椎间隙注入不同弹性模量骨水泥对邻近上下椎体应力的影响

doi:10.12307/2024.527

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (22): 3548-3554.doi: 10.12307/2024.527

• 材料力学及表面改性 material mechanics and surface modification • 上一篇下一篇

椎间隙注入不同弹性模量骨水泥对邻近上下椎体应力的影响

汪建新1，霍文涛1，于泽2

1内蒙古科技大学，内蒙古自治区包头市 014010；2内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院，内蒙古自治区包头市 014017

收稿日期:2023-09-12 接受日期:2023-10-30 出版日期:2024-08-08 发布日期:2024-01-20
通讯作者: 霍文涛，在读硕士，内蒙古科技大学，内蒙古自治区包头市 014010
作者简介:汪建新，男，1962年生，内蒙古自治区包头市人，汉族，博士，博士生导师，教授，主要从事生物力学方面的研究。
基金资助:
内蒙古自治区自然科学基金项目(NJZY22091)，项目负责人：于泽

Effect of bone cement with different elastic moduli injected into intervertebral space on stress of adjacent upper and lower vertebrae

Wang Jianxin1, Huo Wentao1, Yu Ze2

1Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 2First Affiliated Hospital of Baotou Medical College, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014017, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Received:2023-09-12 Accepted:2023-10-30 Online:2024-08-08 Published:2024-01-20
Contact: Huo Wentao, Master candidate, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Wang Jianxin, MD, Doctoral supervisor, Professor, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region, No. NJZY22091 (to YZ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

椎间隙：上下两个相邻椎体之间的间隙。
弹性模量：是指材料在弹性变形阶段的轴向应力与轴向应变之比。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，在一定应力作用下发生弹性变形越小。

背景：近年来，针对腰椎间盘退变和椎间隙变窄所引起的腰部反复疼痛病症从国外引入了椎间隙注入骨水泥的治疗方法，但部分患者在治疗后出现椎体骨折的情况，原因可能是骨水泥弹性模量不佳。

目的：通过腰椎三维有限元模型分析椎间隙中注入不同弹性模量骨水泥对上下椎体表面最大应力的影响。
方法：招募1名脊柱正常志愿者获取CT数据，利用Mimics、Geomagic、SolidWorks、Ansys建立腰椎L2-L5有限元模型，随后建立L3-L4椎间隙注射不同剂量(1 mL与4 mL)骨水泥模型，每种剂量下赋予骨水泥4种弹性模量(1 000，2 000，4 000，8 000 MPa)，在L2椎体表面施加压力与弯矩，分析L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力。

结果与结论：①在骨水泥注入量相同的情况下，随着骨水泥弹性模量的增大，L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力增加，其中弹性模量1 000 MPa骨水泥对L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力影响最小，弹性模量8 000 MPa骨水泥对L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力影响最大，不同弹性模量骨水泥对整个腰椎活动度的影响较小；②结果说明，在满足治疗要求的情况下注入较低弹性模量的骨水泥可以降低术后骨折风险。

https://orcid.org/0009-0003-4343-4589(汪建新)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 经皮骨水泥椎间盘成形术, 腰椎, 骨水泥, 有限元, 应力, 弹性模量

Abstract: BACKGROUND: In recent years, the treatment method of injecting bone cement into the intervertebral space has been introduced from abroad for the treatment of lumbar recurrent pain caused by lumbar disc degeneration and intervertebral space narrowing; however, some patients had vertebral fractures after treatment; the fracture may occur because the bone cement injected into the intervertebral space has a poor elastic modulus.
OBJECTIVE: To analyze the effect of bone cement with different elastic moduli injected into the intervertebral space on the maximum stress of upper and lower vertebrae using a three-dimensional finite element model.
METHODS: A volunteer with normal spine was recruited to obtain CT data. The finite element model of L2-L5 lumbar spine was established using Mimics, Geomagic, SolidWorks, and Ansys. Subsequently, a L3-L4 intervertebral space injection model with different doses (1 mL and 4 mL) of bone cement was established. Four different elastic moduli (1 000, 2 000, 4 000, and 8 000 MPa) were assigned to bone cement at each dose. Pressure and bending moment were applied on the surface of the L2 vertebral body to analyze the stress on the lower surface of the L3 vertebral body and the upper surface of the L4 vertebral body.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the case of the same amount of bone cement injection, as the elastic modulus of bone cement increased, the stress on the lower surface of L3 vertebral body and the upper surface of L4 vertebral body increased. Among them, the bone cement with an elastic modulus of 1 000 MPa had the least effect on the lower surface of L3 vertebral body and the upper surface of L4 vertebral body. Bone cement with elastic modulus of 8 000 MPa had the greatest effect on the lower surface of L3 vertebral body and the upper surface of L4 vertebral body. Bone cement with different elastic moduli had little effect on the motion range of the whole lumbar spine. (2) The results indicate that injecting bone cement with lower elastic modulus while meeting treatment requirements can reduce the risk of postoperative fractures.

