增加成形椎体邻近节段椎间盘的应力。当然本模型仍有不足之处，脊柱的相关组织力学性质极复杂，本研究虽简化了脊柱解剖结构，与真实的生理情况尚存在一定的差异。各种组织材料的各向异性、不均匀性和非线性都以线性各向同性为主，而且是在高度正常的椎体内灌注带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥。新型骨水泥材料在椎体内的分布也相对复杂，本研究只是简单的进行模拟而不能代表所有的椎体成形的情况。从长远看，带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥作为骨水泥材料能减少邻近椎间盘椎体退变和相邻椎体骨折的机会，但需不断进行实验研究和总结，进行更多的临床测试，以明确其效果。