聚醚醚酮棒与钛棒在后路腰椎椎间融合中的有限元分析

doi:10.12307/2023.398

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (22): 3445-3450.doi: 10.12307/2023.398

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

聚醚醚酮棒与钛棒在后路腰椎椎间融合中的有限元分析

李杰1，曹帅2，郭栋1，张琼弛1，贺西京1，李浩鹏1，卢腾1

1西安交通大学第二附属医院骨二科，陕西省西安市 710004；2民航总医院骨科，北京市 100123

收稿日期:2022-06-09 接受日期:2022-07-21 出版日期:2023-08-08 发布日期:2022-11-01
通讯作者: 卢腾，医师，博士，西安交通大学第二附属医院骨二科，陕西省西安市 710004 李浩鹏，教授，主任医师，博士生导师，西安交通大学第二附属医院骨二科，陕西省西安市 710004
作者简介:李杰，男，1996年生，汉族，陕西省榆林市人，西安交通大学在读硕士，主要从事脊柱外科、医学有限元研究。
基金资助:
陕西省自然科学基础研究计划(2022-JQ195)，项目负责人：卢腾；国家自然科学基金(82172396)，项目负责人：
李浩鹏

Finite element analysis of polyetheretherketone and titanium rods in posterior lumbar interbody fusion

Li Jie1, Cao Shuai2, Guo Dong1, Zhang Qiongchi1, He Xijing1, Li Haopeng1, Lu Teng1

1Second Department of Orthopedics, The Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, Shaanxi Province, China; 2Department of Orthopedics, Civil Aviation General Hospital, Beijing 100123, China

Received:2022-06-09 Accepted:2022-07-21 Online:2023-08-08 Published:2022-11-01
Contact: Lu Teng, Physician, MD, Second Department of Orthopedics, The Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, Shaanxi Province, China Li Haopeng, Professor, Chief physician, Doctoral supervisor, Second Department of Orthopedics, The Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, Shaanxi Province, China
About author:Li Jie, Master candidate, Second Department of Orthopedics, The Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, Shaanxi Province, China
Supported by:
Natural Science Basic Research Program of Shaanxi, No. 2022-JQ195 (to LT); National Natural Science Foundation of China, No. 82172396 (to LHP)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

假关节：又称骨不融合，通常指脊柱融合术后1年手术节段植骨区仍未获得坚固的骨性融合，并形成类似关节面的硬化骨面，这导致了脊柱异常的活动，从而可引起腰痛、内固定器械松动等并发症。假关节的形成多与医源性因素有关，例如手术方式、内固定、植骨材料等。
应力遮挡：是指当2种或者多种具有不同刚度的材料共同承担外力时，刚度较高的材料将会承担较多的载荷，而刚度较低的材料则承载较低的载荷。在脊柱融合内固定术中，由于脊柱后柱置入刚度较高的钉棒，导致脊柱前柱承担的载荷较生理状态下大幅度降低。

背景：聚醚醚酮棒是一种新型的半刚性固定材料，但是其在后路腰椎椎间融合术中的生物力学性能仍不清楚。

目的：对比聚醚醚酮棒与钛棒在后路腰椎椎间融合过程中的生物力学性能，尝试回答聚醚醚酮棒是否有潜力成为钛棒的替代品，尤其在前柱支撑不充分的情况下。
方法：利用有限元方法构建完整的人腰椎(L3-5)模型，并进一步构建4个后路腰椎椎间融合模型：①聚醚醚酮棒+cage；②钛棒+cage；③聚醚醚酮棒+纯植骨；④钛棒+纯植骨。比较不同模型中节段活动度、相关结构应力以及应变。

