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

中国组织工程研究第20卷第16期2016–04–15出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchApril15,2016Vol.20,No.16ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH2285·研究原著·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。中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)16-02285-09稿件接受：2016-02-12造模：建立腰椎骨质疏松椎体压缩性骨折模型。方法：首次模拟椎体成形注射不同弹性模量骨水泥后各运动状态下骨折椎体及邻近椎体的应力改变。结局意义：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，骨折椎体随骨水泥弹性模量的增加应力也随之增大，而邻近椎体应力无明显变化。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)引用本文：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.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.16.001ORCID:0000-0001-9380-5438(包拥政)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。摘要背景：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，AnsysWorkbench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4mL弹性模量分别为8000，4000，2000及1000MPa的骨水泥，骨水泥在椎体中央呈球形分布。在L2上表面施加500N预载荷，附加弯矩为50N▪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。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包拥政，等.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P.O.Box10002,Shenyang110180’sHospital,ShantouUniversityMedicalSchool,Shaoguan512026,GuangdongProvince,China主题词：脊柱骨折；骨质疏松性骨折；椎体成形术；生物力学；组织工程基金资助：2013年韶关市医药卫生科研计划项目(Y13175)Effectofbonecementwithalowelasticmodulusonthefracturedandadjacentvertebraeinpatientswithosteoporoticvertebralcompressionfractures:athree-dimensionalfiniteanalysisBaoYong-zheng1,ZhuZhou-xing2,FengYun-sheng3,WuQiang1,HuKong-he1,HeXiao-long1,ZhuWen-gang1,XiXin-hua1,ZhongXue-ren1,ZhouLong-ze1,LiaoJun-jian1,DaiXiang-heng1(1DepartmentofOrthopedics,YueBeiPeople’sHospital,ShantouUniversityMedicalSchool,Shaoguan512026,GuangdongProvince,China;2DepartmentofOrthopedics,LechangCityPeople’sHospital,Shaoguan512200,GuangdongProvince,China;3NanxiongHospitalofTraditionalChineseMedicine,Shaoguan512400,GuangdongProvince,China)AbstractBACKGROUND:Vertebroplastyandkyphoplastycaneffectivelyrepairosteoporoticvertebralcompressionfractures,butbonecementinjectioncancausethechangeofstressinthefracturedvertebraeandadjacentvertebraeaftersurgery,leadingtonewfractures.OBJECTIVE:Toanalyzethestresschangesofthefracturedvertebraeandadjacentvertebraeaftervertebroplastywithdifferentelasticmodulusbonecementbyathree-dimensionalfiniteelementmethod.METHODS:OnehealthyadultmalevolunteerwasselectedforlumbarspineCTscan.Theacquiredimageswereimportedforthree-dimensionalreconstructionusingMimics.Thethree-dimensionalmodelwassmoothed,polishedanddenoisedbyGeomagicsoftware,andthenthesolidmodewasbuiltunderWorkbenchAnsys.AnosteoporoticvertebralcompressionfracturemodelinL2-4segmentswasestablishedafterassignment.Bonecement(4mL)withdifferentelasticmoduli(8000,4000,2000and1000MPa)injectedintotheL3segmentdistributedinthemiddleofthevertebraeassphericalshape.500Npre-loadwasappliedontheL2surfacewithanadditionalbendingmomentof50N•m.ThelowersurfacefreedegreeofL4wasrestrained.TheL2-4forwardflexion,posteriorextension,rightflexionandaxialrotationontherightsidewerestimulated.Thestresschangesofthefracturedvertebraeandtheupperandloweradjacentvertebraebeforeandafterbonecementinjectionwithdifferentelasticmoduliwerecompared.RESULTSANDCONCLUSION:Thestressofthefracturedvertebraeandadjacentvertebraeweresignificantlyincreasedcomparedwiththatbeforeoperation.Withtheincreaseofelasticmodulus,thestressofthefracturedvertebraeincreased,buttherewerenochangesinthestressofadjacentvertebrae.Thesefindingsindicatethattheelasticmodulusofbonecementmaybeamethodtoreducenewfracturesofthefracturedandadjacentvertebraeafterbonecementinjection.Subjectheadings:SpinalFractures;OsteoporoticFractures;Vertebroplasty;Biomechanics;TissueEngineeringFunding:theShaoguanMedicalandHealthResearchProject,No.Y13175Citethisarticle:BaoYZ,ZhuZX,FengYS,WuQ,HuKH,HeXL,ZhuWG,XiXH,ZhongXR,ZhouLZ,LiaoJJ,DaiXH.Effectofbonecementwithalowelasticmodulusonthefracturedandadjacentvertebraeinpatientswithosteoporoticvertebralcompressionfractures:athree-dimensionalfiniteanalysis.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(16):2285-2293.0引言Introduction骨质疏松症是以骨量减少和微结构的退化(指由于骨组织的吸收和形成失衡等原因所致，表现为骨小梁结构破坏、变细和断裂)为特征伴骨脆性增加和易发骨折(指对负荷承受能力降低而易于发生微细骨折或完全骨折)的一种全身性骨骼疾病。骨质疏松是一种进行性并且难于逆转的病理生理过程，发病后很难再完全恢复至其正常骨组织的结构和质量。目前全世界约有2亿骨质疏松患者，骨质疏松椎体压缩性骨折是老年骨质疏松患者最常见的骨折之一，严重影响患者日常活动及生活质量，并可导致身高降低、疼痛、后凸畸形、卧床、焦虑、抑郁甚至死亡等并发症。椎体成形术是目前临床上微创修复骨质疏松椎体压缩性骨折的常规方式，注入的骨水泥