短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能

doi:10.12307/2026.600

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (9): 2226-2235.doi: 10.12307/2026.600

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

短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能

陈龙1，2，王小阵1，席金涛1，鲁齐林1

1武汉中西医结合骨科医院(武汉体育学院附属医院)脊柱外科，湖北省武汉市 430070；2罗斯托克大学医学院，梅克伦堡-前波莫瑞州罗斯托克市，德国 18057

收稿日期:2024-12-23 接受日期:2025-02-26 出版日期:2026-03-28 发布日期:2025-09-05
通讯作者: 鲁齐林，博士，副主任医师，武汉中西医结合骨科医院(武汉体育学院附属医院)脊柱外科，湖北省武汉市 430070
作者简介:陈龙，男，1993年生，湖北省武汉市人，满族，2018年湖北中医药大学，硕士，主治医师，主要从事脊柱外科及骨质疏松症方向的研究。
基金资助:
湖北省自然科学基金(2023AFB645)，项目负责人：鲁齐林；2024年度武汉体育学院附属医院院级课题(WTFY202401)，项目负责人：陈龙

Biomechanical performance of short-segment screw fixation combined with expandable polyetheretherketone vertebral body replacement in osteoporotic vertebrae

Chen Long1, 2, Wang Xiaozhen1, Xi Jintao1, Lu Qilin1

1Department of Spine Surgery, Wuhan Integrated Traditional Chinese and Western Medicine Hospital (Affiliated Hospital of Wuhan Sports University), Wuhan 430070, Hubei Province, China; 2Medical School, University of Rostock, Mecklenburg-Vorpommern 18057, Germany

Received:2024-12-23 Accepted:2025-02-26 Online:2026-03-28 Published:2025-09-05
Contact: Lu Qilin, MD, Associate chief physician, Department of Spine Surgery, Wuhan Integrated Traditional Chinese and Western Medicine Hospital (Affiliated Hospital of Wuhan Sports University), Wuhan 430070, Hubei Province, China
About author:Chen Long, MS, Attending physician, Department of Spine Surgery, Wuhan Integrated Traditional Chinese and Western Medicine Hospital (Affiliated Hospital of Wuhan Sports University), Wuhan 430070, Hubei Province, China; Medical School, University of Rostock, Mecklenburg-Vorpommern 18057, Germany
Supported by:
Hubei Natural Science Foundation, No. 2023AFB645 (to LQL); 2024 Hospital-level Project Affiliated Hospital of Wuhan Sports University, No. WTFY202401 (to CL)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

椎体置换：病理性骨折、椎体严重塌陷或伴有神经病变可考虑椎体置换术，手术通过移除受损椎体，置入人工置换体，恢复椎体高度，重建脊柱稳定性。对于骨质疏松患者，置换体需具备良好的生物力学适配性，以减少应力遮挡和骨吸收风险。现代置换体多采用可扩张结构和骨整合优化设计，提高术后融合率，降低移位及翻修风险。此外，影像兼容性佳的材料有助于术后随访、确保长期疗效，是脊柱微创治疗的重要方向。
可扩张聚醚醚酮置换体：其弹性模量接近松质骨，可降低应力遮挡效应。可扩张聚醚醚酮置换体的可扩张设计可原位恢复椎体高度，减少塌陷，优化力学支撑，并降低术后并发症。表面改性(如羟基磷灰石涂层、3D打印微孔结构)可增强骨结合率，提高置入稳定性，减少移位风险。相比金属，聚醚醚酮影像透明性更佳，可减少伪影干扰，便于术后监测。其稳定性提升可减少翻修手术需求，降低医疗成本，提高骨质疏松患者的长期预后。

