王　健,李　凱,陳　博,王明飛,譚　芳,周　捷

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胸腰椎壓縮性骨折經(jīng)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(xué)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?？傟?duì)醫(yī)院骨科;2.200025,上海交通大學(xué)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(yīng)用三維有限元分析法比較兩種材料置入青壯年正常骨質(zhì)胸腰椎壓縮性骨折的生物力學(xué)效應(yīng)。方法(1)測(cè)量?jī)煞N材料鑄件的力學(xué)性質(zhì)；(2)建立青壯年正常骨質(zhì)胸腰段的三維有限元模型；(3) 模擬L1椎體后凸成形術(shù)后骨水泥強(qiáng)化并進(jìn)行分析。結(jié)果(1)成功建立正常骨質(zhì)患者胸腰段三維有限元力學(xué)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(pán)的應(yīng)力。結(jié)論新型人工合成骨(GENEX)未來(lái)可以作為治療青壯年正常骨質(zhì)胸腰椎壓縮性骨折的一種理想的填充材料。

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

目前,單獨(dú)使用球囊擴(kuò)張后凸椎體成形術(shù)，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于治療老年骨質(zhì)疏松性胸腰椎壓縮性骨折。然而，對(duì)于青壯年正常骨質(zhì)的胸腰椎壓縮性骨折的治療，單獨(dú)使用球囊擴(kuò)張后凸椎體成形術(shù)國(guó)內(nèi)外尚未報(bào)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(dǎo)性。它的出現(xiàn)使我們認(rèn)為，單獨(dú)使用球囊擴(kuò)張后凸椎體成形術(shù)治療青壯年正常骨質(zhì)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(shù)是否能夠提供足夠的機(jī)械抗壓強(qiáng)度，同時(shí)椎體后凸成形術(shù)是否會(huì)造成相鄰椎間盤(pán)應(yīng)力顯著變化，是否會(huì)造成相鄰椎間盤(pán)加速退變等，目前存在分歧，為了進(jìn)一步論證，設(shè)計(jì)本課題并運(yùn)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(jīng)球囊擴(kuò)張椎體后凸成形注入青壯年正常骨質(zhì)胸腰椎壓縮性骨折椎體后，病椎術(shù)前、術(shù)后強(qiáng)度和剛度的變化；分析椎體成形術(shù)后鄰近節(jié)段椎間隙力學(xué)性質(zhì)的變化情況。

1對(duì)象與方法

1.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇一名健康男性志愿者,32歲,身高172 cm,體重66 kg,X線(xiàn)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(guó)基曼公司出品和GENEX由英國(guó)百塞公司出品。

1.2實(shí)驗(yàn)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(wàn)能材料機(jī)上，測(cè)定加載時(shí)的力學(xué)參數(shù)，同時(shí)保證兩種生物材料同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件一致。每種試樣取8個(gè)標(biāo)本，置于材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。當(dāng)圓柱形標(biāo)本達(dá)到屈服，發(fā)生破裂或呈鼓狀時(shí)停止，記錄此時(shí)的載荷和形變，載荷除以圓柱形體橫截面積為標(biāo)本的抗壓強(qiáng)度，載荷除以位移為標(biāo)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(yùn)用有限元軟件Abaqus6.9進(jìn)行有限元計(jì)算求解[1，2]。

1.2.3關(guān)節(jié)間相互作用關(guān)系采用2節(jié)點(diǎn)非線(xiàn)性彈簧單元建立7種關(guān)鍵韌帶，采用非線(xiàn)性面面通用接觸關(guān)系模擬關(guān)節(jié)間的相互作用。參考文獻(xiàn)[3]，分別對(duì)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(zhì)骨采用平均厚度為1 mm的C3D6單元，松質(zhì)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(diǎn)的T3D2單元進(jìn)行劃分。椎間盤(pán)(含髓核和纖維環(huán))以及終板，采用增強(qiáng)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(chǎn)生的體積自鎖)。纖維環(huán)基質(zhì)和髓核是不可壓縮的具有超彈性質(zhì)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(zhì)分為8層，沿徑向由髓核向外輻射，內(nèi)部有相互交叉的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)，填充在基質(zhì)層之間，膠原纖維和纖維環(huán)基質(zhì)網(wǎng)格做共節(jié)點(diǎn)處理。