结果与结论：①所有手术模型在限制L4/5节段活动度方面无明显差异；②与钛棒相比，聚醚醚酮棒增加了椎间植骨的平均应变、增加了终板以及cage的峰值应力，同时降低了螺钉以及骨-螺钉界面的峰值应力；聚醚醚酮棒的峰值应力与屈服应力之比为6%-26%，高于钛棒的3%-12%；③在L3/4节段上，聚醚醚酮棒仅轻微地降低了节段活动度与椎间盘峰值应力；④因此与钛棒相比，聚醚醚酮棒可能降低假关节、螺钉断裂与松动的风险，但是也可能导致终板塌陷、cage损坏以及棒断裂的风险更高；聚醚醚酮棒在延缓邻近节段退变中可能较钛棒有微弱的优势；在不使用cage而仅采用骨移植物进行椎间融合时，聚醚醚酮棒也许是一个可供选择的方案。

https://orcid.org/0000-0002-1346-1899 (李杰)

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: 聚醚醚酮棒, 钛棒, 后路腰椎间融合, 有限元分析, 应力遮挡, 纯植骨, 邻近节段退变

Abstract: BACKGROUND: Polyetheretherketone rod is a new material for semi-rigid fixation; however, its biomechanical properties in posterior lumbar interbody fusion remain unclear.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical properties of polyetheretherketone rods and titanium rods in posterior lumbar interbody fusion, and try to answer whether polyetheretherketone rods have the potential to be a substitute for titanium rods, especially when the anterior column of the spine is not adequately supported.
METHODS: An intact L3-5 lumbar model was constructed using the finite element method. The four posterior lumbar interbody fusion constructs were developed: (1) polyetheretherketone rods with cage; (2) titanium rods with cage; (3) polyetheretherketone rods with bone grafts alone; and (4) titanium rods with bone grafts alone. The range of motion, stress and strain of the related structures were compared among the four posterior lumbar interbody fusion constructs.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) There was no significant difference in the L4/5 range of motion among all surgical models. (2) Compared to titanium rods, polyetheretherketone rods increased the average strain of interbody bone grafts and the peak stresses of endplates and cages and reduced the peak stresses of the screws and bone-screw interfaces. The ratio of peak stress to yield stress for the polyetheretherketone rods (6%–26%) was higher than that for the titanium rods (3%–12%). (3) Polyetheretherketone rods only slightly reduced the range of motion and disc stress at the L3/4 segment. (4) Compared to titanium rods, polyetheretherketone rods maybe reduce the risks of pseudoarthroses, screw breaking, and loosening but lead to the higher risks of endplate collapse, cage failure, and rod fracture. Polyetheretherketone rods may have a weak advantage over titanium rods in retarding adjacent segment degeneration. Polyetheretherketone rods may be an alternative when interbody fusion is performed with bone grafts alone instead of cages.

Key words: polyetheretherketone rod, titanium rod, posterior lumbar interbody fusion, finite element analysis, stress shielding, bone graft alone, adjacent segment degeneration

中图分类号:

李杰, 曹帅, 郭栋, 张琼弛, 贺西京, 李浩鹏, 卢腾. 聚醚醚酮棒与钛棒在后路腰椎椎间融合中的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(22): 3445-3450.

Li Jie, Cao Shuai, Guo Dong, Zhang Qiongchi, He Xijing, Li Haopeng, Lu Teng. Finite element analysis of polyetheretherketone and titanium rods in posterior lumbar interbody fusion[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(22): 3445-3450.

图/表（结果） 4

2.1 验证完整模型的有效性在相似的加载条件下，该研究构建的完整模型在各种工况下的活动度与之前的尸体测试及有限元研究有较好的一致性(图3)，这表明可以利用完整模型进一步构建手术模型。

2.2 节段活动度总体上，与完整模型相比，所有手术模型中固定节段的活动度明显降低，而邻近节段的活动度明显增加，但是4个手术模型之间的活动度无明显差异。具体而言，在完整模型、聚醚醚酮棒+cage、钛棒+cage、聚醚醚酮棒+纯植骨和钛棒+纯植骨模型中，L3/4节段活动度在前屈工况下分别为3.69°，6.33°，6.36°，6.26°，6.29°；在后伸工况下分别为3.26°，4.93°，4.96°，4.89°，4.93°；在侧弯工况下分别为2.55°，4.11°，4.15°，4.05°，4.11°；在轴向旋转工况下分别为2.45°，3.83°，3.91°，3.58°，3.77°(图4A)。在上述模型中，L4/5节段活动度在前屈工况下分别为3.96°，1.32°，1.29°，1.40°，1.36°；在后伸工况下分别为2.84°，1.16°，1.13°，1.20°，1.16°；在侧弯工况下分别为2.36°，0.80°，0.76°，0.86°，0.80°；在轴向旋转工况下分别为1.90°，0.51°，0.44°，0.77°，0.57°(图4B)。