Key words: percutaneous cement discoplasty, lumbar vertebra, bone cement, finite element, stress, elastic modulus

中图分类号:

汪建新, 霍文涛, 于泽. 椎间隙注入不同弹性模量骨水泥对邻近上下椎体应力的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(22): 3548-3554.

Wang Jianxin, Huo Wentao, Yu Ze. Effect of bone cement with different elastic moduli injected into intervertebral space on stress of adjacent upper and lower vertebrae[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(22): 3548-3554.

图/表（结果） 11

2.1 注入1 mL不同弹性模量骨水泥后邻近上下椎体表面的应力变化实验建立了在椎间盘中间注入1 mL不同弹性模量骨水泥的有限元模型[23]，见图4。不同工况下各组模型腰椎活动度(侧弯为左弯和右弯的结果取平均值，扭转为左旋和右旋的结果取平均值)见表2，结果显示不同弹性模量骨水泥对整个腰椎活动度的影响较小。不同工况下各组模型L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力云图，见图5，6。不同工况下各组模型L3椎体下表面与L4椎体上表面的最大应力，见图7，表3。

随着骨水泥弹性模量的增大，L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力增加，其中弹性模量1 000 MPa骨水泥对L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力影响最小，弹性模量8 000 MPa骨水泥对L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力影响最大，相同工况下不同弹性模量骨水泥组间两两比较差异有显著性意义(P < 0.05)。
2.2 注入4 mL不同弹性模量骨水泥后邻近上下椎体表面的应力变化为避免数据的偶然性，同时又建立了在椎间盘中注入4 mL不同弹性模量骨水泥的腰椎有限元模型，也同样模拟人体主要的7种活动情况。不同工况下各组模型腰椎活动度(侧弯为左弯和右弯的结果取平均值，扭转为左旋和右旋的结果取平均值)见表4，结果显示不同弹性模量骨水泥对整个腰椎活动度的影响较小。不同工况下各组模型L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力云图，见图8，9。不同工况下各组模型L3椎体下表面与L4椎体上表面的最大应力，见图10，表5。

随着骨水泥弹性模量的增大，L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力增加，其中弹性模量1 000 MPa骨水泥对L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力影响最小，弹性模量8 000 MPa骨水泥对L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力影响最大，相同工况下不同弹性模量骨水泥组间两两比较差异有显著性意义(P < 0.05)。

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引言

近年来随着全球人口老龄化的不断加剧，以及人们生活方式的改变，下腰痛的发病率不断增加，目前全球已有数亿腰椎疼痛患者[1]，并且该病逐渐年轻化，给患者和医疗行业带来了巨大负担。腰椎疼痛的主要原因之一是腰椎间盘退变，腰椎间盘退变后小关节失稳和运动节段不稳定以及椎间隙狭窄会引起腰部反复疼痛。想要恢复椎间隙高度，常规手术治疗的时间长、出血量比较大，患者并不十分接受，并且这种手术对于老年患者并不友好。
随着医疗技术的发展，2015年VARGA等[2-3]提出经皮骨水泥椎间盘成形术，该技术采用微创方法显著缩短了手术时间和出血量，在椎间盘中注入骨水泥可以通过提高腰椎稳定性和增加椎间隙高度来缓解腰痛，临床中已取得不错的治疗效果，但是有部分患者在治疗后出现椎体骨折现象，分析原因可能是注入的骨水泥弹性模量不佳。骨水泥在骨科中已经获得大量应用，主要有聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥和磷酸钙骨水泥两种类型[4]。骨水泥作为一种医用填充材料具有一定的抗压和弯曲等能力[5]，在骨水泥中添加一些微量元素和金属化合物等物质可提高其性能[6-7]。
有限元分析法作为目前最为高效的方法之一被广泛应用于各个领域[8-9]。20世纪70年代有限元分析法在医学领域也得到应用[10]，自此有限元分析法正式进入脊柱领域。使用有限元分析法可以不受环境和实验材料的限制，减少对实体标本的依赖，缩短研究所用时间。此次研究通过计算机建立有限元模型，分析在腰椎间盘中注入不同弹性模量骨水泥对上下椎体应力的影响，对降低骨水泥注入后的骨折风险有重要意义。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计建立椎间隙中注入不同弹性模量骨水泥的腰椎有限元模型，进行有限元分析。
1.2 时间及地点实验于2023年4-7月在内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院完成。

