骨水泥复位V型跟骨骨折的生物力学特点

doi:10.12307/2021.318

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (33): 5307-5311.doi: 10.12307/2021.318

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

骨水泥复位V型跟骨骨折的生物力学特点

张文1，陈亮2，蒋臻欢2

1苏州大学骨科研究所，江苏省苏州市 215006；2宜兴市人民医院，江苏省无锡市 214200

收稿日期:2020-10-09 修回日期:2020-10-12 接受日期:2020-11-26 出版日期:2021-11-28 发布日期:2021-08-03
通讯作者: 蒋臻欢，博士，副教授，副主任医师，宜兴市人民医院，江苏省无锡市 214200
作者简介:张文，男，1984年生，安徽省池州市人，汉族，2010年苏州大学毕业，硕士，高级实验师，主要从事骨生物力学研究。
基金资助:
江苏省卫生国际交流项目(JSH-2018-017)，项目负责人，蒋臻欢；无锡市卫健委医学重点人才项目(ZDRC018)，项目负责人，蒋臻欢

Biomechanical characteristics of bone cement reduction for V-type calcaneal fractures

Zhang Wen1, Chen Liang2, Jiang Zhenhuan2

1Orthopedic Institute, Soochow University, Suzhou 215006, Jiangsu Province, China; 2People’s Hospital of Yixing, wuxi 214200, Jiangsu Province, China

Received:2020-10-09 Revised:2020-10-12 Accepted:2020-11-26 Online:2021-11-28 Published:2021-08-03
Contact: Jiang Zhenhuan, MD, Associate professor, Associate chief physician, People’s Hospital of Yixing, wuxi 214200, Jiangsu Province, China
About author:Zhang Wen, Master, Senior experimenter, Orthopedic Institute, Soochow University, Suzhou 215006, Jiangsu Province, China
Supported by:
the Jiangsu Health International Exchange Project, No. JSH-2018-017 (to JZH); the Key Medical Talents Project of Wuxi Health Commission, No. ZDRC018 (to JZH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
骨水泥：化学名为聚甲基丙烯酸甲酯，1951年瑞典KLAER用聚甲基丙烯酸甲酯作为髋关节假体固定材料；1958年聚甲基丙烯酸甲酯深入研究并推广使用，从而使骨黏固剂固定假体置换获得成功；中国1978年研制成功并应用与临床。
三维有限元分析：有限元方法可以对模型施加不同的负荷、材料属性、边界条件等并进行分析，解决了传统骨科力学研究的有创性、环境影响很大、费用高及耗时长的问题，成为研究骨科力学重要的工具。
背景：骨水泥具有良好的强度和固定作用，可起到有效骨折复位的作用。
目的：针对跟骨Ⅴ型骨折，植入不同体积聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥治疗复位，通过有限元方法分析不同体积骨水泥复位对跟骨骨折的治疗效果。
方法：选取1例正常男性青年志愿者的足踝CT图像，建立生理状态跟骨三维有限元模型，通过模拟临床跟骨Ⅴ型骨折，对模型进行切割造模成跟骨Ⅴ型骨折。对骨折模型模拟临床手术复位方法，分别注入2，3，4 mL不同体积的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，完成3组术后有限元模型的建立。对3组模型施加相同载荷和约束，通过有限元分析计算，观察3组模型在各种载荷工况作用下的最大应力分布和最大变形情况。
结果与结论：在垂直700 N载荷作用下，整体模型的变形量和应力分布(包括松质骨、皮质骨和骨水泥)均随着骨水泥体积的增加而增大，其中4 mL体积骨水泥不论在松质骨、皮质骨和骨水泥上的应力都是最大的，应力峰值分别达到8.04，136.96，10.15 MPa。说明随着骨水泥的注入，松质骨、皮质骨和骨水泥的刚度均增加，随着注射骨水泥体积的增加，皮质骨的应力增幅减小、松质骨的增幅增加。
https://orcid.org/0000-0002-3521-0177 (张文)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 骨, 跟骨, Ⅴ型骨折, 有限元分析, 骨水泥, 复位