2.3 椎间植骨应变在聚醚醚酮棒+cage与钛棒+cage模型中，各个工况下cage内部植骨的平均应变分别为288.33-896.55 με和255.66-711.44 με(图5A)；cage外部植骨的平均应变分别为1 689.37-4 499.69 με和1 445.58-3 625.74 με(图5B)。在聚醚醚酮棒+纯植骨和钛棒+纯植骨模型中，椎间植骨的平均应变分别为2 327.58-7 992.91 με和2 072.77-5 754.19 με(图5C)。总体而言，4个手术模型中，聚醚醚酮棒+纯植骨模型的平均植骨应变最大，依次是钛棒+纯植骨、聚醚醚酮棒+cage、钛棒+cage。

2.4 椎间盘、终板与cage应力相比于完整模型，所有手术模型L3/4节段椎间盘峰值应力均增加(完整模型为0.64-1.46 MPa，手术模型为0.78-1.81 MPa)。在聚醚醚酮棒+cage、钛棒+cage、聚醚醚酮棒+纯植骨、钛棒+纯植骨模型中，L3/4节段椎间盘的峰值应力差别不大，分别为0.79-1.81 MPa、0.80-1.81 MPa、0.78-1.66 MPa、0.80-1.81 MPa(图6A)；然而，L4/5终板的峰值应力分别为38.26-48.99 MPa、31.66-46.97 MPa、10.37-14.19 MPa和8.96-12.31 MPa(图6B)，可以看出使用cage与否对终板的影响大于棒的材料。在聚醚醚酮棒+cage和钛棒+cage模型中，cage的峰值应力分别为22.78-41.20 MPa和22.19-36.22 MPa(图6C)。
2.5 钉棒系统应力在聚醚醚酮棒+cage、钛棒+cage、聚醚醚酮棒+纯植骨、钛棒+纯植骨模型中，螺钉的峰值应力分别为31.49-39.81 MPa、34.27-69.22 MPa、35.60-51.03 MPa和35.73-92.32 MPa(图6D)；骨-螺钉界面的峰值应力分别为25.97-39.85 MPa、27.78-53.77 MPa、28.00-41.58 MPa和31.09-79.84 MPa(图6E)；棒的峰值应力分别为6.01-15.69 MPa、23.06-64.26 MPa、7.14-26.37 MPa和23.36-86.33 MPa，因此棒的峰值应力主要取决于棒自身材料，即聚醚醚酮棒的峰值应力明显小于钛棒(图6F)。考虑棒自身的峰值应力与屈服应力(钛，750 MPa；聚醚醚酮，100 MPa)之比，聚醚醚酮棒的该比值为6%-26%，高于钛棒的3%-12%。