1.2.5網(wǎng)格劃分在Hypermesh10.0強(qiáng)大的拓?fù)浞謪^(qū)及網(wǎng)格劃分功能支持下，網(wǎng)格質(zhì)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?yàn)樵谙嗤A數(shù)下，它們相對(duì)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(jì)算代價(jià)；采用減縮積分單元是因?yàn)樵搯卧?lèi)型在大變形工況下能有效減少單元“沙漏”現(xiàn)象的產(chǎn)生，防止由于單元的剪切自鎖而導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果不收斂。

1.2.6載荷與邊界條件約束L2下終板全部6個(gè)自由度作為邊界條件。在T12旋轉(zhuǎn)軸上選擇一參考點(diǎn)，建立此參考點(diǎn)與T12上表面所有單元節(jié)點(diǎn)的Distribution Coupling(該約束方式可以將參考點(diǎn)上的受力情況換算成均布載荷施加于T12所有從節(jié)點(diǎn)上)。對(duì)參考點(diǎn)施加扭矩為7.5 NM[3]，方向分別為X、Y、Z全局坐標(biāo)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(shù)后骨水泥強(qiáng)化模型模擬球囊擴(kuò)張復(fù)位，將L1高度恢復(fù)至正常高度的90%；(圖 2)分別模擬椎體球囊擴(kuò)張成形術(shù)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(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[5]，模型的有效性得到了相應(yīng)的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

圖2　椎體后凸成形術(shù)后骨水泥強(qiáng)化模型

1.3主要觀(guān)察指標(biāo)測(cè)量GENEX和PMMA鑄件力學(xué)性質(zhì)，包括彈性模量以及泊松比；對(duì)椎體后凸成形術(shù)后骨水泥強(qiáng)化模型的后伸、前屈、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左側(cè)旋、右側(cè)旋位椎體及椎間盤(pán)的負(fù)荷傳遞、應(yīng)力、位移等進(jìn)行分析。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS 10.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，采用方差分析檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2結(jié)果

2.1樣品壓縮試驗(yàn)用INSTRON拉伸壓縮試驗(yàn)機(jī)，以速率20 mm/min對(duì)樣品進(jìn)行壓縮破壞試驗(yàn)。結(jié)果經(jīng)過(guò)加權(quán)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(pán)最大應(yīng)力及植入物最大應(yīng)力的變化情況在后伸、前屈、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左側(cè)旋、右側(cè)旋位的工況下，T12-L1、L1-2椎間盤(pán)應(yīng)力在應(yīng)用GENEX與PMMA骨水泥后變化較小，均能符合臨床醫(yī)師對(duì)椎體后凸成形填充材料的要求(表3)。

2.3經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)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(duì)于整體結(jié)構(gòu)的影響是很小的。況且皮質(zhì)骨的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)部松質(zhì)骨，應(yīng)力遮擋效應(yīng)更加劇了這個(gè)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(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)后椎間盤(pán)及植入物最大應(yīng)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(zhì)疏松性壓縮骨折不同的是，青壯年正常骨質(zhì)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(kāi)復(fù)位短節(jié)段內(nèi)固定手術(shù)；但上述方法都有各自的缺陷； 目前，對(duì)于青壯年正常骨質(zhì)的胸腰椎壓縮性骨折單獨(dú)應(yīng)用椎體成形術(shù)目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)報(bào)道[6]；本課題組認(rèn)為：對(duì)于青壯年正常骨質(zhì)的胸腰椎壓縮性骨折單獨(dú)應(yīng)用椎體成形術(shù)與傳統(tǒng)治療方法相比有有諸多優(yōu)勢(shì)；例如，即刻緩解疼痛，有效恢復(fù)病椎的穩(wěn)定性，增強(qiáng)病椎的強(qiáng)度，恢復(fù)病椎的高度，恢復(fù)脊柱生理曲度，不破壞椎體的后部結(jié)構(gòu)，幾乎不損傷背部的軟組織以及療程短(術(shù)后24 h即可離床活動(dòng))等。

