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目的
对聚醚醚酮/羟基磷灰石/碳纤维(PEEK/HA/CF)和钛合金加椎弓根内固定两种类型的椎间融合器进行三维有限元生物力学分析,通过比较融合节段的稳定性、植骨块和椎间融合器以及L3下终板的应力有无显著性差异,从而全面正确评价两种材料的优缺点,为临床应用提供实验依据。
方法
于中国医科大学附属盛京医院选取一健康志愿者CT图像,男性,28岁,利用64排螺旋CT从L2椎体上缘到L4椎体下缘连续进行横切扫描,得到层厚为1mm的连续横断面图像。对断层CT图像进行预处理后,利用Simpleware、Gomeagic11.0、Solidworks11.0和Ansys workbench 13.0软件建立L2-L4节段和单枚融合器置入加椎弓根螺钉内固定有限元模型。在L2椎体上表面施加500N预载荷,同时施加10N·m的力矩模拟腰椎前屈、后伸、左屈、右屈、左旋及右旋生理活动,观察不同工况下植骨块和融合器上的应力以及L3下终板的应力分布情况及融合节段的角位移变化。
结果
1、各组固定模型的角位移均远小于正常模型。各种工况下钛合金组和不同组分PEEK/HA/CF组的角位移均小于0.5°,钛合金组的角位移与PEEK/HA/CF组相比较,其减少程度相当。
2、钛合金组和PEEK/HA/CF组在椎间融合器的VonMises最大应力峰值分别是305Mpa、114Mpa,钛合金组在椎间融合器上的VonMises最大应力峰值至少是PEEK/HA/CF的2.6倍。PEEK/HA/CF各个组分中应力变化不明显。
3、PEEK/HA/CF组和钛合金组在植骨块的VonMises最大应力峰值分别是30.6Mpa、13.9Mpa,PEEK/HA/CF组在植骨块的Von Mises最大应力峰值至少是钛合金组的2.2倍。PEEK/HA/CF各个组分中应力变化相当。
4、钛合金组和PEEK/HA/CF组在L3下终板的Von Mises最大应力峰值分别为38.1Mpa、17.3Mpa,钛合金组在L3下终板的Von Mises最大应力峰值至少是PEEK/HA/CF组的2.2倍,这些应力主要集中在与cage接触的终板附近。PEEK/HA/CF各个组分中应力变化相当。
结论
PEEK/HA/CF椎间融合器与钛合金椎间融合器相比:(1)PEEK/HA/CF椎间融合器可以提供与钛合金椎间融合器相似的稳定性;(2)PEEK/HA/CF椎间融合器更能有效的增加植骨块的负荷传导,促进骨性愈合;(3)PEEK/HA/CF椎间融合器更能有效降低融合器毗邻终板的应力,降低融合器沉降。