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引言

后路腰椎椎间融合术(posterior lumbar interbody fusion，PLIF)联合椎弓根钉棒固定系统是治疗腰椎间盘突出症、腰椎滑脱等腰椎疾病的经典术式[1]。然而，用于钉棒系统的钛合金弹性模量(110 GPa)远超于骨组织(0.1-20 GPa)，这容易导致后路钉棒系统应力集中以及对椎间植骨的应力遮挡，从而增加假关节、邻近节段退变、螺钉松动或断裂等远期并发症发生的风险[2-4]。为了克服这些问题，学者们尝试引入弹性模量远低于钛合金而更接近骨、仅为3.6 GPa的聚醚醚酮棒，以更好地平衡前后柱的负荷分配[5-9]。
目前，一些基于机械力学测试或有限元方法的研究评估了聚醚醚酮棒对前后柱负荷分配、节段活动度以及植入器械应力的影响，这些研究结果都表明聚醚醚酮棒可以提供适当的稳定性、降低应力屏蔽效应并缓解邻近节段退变[10-13]。但是这些研究采用了不同的建模方法，大多集中于腰椎后外侧固定、经椎间孔或者前路腰椎椎间融合术，并且每个研究关注的指标并不全面。虽然有研究比较了PLIF中聚醚醚酮棒与钛棒对活动度、终板、小关节和连接棒的影响，但是尚缺乏对cage、螺钉、骨-螺钉界面应力以及椎间植骨应变的评估，而这些指标对评价cage损坏、螺钉断裂松动以及骨融合具有重要意义[14]。另外，临床上进行椎间融合时经常使用聚醚醚酮材质的cage以提供充分的前柱支撑以恢复脊柱序列，但是不使用cage而仅使用骨移植物填充椎间隙往往也是一种选择方案[15-16]。然而，在前柱支撑不充分(不使用cage而仅使用骨移植物)的情况下，聚醚醚酮棒是否能提供良好的节段稳定性与负荷分配性能仍不清楚。
为了深入了解聚醚醚酮棒在使用cage与不使用cage状态下的生物力学特性，此次研究首次利用有限元方法模拟构建了4种PLIF模型，即聚醚醚酮棒+cage、钛棒+cage、聚醚醚酮棒+纯植骨、钛棒+纯植骨，比较分析了4个模型中固定及邻近节段的活动度，终板、椎间盘、cage、螺钉、棒、骨-螺钉界面峰值应力以及椎间植骨平均应变。
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 设计基于有限元方法的生物力学分析实验。
1.2 时间及地点实验于2021年6月至 2022年4月在西安交通大学第二附属医院骨科实验室完成。
1.3 对象对一名健康的男性志愿者(29岁，身高176 cm，体质量70 kg，无畸形以及创伤等腰椎疾患)进行腰椎CT三维重建，层厚0.625 mm，图像以DICOM格式保存。该研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和西安交通大学第二附属医院对研究的相关伦理要求，并与志愿者签署知情同意书。
1.4 材料 64排螺旋CT(Simens Sensation，德国)；计算机配置：处理器AMD Ryzen 7 5700U with Radeon Graphics 1.80 GHz，机带RAM16.0 GB，64 位操作系统，基于x64的处理器。Mimics 20.0软件(Materialise公司，比利时)；3-Matic 11.0(Materialise公司，比利时)；HyperMesh 14.0软件(Altair公司，美国)；Abaqus 2016软件(SIMULIA公司，法国)。
1.5 方法
1.5.1 建立完整L3-5有限元模型将CT图像以DICOM格式导入Mimics软件，利用“阈值分割” “编辑蒙版” “区域增长”等功能初步建立腰椎(L3-5)几何模型，并进行了去噪、平滑、空洞填充等优化处理，导出STL格式保存。之后导入3-Matic软件，构建椎间盘、软骨以及内固定的几何模型并进一步优化模型，以STL格式输出保存。HyperMesh软件用于模型的网格划分。最后导入Abaqus软件进行材料属性赋值、模型装配和有限元分析。
材料具体属性参考之前研究[17]，见表1。具体而言，椎骨皮质层与终板厚度分别为1 mm和0.5 mm(图1A)。椎间盘由髓核与纤维环组成，其中髓核占椎间盘体积的30%-40%，8层环状纤维以30°倾角交叉嵌入纤维环基质(图1B)。环状纤维的弹性强度从外(550 MPa)向内(360 MPa)依次递减。韧带被定义为仅在拉伸时非线性响应的桁架单元，包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带和关节囊韧带。关节突关节设置为无摩擦软接触以模拟关节软骨。对模型进行了网格收敛分析，以确保求解误差< 5%。

