低弹性模量骨水泥对骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的影响：三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.16.001

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (16): 2285-2293.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.16.001

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低弹性模量骨水泥对骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的影响：三维有限元分析

包拥政¹，祝周兴²，冯云升³，吴强¹，胡孔和¹，何小龙¹，朱文刚¹，席新华¹，钟学仁¹，周龙泽¹，廖军健¹，戴相恒¹

1汕头大学医学院附属粤北人民医院骨科四区，广东省韶关市 512026，2广东韶关乐昌市人民医院骨科，广东省韶关市 512200，3广东韶关南雄市中医院，广东省韶关市 512400

收稿日期:2016-02-12 出版日期:2016-04-15 发布日期:2016-04-15
作者简介:包拥政，男，1985年生，广东省韶关市人，汉族，南方医科大学在读博士，主治医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
2013年韶关市医药卫生科研计划项目(Y13175)

Effect of bone cement with a low elastic modulus on the fractured and adjacent vertebrae in patients with osteoporotic vertebral compression fractures: a three-dimensional finite analysis

Bao Yong-zheng¹, Zhu Zhou-xing², Feng Yun-sheng³, Wu Qiang¹, Hu Kong-he¹, He Xiao-long¹, Zhu Wen-gang¹, Xi Xin-hua¹, Zhong Xue-ren¹, Zhou Long-ze¹, Liao Jun-jian¹, Dai Xiang-heng¹

1Department of Orthopedics, Yue Bei People’s Hospital, Shantou University Medical School, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China; 2Department of Orthopedics, Lechang City People’s Hospital, Shaoguan 512200, Guangdong Province, China; 3Nanxiong Hospital of Traditional Chinese Medicine, Shaoguan 512400, Guangdong Province, China

Received:2016-02-12 Online:2016-04-15 Published:2016-04-15
About author:Bao Yong-zheng, Studying for doctorate, Attending physician, Department of Orthopedics, Yue Bei People’s Hospital, Shantou University Medical School, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China
Supported by:
the Shaoguan Medical and Health Research Project, No. Y13175

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

弹性模量：指材料在弹性变形阶段内正应力和对应的正应变的比值。骨水泥的弹性模量明显大于骨质疏松的骨皮质及松质骨，注入骨水泥后使椎体的刚度及强度明显增加，进而可能导致再发骨折。

低弹性模量骨水泥：降低骨水泥弹性模量能是减少修复后引起骨折椎体及邻近椎体应力变化而发生骨折的一种方法。临床常用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥可通过加入某些物质降低凝固后的弹性模量，但目前尚未发现较为理想的物质或本身较低弹性模量的骨水泥。

背景：椎体成形及椎体后凸成形可有效修复骨质疏松性椎体压缩性骨折，但注入骨水泥强化后可使骨折椎体及邻近椎体应力改变易导致新发骨折。

目的：应用三维有限元法分析不同弹性模量骨水泥注射椎体成形后骨折椎体及邻近椎体的应力变化。

方法：选取1个有代表性的健康成年男性志愿者行腰椎CT扫描，将图像处理后导出应用Mimics进行三维重建，应用Geomagic对三维模型进行光滑、打磨、去噪，Ansys Workbench下装配实体模型，赋值后建立L₂-L₄段骨质疏松椎体压缩性骨折模型。设定在L₃椎体注入4 mL弹性模量分别为8 000，4 000，2 000及1 000 MPa的骨水泥，骨水泥在椎体中央呈球形分布。在L₂上表面施加500 N预载荷，附加弯矩为50 N?m，约束L₄下表面自由度。模拟L₂-L₄前屈、后伸、右屈及右侧轴向旋转4种运动状态，比较不同弹性模量骨水泥注射前后骨折椎体及上下邻近椎体的应力变化。

结果与结论：骨水泥注射后骨折椎体及邻近椎体应力均较治疗前明显增加，随骨水泥弹性模量的增加骨折椎体应力也随之增大，而邻近椎体应力无明显变化。提示降低骨水泥弹性模量可能是减少椎体成形后因骨折椎体及邻近椎体应力变化而发生骨折的一种方法。

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
ORCID: 0000-0001-9380-5438(包拥政)