Abstract: BACKGROUND: Bone cement has good strength and fixation, which can effectively play the role of fracture reduction.
OBJECTIVE: For V-type calcaneal fractures, the reduction was treated by implanting different volumes of polymethyl methacrylate bone cement, and the effect of different volumes of bone cement reduction on calcaneal fractures was analyzed by finite element method.
METHODS: A CT image of the foot and ankle of a normal male youth was selected to establish a three-dimensional finite element model of the calcaneal bone with physiological status. By simulating the clinical V-type calcaneal fractures, the model was cut to form a V-type calcaneal fractures. To simulate the clinical surgical reduction method for the fracture model, 2, 3 and 4 mL bone cement of different volumes were injected, respectively, to complete the establishment of the postoperative finite element model for the three groups. By applying the same load and constraint to the three groups of models, the maximum stress distribution and maximum deformation of the three groups of models under various load conditions were observed through finite element analysis and calculation.
RESULTS AND CONCLUSION: Under the action of vertical load of 700 N, the deformation and stress distribution of the overall model (including cancellous bone, cortical bone and bone cement) increased with the increase of the volume of bone cement. Among them, the volume of 4 mL bone cement showed the largest stress on the cancellous bone, cortical bone and bone cement, with peak stresses reaching 8.04, 136.96 and 10.15 MPa respectively. It is concluded that with the injection of bone cement, the stiffness of cancellous bone, cortical bone and bone cement all increased. As the volume of bone cement increases, the stress increase of cortical bone decreases and the increase of cancellous bone increases.

Key words: bone, calcaneus, V-shaped fracture, finite element analysis, bone cement, reduction

中图分类号:

张文, 陈亮, 蒋臻欢. 骨水泥复位V型跟骨骨折的生物力学特点[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(33): 5307-5311.

Zhang Wen, Chen Liang, Jiang Zhenhuan. Biomechanical characteristics of bone cement reduction for V-type calcaneal fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(33): 5307-5311.

图/表（结果） 4

2.1 模型的有效性文献[10，16-17]结果显示，对跟骨施加700 N的压缩载荷进行生物力学测试，得到跟骨的压缩刚度为634(383-891，标准差为226)N/mm。此次实验对跟骨施加相同的约束和载荷，进行有限元分析，得到生理组模型的变形量为1.06 mm，换算压缩刚度为660 N/mm，考虑到模型之间的个体性差异及建模方法软件等外在因素影响，该结果与文献比对在合理的范围内，显示模型是准确有效的。
2.2 模型的变形量在模型的变形量上，2 mL骨水泥组比正常组增加24.2%，3 mL骨水泥组比正常组增加17.1%，4 mL骨水泥组比正常组增加8.6%，见图4。跟骨骨折后，通过加载同样的载荷和约束，模型上的变形量均比正常组模型要高，随着骨水泥体积的增加，模型的变形量减少。

2.3 模型的松质骨应力相比于正常组模型，2 mL骨水泥组模型上的松质骨应力增加208.3%，3 mL骨水泥组增加235.0%，4 mL骨水泥组增加504.5%，见图5。骨水泥的注入增加了松质骨刚度，随着骨水泥体积的增加，松质骨的应力增加。骨水泥注入松质骨后增加了松质骨刚度，随着骨水泥体积的增加，刚度增加幅度增大。

2.4 模型的皮质骨应力相比于正常组模型，2 mL骨水泥组的皮质骨应力增加25.8%，3 mL骨水泥组增加50.3%，4 mL骨水泥组增加72.9%，见图6。骨水泥的注入同时增加了皮质骨刚度，随着骨水泥体积的增加，皮质骨的应力增幅减小。
2.5 模型骨水泥上的应力 3 mL骨水泥组模型骨水泥上的应力比2 mL骨水泥组增加17.9%，4 mL骨水泥组比 2 mL骨水泥组增加41.9%，见图7。

参考文献

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(责任编辑：GW，ZN，SX)