摘要
背景：椎体置换可以恢复脊柱前柱的稳定性并矫正畸形，但是传统的可扩张钛合金置换体的弹性模量较大、影像学存在伪影等，增加了邻近节段退变的风险。理论上，聚醚醚酮因具有类似于骨的密度、放射透光性及术中适应性，更适合骨质疏松患者，但仍缺乏足够的证据。
目的：应用有限元分析法探讨后路短节段置钉联合新型可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能。
方法：根据置钉方式及置换体材料的不同，建立4种T12椎体置换有限元模型：模型1，经伤椎的普通椎弓根螺钉联合可扩张钛笼(M1)；模型2，经伤椎的普通椎弓根螺钉联合聚醚醚酮置换体(M2)；模型3，跨伤椎的骨水泥强化螺钉联合聚醚醚酮置换体(M3)；模型4，经伤椎的骨水泥强化螺钉联合聚醚醚酮置换体(M4)。比较分析4组模型在相同边界条件下T11-L1节段的活动范围、内固定系统及邻近节段上下终板的von Mises最大应力。
结果与结论：①对比M1、M2组，M2组在4种运动状态下的活动范围值较M1组增加，但差异不明显；M2组置换体在4种运动状态下的最大应力值较M1组减小，而且对邻近节段上下终板的最大应力较M1组减小；②对比M2、M3、M4组，M4组固定节段最大活动范围值最低，而且M4组钉棒系统及置换体在4种运动状态下的最大应力值均最小；M3组椎弓根螺钉在4个运动方向的最大应力值明显最高；M4组邻近节段上下终板在4个方向的最大应力值最低，但3组之间无显著差异；③提示在骨质疏松椎体置换过程中，可扩张聚醚醚酮置换体的生物力学性能与可扩张钛合金-置换体类似，甚至在抗置换体压缩及抗下沉方面性能更好；后路短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮-置换体均能提供良好的稳定性，但是经伤椎骨水泥强化螺钉的生物力学性能最好，对内固定及上下终板的影响最小。

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: 有限元分析, 胸腰椎, 骨质疏松, 椎体置换, 聚醚醚酮, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Vertebral replacement can restore the stability of the anterior column of the spine and correct deformity, but the traditional expandable titanium alloy replacement has a large elastic modulus and imaging artifacts, which increases the risk of adjacent segment degeneration. In theory, polyetheretherketone is more suitable for osteoporotic patients because of its similar density to bone, radiolucency and intraoperative adaptability, but there is still a lack of sufficient evidence.
OBJECTIVE: To investigate the biomechanical performance of posterior short-segment screw fixation combined with a novel expandable polyetheretherketone vertebral body replacement in osteoporotic vertebrae using finite element analysis.
METHODS: Four finite element models of T12 vertebral body replacement were developed based on different screw fixation methods and vertebral body replacement materials. Model 1: Conventional pedicle screws through the fractured vertebra combined with an expandable titanium cage (M1). Model 2: Conventional pedicle screws through the fractured vertebra combined with a polyetheretherketone-vertebral body replacement (M2). Model 3: Cement-augmented pedicle screws across the fractured vertebra combined with a polyetheretherketone-vertebral body replacement (M3). Model 4: Cement-augmented pedicle screws through the fractured vertebra combined with a polyetheretherketone-vertebral body replacement (M4). The range of motion, maximum von Mises stress of the fixation system, and adjacent segment endplates in T11-L1 segments were compared among the four models under identical boundary conditions.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Comparing M1 and M2, the range of motion values of M2 under four motion states were higher than those of M1, but the differences were not significant. The maximum stress on the vertebral body replacement in M2 under the four motion states was reduced compared to M1. Additionally, M2 showed a decrease in the maximum stress on the adjacent segment endplates compared to M1. (2) Among M2, M3, and M4, the fixed segment’s maximum range of motion was lowest in M4. The maximum stresses on the screw-rod system and vertebral body replacement under the four motion states were also lowest in M4. The maximum stress on pedicle screws under four motion directions was significantly highest in M3. For the adjacent segment endplates, M4 had the lowest maximum stress across all directions. However, the differences among the three were not statistically significant. (3) In vertebral body replacement for osteoporotic vertebrae, the biomechanical performance of the expandable polyetheretherketone-vertebral body replacement is similar to that of the expandable expandable titanium cage and may perform better in reducing subsidence. Posterior short-segment screw fixation combined with the expandable polyetheretherketone-vertebral body replacement provides good stability, with cement-augmented pedicle screws through the fractured vertebra demonstrating the best biomechanical performance and the least impact on the fixation system and adjacent endplates.

Key words: finite element analysis, thoracolumbar spine, osteoporosis, vertebral body replacement, polyetheretherketone, biomechanics

中图分类号:

陈龙, 王小阵, 席金涛, 鲁齐林. 短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2226-2235.