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 骨质疏松椎体压缩性骨折, 椎体成形术, 骨水泥, 弹性模量, 骨折椎体, 邻近椎体, 生物力学, 三维有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Vertebroplasty and kyphoplasty can effectively repair osteoporotic vertebral compression fractures, but bone cement injection can cause the change of stress in the fractured vertebrae and adjacent vertebrae after surgery, leading to new fractures.
OBJECTIVE: To analyze the stress changes of the fractured vertebrae and adjacent vertebrae after vertebroplasty with different elastic modulus bone cement by a three-dimensional finite element method.
METHODS: One healthy adult male volunteer was selected for lumbar spine CT scan. The acquired images were imported for three-dimensional reconstruction using Mimics. The three-dimensional model was smoothed, polished and denoised by Geomagic software, and then the solid mode was built under Workbench Ansys. An osteoporotic vertebral compression fracture model in L₂_-₄ segments was established after assignment. Bone cement (4 mL) with different elastic moduli (8 000, 4 000, 2 000 and 1 000 MPa) injected into the L₃ segment distributed in the middle of the vertebrae as spherical shape. 500 N pre-load was applied on the L₂ surface with an additional bending moment of 50 N•m. The lower surface free degree of L₄ was restrained. The L₂_-₄ forward flexion, posterior extension, right flexion and axial rotation on the right side were stimulated. The stress changes of the fractured vertebrae and the upper and lower adjacent vertebrae before and after bone cement injection with different elastic moduli were compared.
RESULTS AND CONCLUSION: The stress of the fractured vertebrae and adjacent vertebrae were significantly increased compared with that before operation. With the increase of elastic modulus, the stress of the fractured vertebrae increased, but there were no changes in the stress of adjacent vertebrae. These findings indicate that the elastic modulus of bone cement may be a method to reduce new fractures of the fractured and adjacent vertebrae after bone cement injection.
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

Key words: Spinal Fractures, Osteoporotic Fractures, Vertebroplasty, Biomechanics, Tissue Engineering

包拥政，祝周兴，冯云升，吴强，胡孔和，何小龙，朱文刚，席新华，钟学仁，周龙泽，廖军健，戴相恒. 低弹性模量骨水泥对骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的影响：三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(16): 2285-2293.

Bao Yong-zheng, Zhu Zhou-xing, Feng Yun-sheng, Wu Qiang, Hu Kong-he, He Xiao-long, Zhu Wen-gang, Xi Xin-hua, Zhong Xue-ren, Zhou Long-ze, Liao Jun-jian, Dai Xiang-heng . Effect of bone cement with a low elastic modulus on the fractured and adjacent vertebrae in patients with osteoporotic vertebral compression fractures: a three-dimensional finite analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(16): 2285-2293.

图/表（结果） 6

2.1 模型生成结果组装生成的L₂-L₄腰椎骨质疏松椎体压缩性骨折模型见图1，椎体成形后骨水泥分布示意图见图2(骨水泥体积为4 mL)。

2.2 治疗前及不同弹性模量骨水泥注射后骨折椎体及邻近椎体应力变化见表2。

2.2.1 治疗前及不同弹性模量骨水泥注射后L₂应力见图3。

治疗前：最大前屈应力0.747 MPa，最大后伸应力0.714 MPa，最大右屈应力0.817 MPa，最大右旋应力0.600 MPa。

正常性模量组(8 000 MPa)：最大前屈应力3.442 MPa，最大后伸应力3.632 MPa，最大右屈应力2.329 MPa，最大右旋应力3.836 MPa。

低弹性模量组1(4 000 MPa)：最大前屈应力3.443 MPa，最大后伸应力3.633 MPa，最大右屈应力2.329 MPa，最大右旋应力3.834 MPa。

低弹性模量组2(2 000 MPa)：最大前屈应力3.443 MPa，最大后伸应力3.634 MPa，最大右屈应力2.329 MPa，最大右旋应力3.832 MPa。

低弹性模量组3(1 000 MPa)：最大前屈应力3.444 MPa，最大后伸应力3.636 MPa，最大右屈应力2.329 MPa，最大右旋应力3.828 MPa。

2.2.2 治疗前及不同弹性模量骨水泥注射后L₃应力见图4。

治疗前：最大前屈应力0.364 MPa，最大后伸应力0.262 MPa，最大右屈应力0.636 MPa，最大右旋应力0.918 MPa。

正常性模量组(8 000 MPa)：最大前屈应力3.167 MPa，最大后伸应力3.790 MPa，最大右屈应力1.796 MPa，最大右旋应力8.226 MPa。