引言

跟骨骨折约占足部骨折的58%，占全身骨折的2%，占跗骨骨折的60%，是骨科较为常见的疾病[1]。由于跟骨的解剖、生物力学结构较复杂，治疗难度大、并发症多、预后较差，极易致残。跟骨骨折治疗方法较多，其中最常用的治疗方法是切开复位钢板螺钉内固定加植骨术[2]，但常常发生皮瓣坏死、感染、排异反应、骨折再次移位等并发症。希望能有一种既能良好复位又能可靠固定的微创治疗方法，提高跟骨骨折的疗效并减少并发症。
聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥目前已被广泛应用于骨科临床，凝固后其强度可保证术后骨折端或假体的即刻稳定，且界面无微动，允许患者术后早期负重，疗效肯定。经皮椎体成形术和椎体后凸成形术均是将聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥注入椎体内，用于治疗椎体骨质疏松性骨折及椎体肿瘤，获得了满意疗效[3-4]。跟骨是足部最大的承重骨且以松质骨为主，与椎体有相似之处。利用骨水泥填充强化治疗跟骨骨折，早在2009年就有成功的案例报道[5]，2011年JACQUOT等[6]对多例跟骨骨折患者(年龄26-68岁不等)采用球囊复位骨水泥填充治疗，随访研究显示效果良好，是一种可行的治疗方法，但缺少该方法生物力学方面的研究。有限元技术于20 世纪70 年代时开始应用于骨科领域[7]，如今已被广泛应用于骨科各个亚分类专业领域中的力学研究及疗效评价[8-9]。
考虑到骨水泥用于治疗椎体骨质疏松性骨折已经是一种非常成熟的方法，因此实验拟采用有限元分析方法，研究骨质疏松跟骨骨折后填充不同体积骨水泥后跟骨的力学变化，为利用骨水泥治疗骨质疏松性跟骨骨折提供一定的生物力学依据，为将来临床的实际应用提供一些理论依据。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计跟骨模型的有限元分析。
1.2 时间及地点实验于2018年12月至2020年5月在苏州市苏州大学骨科研究所完成。
1.3 材料 Mimics 19.0软件(Materialise公司，比利时)；Geomagic12.0软件(Geomagic公司，美国)；ProEngineer5.0软件(PTC公司，美国)。
1.4 实验方法
1.4.1 跟骨模型的建立实验使用1名正常青年男性志愿者(身高173 cm，体质量70 kg)的CT图像(120 kV，485 mA)，层厚0.625 mm，在Mimics 19.0软件中通过阈值分割、区域增长和三维重建功能重建了跟骨模型(包含皮质骨和松质骨，皮质骨厚度2.68 mm[10])，在Geomagic12.0软件建立跟骨的面实体模型，见图1A。
1.4.2 跟骨骨折模型的建立构建的模型是模拟简单的跟骨骨折，经球囊撑开复位后的跟骨有限元模型(由于骨折的类型非常多，为了研究结果的统一，默认跟骨骨折经球囊撑开复位后恢复成为正常的跟骨外形)。被球囊撑开后跟骨松质骨内会留下一个空腔(类似于骨缺损)，空腔将用来填充骨水泥，使得骨折空腔处灌注骨水泥后得到强化。
为模拟SandersⅢ型骨折，在Gissane内角附近进行V形截骨术[11]，将跟骨分为前、中和后部三部分。具体做法如下：将上述跟骨面实体模型导入ProEngineer 5.0软件，完成跟骨三维实体模型的构建。在Proe软件中建立一个V型的板，厚度为0.2 mm，通过软件的移动和旋转功能将V型板移动到跟骨实体模型上，与模型相交。再通过软件的布尔操作功能将跟骨模型减去V型板，从而完成V型截骨的造模。
在Proe软件中建立骨水泥模型，见图1B。为避免出现不必要的应力集中，将骨水泥形状建立为椭球状，体积分别为2，3和4 mL。对跟骨模型进行分组，为模拟临床复位方法，将椭球移动到V型骨折区域。对每组模型在同样的位置，分别植入不同体积的骨水泥椭球，再将椭球型骨水泥与跟骨模型进行装配和布尔操作，从而造模成3组模型(图1C)：注入2 mL 骨水泥为A组，注入3 mL骨水泥为 B组，注入4 mL骨水泥为C组。

1.4.3 网格模型的处理将在Proe软件组装完成的模型导入Hypermesh2017软件中，模型的各部分分别建立为一个元件。对每个部分经过的必要的编辑处理后，划分体网格，见图2。因为跟骨为不规则模型，网格选用Solid187单元10节点四面体单元网格，2 mL骨水泥组114 218节点，70 391单元；3 mL骨水泥组126 490节点，78 001单元；4 mL骨水泥组140 019节点，86 935单元。