Chen Long, Wang Xiaozhen, Xi Jintao, Lu Qilin. Biomechanical performance of short-segment screw fixation combined with expandable polyetheretherketone vertebral body replacement in osteoporotic vertebrae[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(9): 2226-2235.

图/表（结果） 4

2.1 完整模型有效性验证 为了评价正常完整椎体模型的有效性，对模型采用±7.5 Nm的转矩来模拟生理载荷下的力。在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转和右旋转6种载荷下，T12-L2节段的角位移分别为4.61°，4.13°，3.99°，3.47°，1.70°，1.89°，与既往在相同加载条件下T12-L2节段三维有限元分析和尸体生物力学实验中的角位移数据接近，与实际临床结果吻合。证实了此次研究建立有限元模型的有效性，见表2。

2.2 各模型T11-L1节段在4种运动状态下的ROM值 此次研究结果显示，4组模型术后T11-L1固定节段在4个运动状态下的ROM值较术前完整骨质疏松模型(5.17°，4.61°，3.63°，1.76°)均显著减小，说明4种内固定方式都能获得良好的初级稳定。M1组在4个运动状态下的ROM值(0.44°，0.23°，0.62°，0.83°)均小于M2组，分别降低了2.67%，10.36%，0.16%，2.92%，说明了M1组稳定性更高，尤其是后伸运动。比较M2、M3及M4组，M4组在前屈、后伸、左侧弯、左旋转4个运动方向的ROM值最小，分别为0.43°，0.18°，0.56°，0.78°；M3组在前屈状态下的ROM值最大，为0.46°，较M4组增加了7.26%；M2组在伸、左侧弯、左旋转状态下的ROM值最大，分别为0.25°，0.62°，0.86°，较M4组增加了37.91%，10.34%及9.31%。说明M2组的差异最明显，但相差不超过1°。具体见图3。

2.3 各模型在4种运动状态下内固定装置的应力情况 比较M1与M2组，M1组在4个运动状态下椎弓根螺钉(57.83，85.14，80.38，70.72 MPa)及连接棒(39.21，104.09，129.52，98.99 MPa)的最大应力值均较小，分别较M2组减少了(0.57%，1.17%，1.89%，2.24%)及(12.93%，2.19%，4.08%，2.96%)。但是，M1组置换体的最大应力值最大，在前屈、后伸、左侧弯、左旋转分别为29.60，29.17，29.31，27.29 MPa，较M2组分别增加了8.61%，13.53%，6.79%，6.36%。
在M2、M3、M4组中，M4组椎弓根螺钉的最大应力值在4个运动状态下均最小，分别为57.71，69.14，66.39，64.10 MPa。M3组椎弓根螺钉的最大应力值最大，较M4组分别增加了62.34%，33.06%，47.48%，50.21%；而M2组较M4组也分别增加了0.78%，24.58%，23.38%，12.80%。M3组椎弓根螺钉的最大应力值明显增加，预示着更高螺钉疲劳损伤的风险。而且椎弓根螺钉的最大应力值主要分布在进钉点与椎弓根螺钉的交界处，两端较中间螺钉承载了更多的应力。具体见图4。M4组连接棒的最大应力值在4个运动状态下最小，分别为37.35，102.28，127.54，94.99 MPa。M3组连接棒在前屈时的应力值最大(46.76 MPa)，较M4组增加了25.18%；M2组连接棒在后伸(106.37 MPa)、左侧弯(134.81 MPa)、左旋转(101.92 MPa)时的应力值最大，分别较M4组增加了4.00%，5.70%，7.30%。M4组置换体的最大应力值在4个运动状态下也最小，分别为26.66，25.38，27.09，24.82 MPa。M2组则最大，较M4组分别增加了2.22%，1.23%，1.33%，3.35%。3组之间差异不明显。具体见图5。