低弹性模量组1(4 000 MPa)：最大前屈应力2.163 MPa，最大后伸应力2.628 MPa，最大右屈应力2.974 MPa，最大右旋应力5.942 MPa。

低弹性模量组2(2 000 MPa)：最大前屈应力1.379 MPa，最大后伸应力1.639 MPa，最大右屈应力2.410 MPa，最大右旋应力4.042 MPa。

低弹性模量组3(1 000 MPa)：最大前屈应力0.792 MPa，最大后伸应力1.032 MPa，最大右屈应力1.638 MPa，最大右旋应力2.526 MPa。

2.2.3 治疗前及不同弹性模量骨水泥注射后L₄应力见图5。

治疗前：最大前屈应力0.326 MPa，最大后伸应力0.344 MPa，最大右屈应力0.416 MPa，最大右旋应力0.909 MPa。

正常性模量组(8 000 MPa)：最大前屈应力4.862 MPa，最大后伸应力5.722 MPa，最大右屈应力3.512 MPa，最大右旋应力3.619 MPa。

低弹性模量组1(4 000 MPa)：最大前屈应力4.861 MPa，最大后伸应力5.722 MPa，最大右屈应力3.512 MPa，最大右旋应力3.620 MPa。

低弹性模量组2(2 000 MPa)：最大前屈应力4.860 MPa，最大后伸应力5.722 MPa，最大右屈应力3.520 MPa，最大右旋应力3.622 MPa。

低弹性模量组3(1 000 MPa)：最大前屈应力4.860 MPa，最大后伸应力5.723 MPa，最大右屈应力3.527 MPa，最大右旋应力3.624 MPa。

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引言

材料方法

1.1 设计计算机模拟试验。

1.2 时间及地点于2015年5至10月在粤北人民医院骨科完成。

1.3 材料

CT机：General Electrics 64层螺旋CT机。

计算机工作站：Intel Core i7 2600 四核3.4 GHz，16 G DDR3内存，1 G GDDR5 显存，1 T硬盘，操作系统Windows 7 Home Premium(64bit)。

医学图像处理软件：Mimics 10.01(医学三维重建软件，比利时Materialise公司)，Geomagic 12(逆向工程软件，美国Geomagic公司)，Ansys Workbench 14.0(通用有限元计算软件，美国Ansys公司)。

1.4 对象志愿者1名，男，33岁，身高174 cm，体质量75 kg，无先天性、后天性脊柱畸形；无脊柱肿瘤、结核、腰椎间盘突出、骨质增生等疾病；无腰椎手术史，志愿者对试验方案知情同意。排除骨质疏松者。

1.5 方法

螺旋CT扫描：采用General 64层螺旋CT对已经选定的对象进行腰椎螺旋扫描及断层图像处理，扫描参数：层厚0.625 mm，球管电流200 mA、电压120 kV。扫描时志愿者采取仰卧位静止不动，保持扫描断面与身体长轴垂直。

CT图像处理及保存：在CT工作站中调整图灰度、增加对比度，对图像观察细节进行处理，得到清晰的骨窗断层图像，保存为Dicom格式刻录光盘保保存。

CT图像处理及腰段三维图像的重建：将Dicom格式的图像数据导入三维重建软件Mimics。在Mimics中逐层分割提取已选取的CT图像，去除骨骼周围软组织图像，把腰椎L₂-L₄段从背景中分割。得到处理后每一个断层的CT图像，然后重建出腰段的三维图像，对其进行Mask蒙皮处理之后，以STL格式文件导出。

腰段椎体三维实体模型的建立和光滑处理：将前面得到的STL文件读入Geomagic软件，对三维模型进行光滑、打磨、去噪等一系列图像处理，生成三维图形IGES文件格式。

Workbench前处理：得到的IGES格式文件导入到Workbench中进行布尔运算操作，得到皮质骨、松质骨、后部结构、纤维环、髓核等组织结构。

网格划分：将装配好的实体模型，赋好材料参数(表1)，设置好接触，然后进行合适的单元设定及划分网格，单元尺寸2.0-3.0 mm，韧带单元采用杆单元(Link10)，设定其为只受拉不受压，其余部件均采用Solid 187实体单元。