1.4.4 材料属性分配根据文献的描述，在Hypermesh软件中对模型的各部分进行材料属性的分配[12-15]，见表1。

1.4.5 边界条件和载荷
边界条件：约束跟骨后关节面下节点的所有自由度，以及约束跟骨与舟骨接触的关节面所有节点的自由度，模拟人体处于单腿站立位，跟骨接触地面[10，16]。
载荷：人体质量为70 kg，作用于跟骨的压缩载荷约为700 N。选择距骨关节面上的所有节点，与关节面的中心节点建立耦合方程，将关节面建立为刚性面，并对中心节点施加垂直的Z轴负向集中载荷700 N，模拟人体的单腿站立状况，见图3。将骨水泥椭球表面的所有节点与周围的松质骨模型单元，用耦合方程建立绑定约束，模拟跟骨V型骨折后，在跟骨内注入骨水泥的手术复位方法。

1.4.6 模型验证对跟骨模型的验证，沿用有限元分析经典方法[10，16-17]，对模型施加与经典文献相同的约束和载荷并进行分析，比对分析结果差异。此处对跟骨生理状态模型上模拟经典文献的方法，约束跟骨关节面节点的所有自由度，在跟骨上关节面上通过上述方法，施加垂直的压缩载荷700 N，经过有限元分析，将结果与文献作比对，验证模型的有效性。
1.5 主要观察指标各组模型皮质骨、松质骨和骨水泥模型上的变形和等效应力分布。

讨论

跟骨骨折目前主要的治疗方法为切开复位内固定，切开复位内固定技术的优势是直视下对塌陷骨折块进行复位，选择适当的内固定材料来固定骨折块，术后早期进行功能锻炼，但该技术的弊端就是对软组织的广泛剥离、损伤大，术后容易发生感染、皮缘坏死等并发症[3，18]。
临床上采用球囊复位注射聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥技术治疗胸腰椎骨质疏松性骨折取得了良好效果，聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥能强化椎体、增加椎体抗压强度，具有简便易行、微创、起效迅速的特点。其中使用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥是一种由粉剂和液剂组成的室温自凝黏结剂，它具有强化椎体、增加椎体抗压强度、操作简便易行、起效迅速的特点[4，19-23]。鉴于骨水泥的这些特点，JACQUOT等[6]利用球囊复位跟骨骨折后骨水泥填充骨缺损处治疗跟骨骨折，也取得了满意的效果。
任何一种手术方法并不能解决所有类型骨折的治疗，该文所描述的骨水泥填充治疗跟骨骨折拟应用于骨质疏松性老年跟骨骨折患者，且骨折移位并不严重，对复位要求不高。对于老年患者而言，骨水泥的强化和即刻固定可使得老年患者早期负重锻炼，减少卧床并发症的可能性。临床结果需要一定的随访来进一步验证。
此次实验发现，骨水泥能在跟骨内起到内夹板的作用，阻止骨折部位间的微动，提供了有利于愈合的稳定力学环境。强度反映了跟着体抵抗跟骨骨折破坏的能力[24-26]，刚度反映了跟骨体抵抗变形的能力，两者都十分重要。
有限元分析结果显示，骨水泥的注入同时增加了松质骨和皮质骨刚度，随着骨水泥体积的增加，皮质骨的应力增幅减小，松质骨的应力增加，骨水泥上的应力分布增幅增加，在达到有效固定和复位的情况下需要控制骨水泥注入量。
骨水泥注入跟骨骨小梁间隙凝固后可强化原有骨小梁的强度。当骨小梁压缩骨折后，正常骨小梁失去原来网状结构所维持的强度，其强度和刚度均会明显下降[6，27]，此时将骨水泥注入到塌陷的骨小梁间隙内，起着替代破坏骨小梁对跟骨起着支撑作用，恢复了原有跟骨的力学功能。加上骨水泥具有很好的粘接性，凝固后与骨质紧密接触，它会通过裂隙将骨折块快速粘接，在跟骨内充填缺损，使跟骨恢复原有的外形结构，恢复其内部的完整结构，起着充分的力传导作用，使成形的强度和刚度恢复到原有水平。
随着老龄化的到来[2]，临床上常会遇见患有骨质疏松症的老年人发生跟骨骨折，选择传统的钢板、螺钉内固定或者保守治疗也会产生皮肤坏死、感染、关节僵硬等并发症，该文参考国外学者的经验，探讨这种新的治疗方法，希望能给患者提供一种可行的好办法。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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