1.3 材料根据实验要求获取1名脊柱正常男性志愿者的腰椎CT数据资料，志愿者对实验知情同意。该志愿者年龄60岁，无骨质疏松，身高170 cm，体质量75 kg。

对志愿者行CT平扫，扫描厚度为0.625 mm，获得 DICOM 格式的 CT 数据，刻入光盘中保存。

研究符合《赫尔辛基宣言》和内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院相关伦理要求，伦理审批号：2023021。

软件： Mimics 21为比利时Materialise公司开发的数字医学影像处理软件，Geomagic Wrap 2021为美国3D Systems公司开发的逆向工程软件，SolidWorks 2021为美国达索系统公司开发的三维计算机辅助设计(CAD)软件，Ansys Workbench 2019.2为美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件。
1.4 方法

1.4.1 建模方法将扫描的腰椎CT数据以DICOM的格式保存，将CT数据导入到Mimics 21.0软件中，根据人体不同组织差异性通过阈值变化提取出腰椎L2-L5节段，使用分割蒙版、编辑蒙版、擦除、填充等优化操作获得初步光滑的腰椎模型，见图1。将腰椎模型以stl格式导入到Geomagic Wrap 2021软件中进行椎体实体化和表面光滑、降噪、填充、构造格栅、拟合曲面片等处理形成皮质骨，在Geomagic Wrap 2021软件中将皮质骨模型缩小2 mm形成初步的松质骨模型，然后将模型实体化，使用光滑、降噪、填充、构造格栅、拟合曲面片操作形成符合仿真要求的松质骨模型。经过以上操作步骤可形成皮质骨和松质骨的三维实体模型。

分别将皮质骨和松质骨实体模型以stp格式导入到SolidWorks 2021软件中，在SolidWorks中将皮质骨模型和松质骨模型进行布尔操作，使得皮质骨模型和松质骨模型成为一个整体，然后在2个椎体之间根据椎间盘大小建立连接上下椎体的柱体，利用曲面分割形成椎间盘和终板(厚度0.5 mm)[11]，使用线分割区分髓核和纤维环，其中髓核、纤维环分别占腰椎间盘的46%和54%[12]。根据注入骨水泥的量(1 mL，4 mL)在L3-L4之间髓核上使用线分割区分骨水泥和髓核，在上下椎体关节突关节之间先建立连接2个关节突的柱体，再使用曲面分割形成关节软骨，使得模型更加接近实体。最后将生成的模型以x-t格式导入进Ansys Workbench 2019.2软件中，根据各组织的差异性添加材料，再添加椎体上的韧带，包括前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带、黄韧带，获得腰椎模型，最后添加压力和弯矩完成边界条件的设置。
1.4.2 建立腰椎有限元模型
腰椎模型的完善：将腰椎模型导入到Ansys workbench 19.2软件中进行生物力学分析，把在椎间盘中注入不同量骨水泥的腰椎模型从Solid Works导入后，将各独立实体设置成接触关系，皮质骨、松质骨、终板之间设置为绑定关系[13]，在仿真分析过程中不能发生位移变化，纤维环、髓核和终板之间设置为面面接触，上下关节突关节之间定义为面面接触，摩擦系数为0.1，上下关节和椎体之间设置为面面接触和绑定关系。椎体上的韧带(包括前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带、黄韧带)用非线性材料弹簧单元模拟。
网格划分：有限元模型网格的划分是分析工作中最为重要的步骤之一，网格的大小和疏密程度将影响结果的准确性，而且还需考虑计算机的算力和结果的收敛性，通过分析比较0.5，1，1.5 mm的网格误差均在5%-10%之间，结果与网格大小无关，而0.5 mm网格计算时间过长、时间成本过大，故选择1 mm网格，共841 718个节点、474 619个单元，经检验网格质量合格。

