用于腰椎锁定椎间融合术的椎间盘水泥的生物力学效应：有限元活动性分析及碎屑清除钻头设计

《Clinical Breast Cancer》：Biomechanical effects of disc cement for lumbar locking interbody cementation: Finite-element mobility analysis and debris-removing reamer design

本研究通过有限元分析和3D打印旋转刀设计，探讨不同椎间盘水泥尺寸对融合稳定性的影响。结果显示，较大水泥体积（≥5mm）可降低23.8%的侧弯和前后凸运动，新型旋转刀清除碎屑效率显著提升（926±50 mg vs 63±5 mg, p<0.01）。

　　

李坤嘉|刘哲伟|徐宇坤|陈春明|林尚志

杨明医院 / 台湾嘉义市东区五峰北路252号，600016

摘要

背景

在进行椎体间水泥固定之前，应彻底清除髓核钻孔过程中产生的碎屑，以增加水泥体积并降低其流入椎体的阻力。

方法

使用有限元模型评估了五种不同尺寸的椎间盘水泥对椎间盘活动性的生物力学影响。设计了一种新型钻头，其切削边缘具有交错、倒钩和多层结构，并采用螺旋和圆锥形设计，以提高碎屑清除效率。通过使用合成椎间盘和患者椎间盘进行生物力学和临床测试，比较了标准钻头与3D打印钻头清除的碎屑重量。

结果

水泥尺寸对椎间盘活动性的影响显著超过单纯扭转因素的影响。较大的水泥体积能够形成更稳定的椎间笼-水泥结构，使矢状面和冠状面的运动减少约23.8%。使用3D打印钻头清除的合成椎间盘碎屑平均重量为926.28±49.71毫克，而使用标准钻头仅为63.04±4.86毫克（p<0.01）。当钻头拔出时，碎屑容易从螺旋切削边缘滑落；相比之下，新型钻头的交错倒钩能够有效捕获并清除椎间盘碎屑。

解释

植入5毫米厚的椎间笼需要清除大约6毫升的椎间盘组织。较大的水泥填充量可以提供更稳定的椎间笼-水泥界面。3D打印钻头的交错倒钩比传统钻头更高效地清除碎屑。

引言

腰椎退化是腰痛的主要原因，主要由骨质疏松、椎间盘突出、脊椎滑脱、脊柱狭窄和退行性腰椎侧弯引起（Hincapié等人，2025年；Iwata等人，2024年；Ravindra等人，2018年）。如果保守治疗无效，建议进行手术治疗，包括经椎弓根固定、减压、椎体间融合、经皮椎间盘成形术（PCD）、微创外侧入路椎体间融合术、经皮椎体间水泥灌注术（PIBC）和锁定椎体间水泥灌注术（LIBC）（Fusini等人，2022年；Koch等人，2023年；Lee等人，2014年；Li等人，2023a；Li等人，2024a；Salzmann等人，2019年；Willhuber等人，2020年；Zhang等人，2024年）。在水泥灌注手术中，LIBC利用椎间笼立即恢复椎间盘高度，并将水泥注入椎体和椎间盘以强化可能发生骨质疏松的椎体（图1A）（Li等人，2023a；Li等人，2023b；Li等人，2024a；Li等人，2024b；Li等人，2024c；Yu-Kun等人，2023年）。此外，水泥还能锁定椎间笼，从而减少后续的沉降、松动和移位。LIBC术后，会形成一个由两个椎体、一个椎间盘以及连接椎体、椎间盘和水泥的两种桥接水泥组成的稳定结构。然而，据我们所知，这些水泥尺寸及其对LIBC效果的生物力学影响尚未得到充分研究（Chien等人，2014年；Hueng等人，2014年；Liu等人，2020年；Yu-Kun等人，2023年）。

在LIBC水泥灌注之前，需要对椎间盘进行适当的钻孔，并在椎间盘与相邻椎体之间钻两个桥接孔，为植入椎间笼和灌注水泥做准备。钻孔后，椎间盘碎屑可能会阻塞或减少水泥流入椎间盘和周围椎体的流量。通常使用边缘锋利、呈勺状的器械反复清除椎间盘碎屑，以降低水泥流动的阻力（图1B）。当器械尖端在较大开口处卡住碎屑时，取出器械可能会损伤神经组织。因此，脊柱外科医生常使用钻头进行钻孔，以便将碎屑困在切削槽中（图1C）。然而，根据我们的手术经验，重复使用钻头并不能有效清除碎屑。

首先，通过有限元分析（FEA）评估了椎间盘水泥尺寸的生物力学影响。FEA已广泛应用于牙科、关节和创伤学等领域，涉及植入物设计、固定策略和载荷响应等方面。本研究旨在填补椎间盘水泥灌注方面的研究空白（Güvercin等人，2022年；Kurt等人，2024年；Moulgada等人，2023年；Ni?anci等人，2020a；Ni?anci等人，2020b；Yaylaci等人，2023年；Zagane等人，2023年）。接下来，利用3D打印技术制造了一种具有复杂切削结构的新型钻头，用于高效清除椎间盘碎屑。本研究旨在设计一种能够容纳和固定更多碎屑的钻头，从而提高传统钻头的效率。通过生物力学和临床测试验证了该钻头及碎屑清除装置的有效性。

部分内容摘要

椎间盘水泥尺寸的有限元分析

本研究使用了作者团队开发的有限元模型，评估了椎间盘水泥尺寸对椎间笼复合体活动性的影响（图2）。该腰骶模型包括整个腰椎区域（L1-L5）和部分骶骨（S1）。LIBC作用于L4-L5运动段，L4/L5椎间盘被设定为中度退化状态。受七组韧带和小关节限制的腰骶柱被激活以进行测试

椎间盘水泥尺寸的影响

图4展示了腰骶柱的变形情况以及椎间盘水泥尺寸对LIBC椎间盘活动性和桥接水泥应力分布的影响。所有腰椎运动均表明，较小的椎间盘水泥尺寸会降低限制椎间盘活动性的能力。椎间盘活动性受屈曲影响最大，其次是伸展、弯曲和扭转，这三者受影响最小。椎间盘活动性的增加会导致应力集中加剧

椎间盘水泥尺寸的影响

椎体间融合的生物力学原理是通过椎间笼与相邻终板之间的骨融合来稳定塌陷的椎间盘。然而，在骨质疏松导致椎体难以融合的老年患者中，使用骨水泥来稳定椎间笼并加固可能发生骨质疏松的椎体，以减少椎间笼的沉降（Hung等人，2024年；Li等人，2022年）。这些体现了LIBC的两种生物力学原理（Li等人

资金来源

本研究未获得任何资金支持。

伦理批准

本研究仅招募了在了解手术治疗方案后同意参与的患者，且获得了台湾嘉义圣马丁德波雷斯医院伦理委员会的批准（批准编号：IRB 20C-006）。所有参与者均提供了书面知情同意书。所有研究方法均符合赫尔辛基宣言的规定。

作者贡献声明

李坤嘉：撰写——初稿撰写、监督、研究设计、概念构思。刘哲伟：撰写——审阅与编辑、监督。徐宇坤：数据验证、正式分析、数据管理。陈春明：数据验证、正式分析、数据管理。林尚志：撰写——审阅与编辑、监督、方法学设计、概念构思。

利益冲突声明

所有作者均无潜在的利益冲突。

致谢

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。