單獨(dú)的椎體成形術(shù)能否滿(mǎn)足脊柱穩(wěn)定性重建的需要，首先需要采用合適的擴(kuò)張器擴(kuò)張并復(fù)位骨折椎體，1994年Reiley等發(fā)明Kyphon擴(kuò)張球囊，1998年美國(guó)專(zhuān)利授權(quán)并得到美國(guó)FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床。它具備減少灌注劑滲透率、更好地恢復(fù)椎體高度等優(yōu)勢(shì)，所以目前臨床上應(yīng)用最多的擴(kuò)張器為Kyphon擴(kuò)張球囊。其次需要充填合適的灌注劑；早期的椎體成形術(shù)采用PMMA，它是一種生物惰性材料，在體內(nèi)不能生物降解、不能與活骨組織生物連接、無(wú)誘導(dǎo)成骨作用，最終不被自體骨取代；滲入椎管內(nèi)可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果；固化過(guò)程中放熱可以高達(dá)122 ℃，容易引起鄰近組織和神經(jīng)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(yīng)用于老年骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折，而對(duì)于正常骨質(zhì)的椎體壓縮性骨折而言，臨床上應(yīng)用非常謹(jǐn)慎，而應(yīng)該采用可降解的人工骨進(jìn)行椎體成形。理想的灌注劑需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面：足夠的機(jī)械強(qiáng)度，可注射性、易操作性、不透X線(xiàn)性、合適的凝結(jié)時(shí)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(xué)的不斷進(jìn)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(mǎn)足灌注劑的理想要求[7，8]。

本課題組認(rèn)為，單獨(dú)使用球囊擴(kuò)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(shù)，專(zhuān)為加速骨修復(fù)而設(shè)計(jì)；它是基于獨(dú)特的Zeta電位控制(ZPCTM)技術(shù)研制而成，在體內(nèi)保證負(fù)離子釋放；它通過(guò)激發(fā)自身細(xì)胞活性來(lái)誘導(dǎo)并增加蛋白質(zhì)和骨生長(zhǎng)因子的吸附，從而加速新骨生成。GENEX是一項(xiàng)運(yùn)用多項(xiàng)創(chuàng)新新技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室將兩種無(wú)機(jī)鈣復(fù)合而成的新一代骨移植材料。它在體內(nèi)經(jīng)一年時(shí)間可以完全被吸收并為新骨所取代。GENEX在固化過(guò)程中不產(chǎn)熱，它與其他灌注材料相比具有，更獨(dú)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，從而達(dá)到更完美的臨床效果。本研究測(cè)量結(jié)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(qiáng)度是正常松質(zhì)骨的3倍，是一種理想的骨替代材料[9]，可以達(dá)到臨床上單獨(dú)應(yīng)用球囊擴(kuò)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(lái)，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者大量報(bào)道椎弓根螺釘結(jié)合注射可降解生物材料椎體成形術(shù)治療胸腰椎骨折[10-12]；但對(duì)單獨(dú)使用椎體成形注射可降解生物材料治療青壯年正常骨質(zhì)胸腰椎壓縮性骨折未有相關(guān)報(bào)道； 本課題組認(rèn)為經(jīng)球囊擴(kuò)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(shù)已經(jīng)達(dá)到理論上的可行性，但尚須力學(xué)方面的研究作為佐證；故設(shè)計(jì)本課題運(yùn)用有限元分析方法，分析GENEX與PMMA骨水泥經(jīng)球囊擴(kuò)張椎體后凸成形注入青壯年正常骨質(zhì)胸腰椎壓縮性骨折椎體后，在后伸、前屈、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左側(cè)旋、右側(cè)旋位的工況下，T12-L1、L1-2椎間盤(pán)應(yīng)力在應(yīng)用GENEX與PMMA骨水泥后變化較小，均能符合臨床醫(yī)師對(duì)填充材料的要求；兩種材料經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)后自由度及剛度變化很小。三維有限元力學(xué)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(shí)兩種材料的植入沒(méi)有顯著增加成形椎體鄰近節(jié)段椎間盤(pán)的應(yīng)力，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，能減少鄰近椎間盤(pán)椎體退變和相鄰椎體骨折的機(jī)會(huì)；需要下一步通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，并觀(guān)察其臨床治療效果及長(zhǎng)期材料吸收及骨折愈合情況。

經(jīng)球囊擴(kuò)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(qiáng)度，達(dá)到了臨床使用的安全性的要求；為臨床應(yīng)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(dú)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(lái)它可以作為我們臨床使用椎體后凸成形術(shù)治療青壯年正常骨質(zhì)胸腰椎壓縮性骨折的一種理想的填充材料；同時(shí)尚需在具體臨床應(yīng)用后，觀(guān)察其臨床治療效果及長(zhǎng)期材料吸收及骨折愈合情況，并評(píng)估鄰近椎間盤(pán)椎體退變和相鄰椎體骨折的機(jī)會(huì)。

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(2015-09-16收稿2016-04-21修回)

(責(zé)任編輯岳建華)

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基金項(xiàng)目：上海市衛(wèi)生局局級(jí)科研課題面上項(xiàng)目(20114355)

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

【中國(guó)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)】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