2.4 各模型在4种运动状态下T11下终板及L1上终板应力分布情况 比较M1与M2组，M1组T11下终板在前屈(15.14 MPa)、后伸(9.51 MPa)、左侧弯(15.87 MPa)、左旋转(11.82 MPa)时的应力值最大，较M2组分别增加了1.06%， 5.55%，0.28%，4.59%；同样，M1组L1上终板的最大应力值在4个运动状态下(14.19，5.70，14.52，10.33 MPa)也大于M2组，分别增加了3.18%，4.69%，4.60%，1.89%。说明M1组置换体对邻近节段终板的应力更大，发生种植体下沉的风险也会更高。
M2、M3、M4组之间比较时，M4组在4种运动状态下T11下终板的最大应力值(14.96，8.93，15.76，11.27 MPa)及L1上终板的最大应力值(13.74，5.43，13.86，10.04 MPa)均最小。M3组在4种运动状态下T11下终板及L1上终板的最大应力值均最大。其中，M3组T11下终板的最大应力值较M4组分别增加了0.17%，4.10%，0.51%，1.30%；而M3组L1上终板较M4组分别增加了0.34%，4.70%，0.25%，2.42%。说明M4组发生终板骨折、种植体下沉的风险最小，而M3组最大，但是3组差异并不显著。具体见图6。

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引言

骨质疏松症是一种全身代谢性骨病，是导致脆性骨折最常见病因。据统计，约有25%的绝经后女性及> 70岁男性经历了骨质疏松性椎体骨折[1]。尽管大多数患者可通过保守或微创治疗取得一定的疗效，但是13.5%-63%的患者最终出现后凸畸形进一步加重、迟发性脊髓压迫等并发症，不仅影响生活质量，还造成了巨大的医疗资源消耗[2-3]。因此，骨质疏松性椎体骨折的治疗目的不仅是缓解疼痛和恢复功能，矫正畸形、预防椎体进一步塌陷对于维持长期疗效也很重要。
椎体置换术的历史可以追溯到20世纪早期。骨折、肿瘤和感染会损害椎体的稳定性和完整性，并导致神经侵犯，是椎体置换术的主要适应证[4]。椎体置换术在重建椎体高度、恢复脊柱稳定性、实现脊髓减压及准确清除病灶方面具有重要作用。既往对不同手术入路、置换体材料、置换节段及种植体接触面积等研究较多，但多局限于正常椎体[5]。随着人口老龄化及生活方式的改变，骨质疏松症的发病率在不断升高[6]，需要接受椎体置换术的老年患者可能也会增加。因此，探索椎体置换术在骨质疏松性椎体骨折中的适用性及优化策略具有重要临床价值。2023年徐宝山等[7]提出，当骨质疏松椎体前中部高度不足原高度的1/3，且矢状面指数> 15°时，需要进行脊柱重建以恢复前中柱的负载能力。2024年，最新的诊疗指南也指出，对于合并椎体间失稳伴后凸畸形(Cobb角≤30°)的患者，前路支撑融合术是可行的治疗方案[8]。最近的一项临床研究也表明，腹侧重建联合背侧固定是一种安全的手术技术，即使对于高龄或骨质疏松症患者也不会增加额外的手术风险[9]。而且，随着胸腔镜或微创腹膜后入路的发展，前后联合入路在骨质疏松患者中的可行性及安全性也在提高[10]。
然而，骨质疏松症引起的脊柱生物力学变化，如骨密度下降、终板负载能力降低、螺钉拔出力减弱等，增加了内固定松动、置换体移位下沉等风险，延长固定节段、经伤椎置钉或骨水泥强化螺钉是增强内固定稳定性的常用方法[11]。目前，可扩张钛笼在稳定、融合和矫形方面取得了显著的效果，但是钛合金弹性模量较高，影像学上存在伪影。近年来，有学者比较了不同类型的置换体材料在正常椎体有限元模型中的生物力学特性，认为聚醚醚酮相较于可扩张钛笼可以提供相似甚至更好的生物力学稳定性[12]。随后，多项临床研究也证明可扩张聚醚醚酮置换体在非骨质疏松性肿瘤和创伤性疾病中是安全有效的，未发生与植入物相关的并发症[13-14]。然而，正常骨量椎体的有限元分析结果不一定适用于骨质疏松椎体[15]。理论上，可扩张聚醚醚酮置换体因其类似于骨的密度、放射透光性及术中适应性，更适合骨质疏松患者，但仍缺乏足够的证据。此次研究拟应用有限元分析法探讨不同后路短节段内固定联合新型可扩张聚醚醚酮置换体(DePuy/Synthes，Oberdorf，Switzerland)在骨质疏松椎体置换术中的生物力学性能，为临床提供实验理论基础。