1.5.2 构建PLIF手术模型 2种不同材料的连接棒(聚醚醚酮棒或钛棒)与2种椎间融合方式(cage或骨移植物)组合成4种PLIF模型：①聚醚醚酮棒+cage；②钛棒+cage；③聚醚醚酮棒+纯植骨；④钛棒+纯植骨。按照PLIF手术操作，去除了L4/5节段的部分椎板、髓核、纤维环后部以及棘上韧带、棘间韧带、黄韧带和后纵韧带(图2A)[14]。对于使用cage的模型，于L4/5椎间隙置入一对聚醚醚酮 cage(高10 mm，长23 mm，宽11 mm，BKMeditech USA，Las Vegas，NV，USA)，并用松质骨填充cage内外间隙(图2B)。对于不使用cage的模型，仅使用松质骨填充椎间隙。融合器-植骨、融合器-终板和植骨-终板界面设定为绑定接触；后路钉棒内固定系统由4枚直径6.5 mm、长度45 mm的钛合金螺钉和2根直径5.5 mm的连接棒组成；骨-螺钉和螺钉-棒界面设定为绑定接触。

1.5.3 载荷与边界条件约束L5椎体下表面的全部自由度。在L3椎体上表面施加400 N的随动载荷以模拟生理压缩载荷。另外对L3椎体施加8 N·m扭矩以模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转运动。将完整模型L3/4和L4/5节段的活动度与之前的研究进行比较以评估完整模型的有效性[17-18]。

1.6 主要观察指标不同模型在前屈、后伸、侧弯、旋转工况下，L4/5节段活动度、终板峰值应力，L3/4节段活动度及椎间盘峰值应力，螺钉、棒、骨-螺钉界面、cage峰值应力，以及植骨平均应变。其中，终板峰值应力取L4下终板与L5上终板峰值应力中的较大值；螺钉峰值应力取L4/5节段4个螺钉中峰值应力的最大值；同样骨-螺钉界面峰值应力取4个螺钉与骨的接触界面中峰值应力的最大值。