材料属性赋值：根据韧带所在部位赋予其合适的刚度系数，再对皮质骨、松质骨、软骨、纤维环、髓核、终板、骨水泥赋予材料属性，见表1[11，14-15] 。

边界条件的确定和施加：在L5椎体下表面设置固定约束，L2上表面施加压力和弯矩，然后模拟人体多种运动情况并分别添加不同的力和弯矩(前屈1 175 N+7.5 N•m，后伸500 N+10 N•m，左弯500 N+10 N•m，右弯500 N+10 N•m，左旋500 N+10 N•m，右旋500 N+10 N•m，站立1 000 N)[16]，获得腰椎有限元模型，见图2所示。施加 10 N•m纯扭矩载荷时，L4-L5椎体扭转角度前屈5.71°、后伸3.31°、侧弯(左右两侧取平均值)4.02°、扭转(左右两侧取平均值)2.12°，与先前文献研究结果基本一致[11，17]，均在2个文献范围之内，见图3所示，与过往文献研究结果也近似[18-22]，认为有限元模型有效。前屈为人体脊柱工况下活动度最大，而扭转工况下由于受小关节约束脊柱活动度最小。

1.5 主要观察指标各组模型L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力。
1.6 统计学分析使用SPSS 27.0统计学软件进行数据分析，不同弹性模量骨水泥注入后相同运动状态数据进行两两配对t检验，检验水准均设为α=0.05，即P < 0.05为差异有显著性意义。该文统计学方法已经内蒙古科技大学生物统计学专家审核。