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 三维有限元实验。
1.2 时间及地点 实验于2024年3-10月在武汉中西医结合骨科医院(武汉体育学院附属医院)脊柱外科二病区完成。
1.3 对象 选择成年男性志愿者1名，30岁，身高175 cm，体质量约67 kg，排除脊柱侧弯、强直性脊柱炎、骨髓炎等病理状态及甲状腺功能亢进、糖尿病等代谢性疾病。采用64层螺旋CT机(Siemens，Healthineers)对志愿者胸椎、腰椎进行连续扫描，以T12为中心，包括T10-L2主体，图片扫描层厚为0.625 mm，通过计算机影像系统(PACS，金马扬名)以DICOM格式导出并保存，用于有限元模型的制作。此次研究通过武汉中西医结合骨科医院医学伦理委员会审核(批号：672HEBC20241213-K78)，志愿者知情同意并签字。
1.4 实验方法
1.4.1 胸腰段有限元模型的建立将获得的Dicom格式的CT数据导入Mimics 21.0(比利时，Materialise公司)医用建模软件。通过Geomagic Warp 2021软件(美国，Raindrop公司)将T10-L2节段原始模型快速光顺。基于Solidworks 2017软件(法国，Dassault Systemes公司)进一步重建胸腰椎的三维实体模型，选择截面命令区分皮质骨和松质骨，画出髓核、纤维环、关节软骨和软骨终板的组织轮廓，将髓核模拟为不可压缩的液体样物质，纤维环与髓核的体积比设置为6∶4，皮质骨厚度设置为1 mm，终板设置为0.5 mm[16-17]。在Ansys Workbench 21.0(美国，ANSYS公司)通过Spring单元，模拟各韧带。最终组装得到完整的T10-L2节段三维有限元模型。通过对网格的类型和网格大小进行控制，调整网格大小为2 mm，网格划分方式设置为四面体。完整的T10-L2椎体模型节点数785 612、单元数460 036。
1.4.2 不同内固定及手术模型的建立此次研究选取骨质疏松性椎体骨折发病率较高的胸腰段(T12)作为研究对象。在Solidworks 2017(法国，Dassault Systemes公司)软件中切除T12椎体前中柱、软骨终板、相邻椎间盘以及椎体前缘的前纵韧带，保留了双侧椎弓根及后柱结构，模拟椎体次全切。后路短节段钛合金钉棒系统内固定参考既往研究[18]，T11、L1椎体长螺钉为5.5 mm×45 mm，T12椎体短螺钉为5.5 mm×25 mm，连接棒直径为6.0 mm，见图1A。既往研究证实，同体积的骨水泥呈圆柱状相较于球状的把持力及抗扭矩力更好[19]。而且，GUO等[20]也证明了当单侧骨水泥体积在1.5-2.5 mL时，对相邻节段退变无明显影响。由于此次研究的变量是内固定方式及置换体材料，因此对于骨水泥形态及分布均模拟理想状态，左右分别注入1.5 mL，且呈圆柱状均匀分布于螺钉前2/3，以减少其他因素的干扰。可扩张聚醚醚酮置换体的尺寸如图1B所示。其顶部端面呈斜坡结构，前缘厚度6.5 mm，后缘厚度2.0 mm；底部端面同样具有斜坡设计，前缘厚度8.5 mm，后缘厚度2.5 mm，有助于优化终板接触角度。上下两个端面呈直径30 mm×26 mm的类圆形结构。主体部分为直径18 mm的圆柱形，置换体高度可根据术中椎体高度进行伸缩调节，确保个性化适配。建立好各内固定模型后，进行组装。
此次研究共建立4个内固定有限元模型：模型1，经伤椎的椎弓根螺钉联合可扩张钛笼(M1)；模型2，经伤椎的椎弓根螺钉联合聚醚醚酮置换体(M2)；模型3，跨伤椎的骨水泥强化螺钉联合聚醚醚酮置换体(M3)；模型4，经伤椎的骨水泥强化螺钉联合聚醚醚酮置换体(M4)。见图2。