讨论

目前，腰椎融合术中广泛使用钛合金材质的椎弓根钉棒(刚性固定)以及聚醚醚酮材质的cage以稳定手术节段并恢复脊柱序列。但是由于刚性固定导致的如邻近节段退变、假关节、螺钉松动等并发症明显降低了患者的生活质量，因此半刚性固定理念应用而生。其核心观点在于低强度材料在限制固定节段活动度的同时降低系统整体的结构刚度，使脊柱负荷在前后柱的分配更加合理，这有利于预防刚性固定后因负荷分配不平衡导致的各种并发症[19]。而作为半刚性固定系统的代表材料，聚醚醚酮棒被学者们寄予厚望，并于2007年开始被逐渐引入后路脊柱融合术中[20]。虽然有研究表明聚醚醚酮棒较钛棒具有更好的负荷分配性能，但是医师们对聚醚醚酮棒的临床应用仍然十分谨慎，其中一个重要原因是目前对聚醚醚酮棒生物力学性能评价并不全面。尤其在前柱支撑不充分(不使用cage)的情况下，聚醚醚酮棒是否能提供良好的节段稳定性与负荷分配性能仍不清楚。
此次研究中以PLIF作为手术模型，是因为这种手术方式较其他腰椎间融合术开展时间更久、范围更广泛，临床效果也较满意。与完整模型相比，使用聚醚醚酮棒的模型使手术节段的活动度大幅度降低(聚醚醚酮棒+cage模型中降低59.2%-73.2%、聚醚醚酮棒+纯植骨模型中降低57.7%-64.6%)，但是低于使用钛棒的模型(钛棒+cage模型中降低60.2%-76.8%、钛棒+纯植骨模型中降低59.2%-70.0%)。这表明虽然聚醚醚酮棒作为更柔性的材料固定效果不及钛棒，但是其在限制节段活动与负荷分配之间取得了良好的平衡。另外，即使在未使用cage造成前柱支撑不充分的情况下，聚醚醚酮棒仍具有良好的固定效果。YEAGER等[21]利用人腰椎标本进行了聚醚醚酮棒和钛棒的体外生物力学性能测试，结果表明在任何加载模式下两者提供的稳定性并没有显著差异，这与此次研究结论基本一致。然而，活动度与负荷分配的最佳平衡点仍然不清楚，更理想的内固定材料需要基础科学和临床试验的不断探索。
除了限制节段异常的活动，维持脊柱良好的前后柱负荷分配也对缓解各种并发症至关重要。虽然钛棒在提供术后即刻稳定性方面具有独特的优势，但是同时极大改变了脊柱生理负荷的特性[21-22]。有研究表明，在腰椎后外侧固定后钛合金后路钉棒系统传递了约67%的轴向压缩负荷，而自然直立状态下后柱仅承受大约20%的负荷[23-24]。而聚醚醚酮棒不仅具有良好的生物相容性及射线可透性，而且弹性模量远远低于钛棒，可以将更多负荷转移到前柱，从而有效改善钛棒造成的前后柱负荷分配不平衡状态[6]。GORNET等[10]的有限元研究表明，聚醚醚酮杆载荷比钛杆至少小6%。在此次研究中，聚醚醚酮棒的负荷分配性能优势主要体现在两个方面：一是降低了后路钉棒系统的应力集中；二是增加了椎间植骨的平均应变。然而，与钛棒相比，聚醚醚酮棒增加了cage与终板的应力。
假关节亦称骨融合失败或不融合，是腰椎融合术后常见的并发症，其发生的原因是腰椎异常的活动或者负荷导致的骨吸收或者缺损[25]。根据Frost提出的“力学稳定性理论”，骨的构建与重塑过程由骨的机械应变所驱动，结果使骨骼结构适应环境的变化，而在较低的机械应变下骨将向重塑或者吸收的方向发展[26]。在钛棒刚性固定时，脊柱主要的负荷将沿着更坚固的后路内固定系统传递，这造成了对椎间植骨的应力屏蔽，缺乏足够机械刺激的骨移植物将不易实现骨性融合从而导致假关节的发生[27]。而在使用cage和不使用cage时，聚醚醚酮棒组的椎间植骨平均应变都较钛棒组高，尤其在轴向旋转与侧弯时这种优势更明显，这表明聚醚醚酮棒可能促进椎间植骨融合并降低假关节的风险。宋振杰等[28]的研究也表明，腰椎融合术中使用聚醚醚酮棒的患者术后3，6个月的融合率均显著高于使用钛棒的患者。另外，此次研究中轴向旋转运动时椎间植骨的平均应变较其他方向运动时更大，这提示PLIF术后患者可适当进行轴向旋转运动以刺激骨融合[29]。然而，聚醚醚酮棒增加前柱负荷也导致了终板与cage峰值应力增加，这可能增加了终板塌陷和cage损坏的风险，尤其在侧弯时。临床上判断终板塌陷或者射线可透性融合器下沉的一种重要手段是通过X射线片测量椎间隙高度。杨红军等[30]的临床研究结果表明，术后3个月聚醚醚酮棒组手术节段的椎间隙高度低于钛棒组，但是随着骨性融合这种差异将逐渐消除。