讨论

对于老年患者，经皮骨水泥椎间盘成形术中骨水泥注入不当极易发生椎体骨折和变形，严重影响患者的康复效果和生活质量[24-25]，所以在椎间盘中注入合适弹性模量的骨水泥材料极为重要。通过模拟在人体椎间盘中注入1 mL和4 mL的4种不同弹性模量(1 000，2 000，4 000，8 000 MPa)的骨水泥[26]，分别对人体主要的几种活动状态进行分析，结果发现骨水泥弹性模量对腰椎活动度的影响很小[27]，对上下邻近椎体表面的应力影响较大(P < 0.05)，且随着骨水泥弹性模量的增加，上下邻近椎体表面的应力也在增加，呈现上升趋势，其中弹性模量1 000 MPa骨水泥对上下邻近椎体表面应力的影响最小，而弹性模量8 000 MPa骨水泥对上下邻近椎体表面应力的影响最大，应力越大后期越有可能发生骨折。通过应力云图可以了解到术后应力主要集中在骨水泥填充处，骨水泥材料相比髓核的弹性模量较大，没有强大的变形能力，不能把所承受的应力分散到周围组织。查阅过往文献发现，使用不同弹性模量的骨水泥存在差异(3 000 MPa和8 000 MPa)[22-23]，没有统一的标准，临床上使用也可能存在差异，这也可能导致部分患者出现术后椎体骨折现象。此次研究结果显示，在椎间盘中注入低弹性模量的骨水泥可以降低发生骨折的风险，为预防经皮骨水泥椎间盘成形术后椎体发生骨折提供新的方法和思路。
此次研究使用Mimics 21.0软件对腰椎CT影像数据进行重建，运用Geomagic Wrap 2021软件对模型进行平滑、光顺等优化操作，在SolidWorks 2021软件中对腰椎椎间盘部分进行重建可以显著提高模型重建效率；再将建立的模型通过Ansys workbench 19.2有限元软件进行材料赋值和边界条件设定，添加载荷和弯矩以模拟人体真实活动情况，使得结果更加真实有效。可以根据不同的研究内容建立不同的模型，例如，腰椎骨折、腰椎骨质疏松等病症，为医学研究提供治疗、预防等参考。此次研究所建立的腰椎有限元模型与实际腰椎高度符合，较接近实体。
微创手术后部分患者出现椎体骨折情况，发生这种并发症的原因可能是骨水泥材料及注入量选择不当。之前的研究很少从不同弹性模量骨水泥对邻近椎体的力学影响方面进行分析，缺乏一定的理论基础，分析不同弹性模量骨水泥对椎体的应力学影响具有重要意义。此次研究使用有限元分析方法为经皮骨水泥椎间盘成形术发展提供了新的研究思路，结果可为经皮骨水泥椎间盘成形术的临床应用提供参考。
此次研究所建立模型已尽可能地还原实体，但还是简化了许多，这也是目前有限元分析不可避免的缺陷，腰椎上的神经和肌肉组织等没有被考虑，会造成一定的误差，并且个体之间也存在一定的差异。经皮骨水泥椎间盘成形术可提供迅速的节段稳定效果和间接减压，但并不是所有人都适合经皮骨水泥椎间成形手术，比如：具有严重骨质疏松症的患者不适合立即进行手术，需要在手术前进行抗骨质疏松治疗[28]；腰椎本身就有严重的畸形，虽然经皮骨水泥椎间成形手术能矫正腰椎，但是矫正的幅度非常有限，并且严重畸形会显著增加骨水泥发生渗漏的概率；有肿瘤和活动性感染的患者绝对不可以进行经皮骨水泥椎间盘成形术；肥胖也会增加手术难度[29-31]。
骨水泥作为一种新型的医学填充物不仅需要研究其弹性模量对椎体的影响，骨水泥的抗菌活性、机械性能还有有残余毒性等方面也需要进行研究。研究人员尝试在骨水泥中添加一些抗生素来提高骨水泥的抗感染性[32-33]，例如LI等[34]通过在骨水泥中添加金属物质铜来提高抗菌性。为了提高骨水泥的机械性能，研究者在骨水泥中添加碳、硅和一些金属化合物，例如TECHENS等[30]在骨水泥中添加磷酸镁和羟基磷灰石钙来提高其机械性能。随着科学技术的发展，骨水泥的发展将会越来越适合人体，治疗效果也将越来越好。
此次研究只考虑骨水泥的弹性模量因素，骨水泥其他方面对椎间盘的影响依然存在。目前为止，对于经皮骨水泥椎间盘成形术手术造成不良影响的报道也很少，可能与经皮骨水泥椎间盘成形术发展时间短和手术患者样本少有一定的关系[35-37]。术后并发症往往是术前最难预料的，TIAN等[38]报道了1例骨水泥渗漏患者，但是未出现不良反应，还在持续观察中；CAMINO-WILLHUBER等[39-40]报道54例患者中术后有2例出现骨水泥渗漏到椎间孔中，1例出现椎间盘突出症状，1例出现局部感染情况，1例出现邻近椎体骨折的现象，还有1例虽然疼痛症状缓解但神经根症状没有明显的好转。关凯等[41]对1例老年轻度腰痛患者进行经皮骨水泥椎间盘成形术治疗，术后短期内疼痛感觉明显降低，但是2个月后腰痛症状逐渐增加，6个月后腰痛症状恢复到术前水平，作者认为经皮骨水泥椎间盘成形术短期疗效显著，长期疗效存在很大不确定性。KISS等[3]报道28例经皮骨水泥椎间盘成形术治疗患者术后6个月腰椎椎间孔减压的改善。
此次仿真研究可在一定程度上了解不同弹性模量骨水泥注入后对邻近椎体应力的影响，为临床治疗和下一步的实验研究提供实验数据和参考。经皮骨水泥椎间盘成形术目前处于初级探索阶段，还未完全成熟，但是它的手术优点依然非常明显，具有创伤小、恢复快等优点，对于没有基础疾病的患者是一个非常好的选择，相信经过大量实验研究和临床改进后该技术会更加成熟稳定[42]。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

椎间隙注入不同弹性模量骨水泥对邻近上下椎体应力的影响

Effect of bone cement with different elastic moduli injected into intervertebral space on stress of adjacent upper and lower vertebrae

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