1.4.3 材料参数的设置将所有的几何模型导入Ansys Workbench 21.0(美国，ANSYS公司)中进行有限元分析。参照文献[21-22]，设置模型各材料属性参数及接触类型。验证正常模型有效性后，根据POLIKEIT等[23]提出的方法，更改部分参数来模拟骨质疏松状态。与正常骨质结构相比，松质骨的弹性模量减少了67%，皮质骨、骨终板和后部元素的弹性模量减少了33%。具体材料参数见表1。

1.4.4 力学加载及边界条件设定考虑到骨质疏松椎体椎弓根螺钉的把持力不足，遂将椎弓根螺钉与椎体之间设定为滑动界面，摩擦系数为0.8[24]。椎弓根螺钉与骨水泥、连接棒之间设为捆绑状态，骨水泥与椎体之间也为捆绑状态。置换体与椎体之间为摩擦接触，摩擦系数为0.8[25]。将T10-L2节段的L2椎体下表面设定为固定支撑，保证其在后续实验中保持固定不动的状态。参考ZHANG等[26]、WU等[27]的力学加载方法，将垂直向下的500 N压力负荷和±7.5 Nm力矩应用于T10的上终板和关节面，使之具有可比性。
1.5 主要观察指标 ①各模型T11-L1节段在前屈、后伸、左侧弯、左旋转运动状态下的活动范围(range of motion，ROM)值；②内固定系统的最大von Mises应力及分布；③T11下终板及L1上终板最大von Mises应力及分布。