此外，与钛棒相比，聚醚醚酮棒降低了螺钉与骨-螺钉界面的峰值应力，因此可能减少螺钉断裂或者松动的风险。钱嘉铭等[31]比较了60例(聚醚醚酮组30例，钛棒组30例)行腰椎后路椎弓根内固定患者的疗效，结果表明术后至少1年聚醚醚酮组无螺钉松动事件，而钛棒组发生1例螺钉松动事件。黄伟敏等[32]随访了11例使用聚醚醚酮棒进行多节段固定的患者，术后2年亦未发生螺钉断裂或松动事件。尽管如此，目前仍需要更长期的临床随访研究以证实聚醚醚酮棒在降低螺钉失效风险方面的优势。另外，需要强调的是虽然聚醚醚酮棒自身的峰值应力明显小于钛棒，但是评价棒断裂风险不应只关注于自身应力，而应该考虑棒自身峰值应力与屈服应力的比值。聚醚醚酮棒的该比值为6%-26%，高于钛棒的3%-12%，因此聚醚醚酮棒的断裂风险可能更高，这与FAN等[33]的研究结果一致。但是在既往文献中未发现聚醚醚酮棒断裂的相关报道，一个可能的原因是生理条件下的载荷可能不易使其发生断裂。
邻近节段退变是腰椎融合术后不可避免的并发症，因为固定节段活动度的下降需要邻近节段来代偿，同时内固定的植入也改变了脊柱正常的力学传递过程。之前的研究表明，聚醚醚酮棒在缓解邻近节段退变中具有积极作用，但是能发挥多大作用仍存在争议。JIN等[34]的有限元研究表明，与钛棒固定相比，聚醚醚酮棒在头端邻近节段明显增加了椎间盘应力与小关节应力。在此次研究中，与完整模型相比，所有手术模型都明显增加了邻近节段活动度与椎间盘应力。而与钛棒相比，聚醚醚酮棒在改善邻近节段活动度与椎间盘应力方面仅有微弱的优势，这与GALBUSERA等[35]的研究结论是一致的。但是需要强调的是，这种微弱的理论优势是否能转换为临床优势是不得而知的。另外，仅依靠活动度和椎间盘应力来评价邻近节段退变是不充分的，还需要综合考虑椎间隙高度、关节突关节、矢状位平衡等因素。
目前，临床上进行椎间融合术时广泛使用聚醚醚酮材质的cage以重建脊柱序列，并提供可靠的稳定性。然而，单独使用骨移植物进行椎间融合也不失为一种替代选择，因为不论是在经济成本还是骨整合性能方面其都具有一定的优势。此次研究中，发现使用cage后虽然降低了后路钉棒的应力负担，但是增加了终板的峰值应力，且降低了椎间植骨的平均应变，尤其是cage内植骨。王华强等[36]对比了纯自体骨椎间融合组(61例)与聚醚醚酮 cage椎间融合组(64例)的临床疗效，他们发现两组患者住院时间、术后下床时间、术后日本骨科协会评分、术后1年椎间隙高度等临床结局并无显著差异，且纯自体骨组术后1年的融合效果更好，与此次研究结论相符。究其原因，cage的弹性模量高于松质骨，对椎间植骨造成了应力屏蔽，同时cage转移了后柱的部分负荷从而减轻了钉棒系统的负担。然而，钉棒系统的应力主要取决于棒自身材料而非使不使用cage。另外，cage明显增加终板峰值应力不仅是前柱负荷增加的结果，同时由于cage与终板接触面积更小从而使应力更加集中[16]。因此，终板应力主要取决于使不使用cage而非棒自身材料。最后，考虑到聚醚醚酮棒在纯植骨时仍可较好地固定手术节段，同时聚醚醚酮棒与纯植骨的组合可以明显提高椎间植骨的平均应变，以及大幅度降低终板应力，因此作者认为，聚醚醚酮棒在前柱支撑不充分的情况下或许也是一种可供选择的方案。
此次研究存在一定的局限性：首先，基于有限元方法的理论数值模型在很大程度上简化了高度复杂的脊柱系统，例如肌肉、循环载荷等因素并未考虑，且腰椎模型仅基于1名受试者，可能造成一定的误差，因此还需要临床研究进一步验证；其次，此次研究只构建了L3-5腰椎有限元模型，且只进行了L4/5单节段固定，无法分析L1/2，L2/3以及L5/S1等邻近节段以及长节段固定的生物力学差异。
综上所述，聚醚醚酮棒在提供手术节段稳定性方面可能与钛棒相当；与钛棒相比，聚醚醚酮棒可能降低假关节、螺钉断裂松动的风险，同时也可能增加棒断裂、终板塌陷与cage损坏的风险；聚醚醚酮棒在延缓邻近节段退变中可能较钛棒有微弱的优势。在不使用cage而仅采用骨移植物进行椎间融合时，聚醚醚酮棒也许是一个可供选择的方案。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

聚醚醚酮棒与钛棒在后路腰椎椎间融合中的有限元分析

Finite element analysis of polyetheretherketone and titanium rods in posterior lumbar interbody fusion

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