接触设置：由于各部件之间不会发生分离，故接触均设置为绑定。

模拟运算：设定在L₃为骨折椎体，注入4 mL弹性模量分别为8 000，4 000，2 000及1 000 MPa的骨水泥，分为设为正常弹性模量组及低弹性模量组1，2，3，骨水泥在椎体中央呈球形分布。在L₂上表面施加500 N预载荷，附加弯矩为50 N·m，约束L₄下表面自由度。模拟前屈、后伸、右屈及右轴向旋转(因左右对称，为减少运算量，本研究仅模拟右屈、右旋状态)4个方向L₂-L₄椎体应力变化情况。

1.6 主要观察指标观察三维有限元模型中骨折椎体及邻近椎体在椎体成形注射不同弹性模量骨水泥前后各运动状态下的应力变化。

1.7 统计学分析采用SPSS 18.0统计软件进行数据分析，对各组数据行正态性检测，然后对治疗前与不同弹性模量骨水泥注射后相同运动状态数据行配对t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

自2002年经皮椎体成形术引进国内治疗骨质疏松椎体压缩性骨折以来，目前已广泛应用于治疗畸形不严重及无脊髓、神经受压症状的骨质疏松椎体压缩性骨折。与卧床保守治疗相比具有见效快、卧床时间短等优点，与椎弓根螺钉内固定手术相比具有创伤小、并发症少等优点，减轻了患者痛苦及减少了卧床相关并发症。虽然目前研究也尚未明确是否为椎体成形术的应力改变是否会引起再骨折还只是骨质疏松自然病程一部分。但有学者随访发现部分患者术后易再出现再骨折与多种因素相关^[4-10]，且椎体成形术后再骨折时间明显较保守治疗组节段再骨折时间短^[11-12]，Tanigawa等^[13]对194例患者随访发现椎体成形术后大约有1/3患者会发生再骨折，其中约2/3发生在邻近椎体。黄天霁等^[14]对148例因为单节段椎体压缩骨折行椎体成形术或椎体后凸成形术的患者进行平均34.4个月的随访，其中再发椎体骨折29例(共42个椎体)，邻近椎体骨折占55.17%，非邻近椎体骨折占44.83%。Chen等^[15]对1 800例患者共1 820个骨折椎体进行长达2年的随访，发现共有10例骨折椎体行椎体成形术后出现再骨折，均位于胸腰段，过于恢复高度以及填充的骨水泥呈块板分布是再骨折的原因。侯文根等^[16]对180例患者行椎体后凸成形术后通过X射线计算骨水泥体积分数，发现单节段骨质疏松性椎体压缩性骨折行椎体后凸成形术患者中邻近椎体骨折发生率及骨水泥渗透率随骨水泥分数的增加而增加。

弹性模量是指材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。骨水泥的弹性模量明显大于骨质疏松的骨皮质及松质骨，注入骨水泥后使椎体的刚度及强度明显增加，进而可能导致再发骨折。目前三维有限元分析已广泛应用于骨质疏松椎体压缩性骨折的研究^[17-27]。Wilcox^[28]通过三维有限元分析对L₂-L₃脊柱单位注入不等量的骨水泥，发现邻近节段再骨折的风险与注入骨水泥的量成正比。Yan等^[29]建立有限元模型，按注入骨水泥量占椎体容积分为两组(8.6%-11.4%，13.1%-22.8%)。结果椎体的强度和刚度随着骨水泥量的增加而增加，且强度的增加较刚度增加明显。有限元法模拟研究发现，椎体成形术后终板下的骨水泥具有相当于垂直柱的作用，由此减少了椎体终板的生理凹陷，邻近椎体终板向内凸约17%，使上下终板向外变形，髓核内压力升高(19%)，增加相邻椎体的应力，易导致相邻椎体骨折^[30-31]。贾小林等^[32]对191例单椎体骨折行椎体后凸成形术的患者进行回顾性分析，发现局部后凸角度、椎体压缩程度和术后骨折高度恢复情况是相邻及间隔椎体继发骨折的共同危险因素，低体质量指数和骨水泥椎间隙的渗漏是邻近椎体的单独危险因素。更但也有学者研究得出相反的结论，王涛等^[33]对1例L₂椎体骨质疏松性骨折行椎体后凸成形术治疗并随访1年半的1例患者，根据治疗前后患者的腰椎CT资料，构建椎体生物力学的有限元模型，对第L₁-L₃椎体在前后屈曲、左右侧屈及旋转状态下进行应力载荷实验，观察L₂及邻近L₁、L₃椎体终板、椎体骨小梁、椎体骨水泥所承受的应力改变情况。研究发现术后L₂椎体终板、椎体骨水泥在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈状态下的应力值均高于术前(P < 0.05)，椎体后凸成形术前后椎体骨小梁各种运动状态下的应力值差异无显著性意义，L₁、L₃椎体后凸成形术前后各种模拟状态下应力变化差异无显著性意义，提示椎体后凸成形术后邻近椎体不会出现应力变化。