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讨论

无记忆低能量损伤及跌倒、撞击等高能量意外伤都会导致骨质疏松性椎体骨折，而且随着人口老龄化及抗骨质疏松理念的匮乏，其发病率及严重程度均呈上升趋势。据统计约90%的骨质疏松性椎体骨折发生在胸腰段区域，其中不稳定骨折占21%-58%，对脊柱稳定性及功能影响显著[31]。2018年，德国骨科创伤协会根据临床特点提出了骨质疏松椎体骨折(osteoporotic fracture，OF)分型，并被广泛认可[32]，其中OF4型及OF5型骨折由于椎体的稳定性和完整性严重受损，常伴有后凸畸形和神经压迫，建议手术治疗。对于骨质疏松椎体不稳定骨折伴有明显后凸畸形的患者，脊柱轴向载荷前移，前柱压力增加，骨小梁微骨折，延缓了椎体愈合，导致椎体塌陷进行性加重，甚至脊髓损伤[33]。因此，三柱负载均衡是防止再塌陷、促进稳定愈合的关键。若无法提供良好的稳定性与复位，后期可能出现顽固性腰背痛及椎体再损伤[34]。2022年一项多中心临床研究表明，骨折严重程度与较高的手术率和侵袭性显著相关[35]。2023年一项针对OF4型骨折的多中心前瞻性队列研究结果显示，后路采用短节段固定约占51%，360°固定是主要的手术方式[36]。椎体置换术在重建脊柱稳定性、纠正后凸畸形、神经减压及病理组织切除等方面具有明显优势，适用于脊柱稳定性严重受损或畸形的病例。然而，目前常用的手术入路和椎体置换材料各有优缺点，这必须加以权衡，而且在骨质疏松患者中的相关研究较少。如何减少术后并发症(如螺钉松动、置换体下沉、移位)，在很大程度上也取决于患者骨密度、置钉技术、手术特征和内固定的生物力学特性。
既往研究表明，可扩张聚醚醚酮置换体及可扩张钛笼在正常骨量椎体中，各个运动平面上的稳定性无显著差异[37]。随后，SIRCAR等[38]通过尸体标本测试了可扩张钛笼在骨质疏松椎体中的抗扭转及下沉情况，认为可扩张钛笼是一种安全的方法。基于此，此次研究比较了两种置换体材料在骨质疏松椎体中的生物力学特性，重点分析它们对脊柱稳定性、固定系统应力及终板负荷的影响。此次研究结果显示，在相同的后路内固定条件下，M1组(可扩张钛笼)在4个运动方向的ROM值均小于M2组(聚醚醚酮置换体)，说明可扩张钛笼具有更强的支撑能力，这可能与钛合金的弹性模量(110 GPa)远高于聚醚醚酮(3 GPa)有关。但是，M1组ROM值在各运动方向较M2组分别降低了2.67%，10.36%，0.16%，2.92%，两组差异不大，表明可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中可以提供类似的稳定性。在钉棒系统的应力分析中，M2组在各个运动方向承受的最大应力值较M1组增大，但最大涨幅不超过13%，这种差异可能源于置换体的支撑强度不同。由于前中柱承担了2/3的轴向载荷，因此前中柱有效的支撑可以减少后路内固定的剪切力。既往研究也证实了，当前柱支撑良好时，可以降低内固定器械失效的风险[39]。
但是M2组置换体的最大应力值以及对邻近节段上下终板的最大应力值均较M1组减小，说明了可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中具有更小的压缩变形、终板骨折及置换体下沉的风险。而且，置换体承担了更多的应力分布，可能会改变骨融合所需的力学环境，影响椎间融合。因此，可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松患者中也是一种安全可靠的置入选择。
除了需要考虑置换体材料的选择，后路内固定方式同样影响着术后稳定性和并发症。目前，骨水泥强化螺钉和增加置钉数量是减少内固定失效的常用手段。既往研究也证实，单侧椎弓根螺钉注射骨水泥的安全体积为1.5-2.5 mL[20]。虽然椎弓根螺钉骨水泥渗漏的发生率高达90%，但是大多数不会造成严重影响，术中仍需谨慎操作[40]。延长固定固然有效，但限制了部分生理功能，增加了邻近节段退变的风险。而且，WU等[27]学者的有限元结果显示，即使对严重压缩的椎体爆裂性骨折行单纯后路长节段固定，在椎体塌陷方面也是明显高于360°固定组。随后的相关研究也证实了经伤椎置钉不仅可以提高内固定在骨质疏松性椎体骨折中的稳定程度，还能保留脊柱活动[29，41]。因而，此次研究还比较了3种不同短节段后路内固定联合可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松性椎体骨折中的生物力学特性。
此次研究结果显示，M2组、M3组、M4组在4种运动方向的ROM值均小于完整脊柱，说明了3种短节段内固定方式可以提供良好的初级稳定性，这也得益于前柱良好的支撑；其中M4组ROM值最小，M3组在前屈状态下的ROM值最大，而M2组在后伸、左侧弯、左旋转方向的ROM值最大；3组中M2组的差异相对较大，但是也不超过1°，说明骨水泥强化螺钉在提高短节段前后联合固定稳定性方面优于经伤椎置钉的普通螺钉，这可能与骨水泥强化螺钉的拔出力比普通螺钉提高了150%-250%有关[42]。