此次研究发现骨折椎体应力较术前明显增加，且随着注入骨水泥弹性模量的减小逐渐降低。提示降低骨水泥弹性模量可能是减少术后因骨折椎体及邻近椎体应力变化而发生骨折的一种方法。Persson等^[34]把不同类型的脂肪酸和三酰甘油加入到加入到丙烯酸骨水泥中，发现均可改变骨水泥的刚度，加入极少量的亚油酸(<2%)即可改变骨水泥的弹性模量。Boger等^[35-36]利用尸体标本分别注入低弹性模量及正常模量骨水泥，发现低弹性模量骨水泥强化后邻近椎体骨折所需的强度更接近于骨折前水平；随后他们把高黏度的羟丙基甲基纤维加入到聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥中以降低弹性模量，弹性模量从(2 800±70) MPa降至(120±150) MPa，但耐压强度(σmax)也从(170±5) MPa降至(8±9) MPa；把透明质酸钠加入聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥中也得到了相似的结果，弹性模量从(1 837±65)MPa降至(47±26) MPa，耐压强度从(91.0±5.3) MPa降至(1.3±1.0) MPa，聚合温度由(68±4) ℃降至(35±1) ℃。以上方法虽然降低了骨水泥的弹性模量，但同时也明显降低了其耐压强度。Lam等^[37]把亚油酸加入到含有锶羟基磷灰石纳米颗粒的聚甲基丙烯酸甲酯中，弹性模量从(2 142±129) MPa降至(129±774+70) MPa，同时保持了相似的耐压强度，从(63±2) MPa降至(49±2) MPa，但同时因较低的单体转化率及亚油酸释放的N，N-二甲基-对甲苯胺有明显的细胞毒作用。López等^[38]把12%的蓖麻油加入到骨水泥中，耐压强度从88 MPa降至15 MPa，弹性模量从1 500 MPa降至446 MPa，更接近于骨质疏松的椎体，但单体对成骨细胞的形成及活性具有毒性作用。以上研究结果均提示临床常用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥可通过加入某些物质降低凝固后的弹性模量，但目前尚未发现较为理想的物质或本身较低弹性模量的骨水泥。正常骨水泥弹性模量为8 000 MPa，所以本研究利用三维有限元分析分别设定3种骨水泥的弹性模量分别为4 000，2 000及1 000 MPa，进一步分析对骨折及邻近椎体的应力变化。

研究提示骨折椎体及邻近椎体应力术后均较术前明显增高，骨折椎体应力随骨水泥弹性模量的增高而增大，邻近椎体应力同一体积下其应力不因骨水泥弹性模量的变化而改变(P > 0.05)，结合本课题组的另一部分研究及既往研究提示邻近椎体应力主要与骨水泥注入体积相关，随骨水泥注入量的增加而增大(P < 0.05)，骨水泥注入体积是引发再骨折的主要因素^[39-43]。因此在临床中不应追求注入高剂量的骨水泥，小剂量的骨水泥也可获得良好的临床疗效，并可减少骨水泥渗漏及继发骨折的风险。

研究通过CT扫描建立腰段骨质疏松椎体压缩性骨折椎体成形术后三维有限元模型，发现骨折椎体及邻近椎体应力治疗后均较治疗前明显增加，骨折椎体随骨水泥弹性模量的增加承受的应力也随之增大，而邻近椎体应力无明显变化。实验结果提示使用低弹性模量可水泥可降低骨折椎体应力从而减少再骨折的发生，为研发新型骨水泥提供理论依据。虽然目前尚未有成熟的低弹性模量水泥供临床使用，但将来必定有更也的骨水泥材料服务于临床。
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

低弹性模量骨水泥对骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的影响：三维有限元分析

Effect of bone cement with a low elastic modulus on the fractured and adjacent vertebrae in patients with osteoporotic vertebral compression fractures: a three-dimensional finite analysis

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