3组钉棒系统内固定在4个运动方向的最大应力值远小于Ti-6Al-4V(310-610 MPa)的疲劳强度[43]，再次验证了3种短节段固定方式的生物力学可行性，但是组间也存在着差异。M3组椎弓根螺钉在4个运动方向的最大应力值最大，较M4组分别增加了62.34%，33.06%，47.48%，50.21%；M2组次之，较M4组分别增加了0.78%，24.58%，23.38%，12.80%。说明跨伤椎的骨水泥强化螺钉虽然能提供较好的稳定性，但是也承担了更多的螺钉应力。经伤椎置钉包含了更多的负重接触区域，避免应力过于集中，可以降低内固定失败的风险。这一结果与LIMTHONGKUL等[44]的研究相似，即合理的经伤椎固定策略可优化内固定的长期稳定性。而且通过螺钉的应力云图可知，中间螺钉的应力分布更加均匀，两端螺钉的最大应力主要集中在螺钉-椎弓根界面(进钉点处)，且远端大于近端。说明进钉点附近出现微骨折、螺钉松动的风险更大，因此术中建议优化螺钉直径及通道设计，避免反复改变钉道；条件允许的前提下，经伤椎置钉可以提高内固定的生物力学性能。
此次研究结果还表明，由于后路钉棒系统承受了主要负载，在所有活动中施加在置换体上的应力相对较低，说明后路固定的稳定性也影响着前柱置换体的生物力学性能。M2组置换体在4个运动方向的最大应力值最高，而M4组最小。说明了大部分的负荷被背侧器械所吸收，当增强后路内固定的稳定性，可以降低种植体的负荷。而且，此次研究所有置换体的最大应力值均在24-29 MPa，远低于聚醚醚酮材料(70-100 MPa)的疲劳强度[45]，进一步验证了可扩张聚醚醚酮置换体在生理负载下的安全性。虽然3组置换体所承担的应力值差异不大，但是考虑到此次研究采用的是组合式可扩张置换体，它所承载的应力值越小，发生形变或失效的风险就越低。
此外，骨质疏松椎体终板结构较正常椎体脆弱，因此置换体与邻近终板接触面的应力大小也是手术成功的关键。在使用相同聚醚醚酮置换体时，各组模型T11下终板及L1上终板在4个方向的最大应力值都不超过16 MPa，也低于骨质疏松椎体皮质骨的强度。虽然，M3组终板的应力最大，M4组的最小，但是3组差异也不明显，说明3种固定方式在维持终板受力稳定性方面均具有一定的可行性。一方面得益于，聚醚醚酮材料弹性模量较低，更接近椎间盘的弹性特性，可以更均匀地分散与终板接触面的载荷；另一方面，也说明了3种短节段前后联合固定系统可以减少微动，避免终板过载，降低邻近节段退变风险。因此，术中保留终板完整性以及后路提供坚强的固定对于降低置换体下沉至关重要。
此次研究仍存在一定的局限性：①有限元分析是通过显示趋势来判断各组之间的关系，而不是实际数据的表示。而且由于有限元分析依赖于理想化假设(如均匀材料、线性弹性、强化螺钉中骨水泥的体积分布、椎体复位高度等)，研究结果可能与真实生物系统存在一定偏差。②由于缺乏统一的建模标准，此次研究基于文献数据设定了固定的骨质疏松椎体材料属性，如骨组织材料、边界条件设置等，但未采用基于CT-HU转换的个体化建模，导致此次研究的有限元模型可能与实际临床生物力学情况存在误差，而且模型的加载条件可能因不同性别、年龄、体质量指数产生个体差异。但需要强调的是，此次研究的对比分析基于相同的假设条件，因此不同组之间的相对差异仍具有可比性。③目前的有限元模型仅考虑了骨骼、椎间盘和韧带，而未纳入肌肉系统，脊柱肌肉(如竖脊肌、腰方肌、腰大肌)在维持脊柱稳定性和分散负荷方面起着关键作用，其作用的缺失可能导致ROM值偏高或应力分布偏差。④有限元模型分析的是瞬时力学特性，未考虑长期力学适应性。只能通过应力最大值及应力分布来预测动态运动过程中的疲劳损伤风险。⑤由于椎弓根大小具有个体差异，此次研究拟定的椎弓根直径及长度参考了既往文献及临床常用尺寸，但是不同的螺钉型号可能也会对结果产生影响。⑥此次研究中选用的置换体是可扩展装置，通过锁定系统予以固定。但置换体模型简化为一体化固定，未考虑锁定系统的松动，可能与实际临床结果有偏差。这些都是未来应深入研究的方向。
综上所述，可扩张的聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体置换术中的生物力学性能与可扩张钛笼类似，甚至在抗置换体压缩及抗下沉方面更具优势。后路短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮置换体均能提供良好的稳定性，且内固定系统在不同运动状态下的最大应力值也远低于材料的疲劳强度，对邻近上下终板的影响没有显著差异，表明其在骨质疏松患者中的安全性和可行性。然而，此次研究也发现，经伤椎置钉联合骨水泥强化是提高结构稳定性和螺钉把持力、降低内固定应力的最有效途径，可优先考虑。但需要注意的是，跨伤椎的骨水泥强化螺钉应力负荷最高，会增加内固定失效的风险。经伤椎置钉的普通螺钉虽然在稳定性方面略逊于骨水泥强化方案，但是生物力学性能较跨伤椎的骨水泥强化螺钉更好，在某些情况下可作为替代方案。因此，置钉方案的选择应结合患者个体情况，权衡固定稳定性与螺钉生物力学负荷的关系。尽管此次研究为骨质疏松椎体置换术的固定方式提供了生物力学证据，但未来可以结合肌肉动力学数据(如核磁共振、肌电图)、体外生物力学实验及术后随访研究，进一步优化聚醚醚酮置换体固定方案及置换体撑开高度，以提高临床疗效和长期稳定性。

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短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能

Biomechanical performance of short-segment screw fixation combined with expandable polyetheretherketone vertebral body replacement in osteoporotic vertebrae

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