脊柱椎间融合器愈合过程中骨再生组织宏微观力学特性研究

Abstract

Following spinal fusion surgery, the mechanical properties of macroscopic bone regenerative tissue and microscopic bone cells during daily activities remain unclear. This study employed a submodel approach to establish connections between bone regenerative tissue and bone cells, simulating human physiological activities to obtain stress-strain data at both macro- and micro-scales across various stages and working conditions. Results indicate that vertical external forces significantly impact bone healing. Patients should minimize large-amplitude forward flexion and right rotation movements during the early healing phase. Once healing is largely complete, appropriate activity is safe, though caution should still be exercised to avoid large-amplitude forward flexion, left rotation, and right lateral flexion movements. This study investigated healing variations in regenerated bone tissue across different end-face orientations, regions, and operational conditions during the healing process. It provides a theoretical basis for developing movement guidelines that promote healing during the postoperative recovery phase for patients who have undergone spinal fusion surgery.

0. 引言

特发性脊柱侧凸（idiopathic scoliosis，IS）是一种常见的脊柱三维结构畸形疾病，以椎体前后凸变形、侧向弯曲和椎体旋转为特征^[1]，其椎体侧凸的角度大于10 °^[2]，目前全球范围内约1%～2%的人受该病困扰^[3]。针对IS的矫正方式主要分为非手术和手术两种^[4]。严重的IS患者需要通过手术矫形，椎间融合术是手术治疗IS的主要方法之一^[5-6]，术中所使用的椎间融合器能够为愈合阶段的骨再生组织提供更多的空间，其类型与体积对患者术后的骨融合程度影响较大^[7-8]。

骨再生组织主要是通过微观骨细胞承受外力刺激后增殖分化而形成，其所受到的外力刺激经由术后腰椎传导，作用在细胞膜上使骨细胞释放出相应的骨重建信号^[9-10]。骨细胞在不同机械刺激下所处的状态也不尽相同^[11]。已有研究表明，当骨细胞经受的应变低于200微应变（200 με，1 με=10^-6）时，该骨细胞处在力学失活状态；当处在200～2 500 με时，骨细胞处在正常生理状态；当处在2 500～5 000 με时，骨细胞处在过度使用状态；当大于5 000 με时，骨细胞处在病理性使用状态^[12]。另一方面，骨再生组织会随着时间的增长而逐渐趋于成熟，其强度等属性亦会随之变化^[13]。不同生长阶段的骨再生组织会因其强度不同，导致骨细胞所受到的力刺激产生变化，进而影响骨细胞的状态和信号的产生^[11]。

目前，对于椎间融合器置入后骨再生组织内骨细胞力学响应的研究较少。相较于王召耀等^[14]对术后腰椎皮质骨骨单元的研究，本研究进一步进行了骨再生组织内骨细胞力学响应的研究。Wang等^[15]研究了皮质骨骨细胞的力学响应，但未对骨再生组织内的骨细胞进行力学分析。颜华东等^[16]对胫骨骨愈合组织进行了研究，而本文研究了脊柱椎间融合术后的骨再生组织以及骨再生组织不同愈合阶段中骨细胞的力学响应。本研究基于置入椎间融合器的腰椎模型，进一步构建了宏观骨再生组织模型及微观骨细胞模型，使用子模型方法建立了两者之间的联系，再模拟人体正常生理活动：直立、前屈、后伸、左旋转、右旋转、左侧屈、右侧屈等七种工况，对不同愈合阶段骨再生组织上下端面部分区域中的骨细胞进行了力学分析。本研究旨在为完善骨细胞作用机制、助力相关患者的康复工作提供理论层面的支撑。

1. 材料与方法

1.1. 宏观骨模型建立

本文的研究对象是来自新疆医科大学第六附属医院的一名脊柱侧凸患者。该患者的具体信息如下：女性，47岁，身高143 cm，体重39 kg，站立状态下患者脊柱上胸弯为32 °，主胸弯为67 °，胸腰弯为40 °，后凸角为124 °。该患者同意此次研究，并签署知情同意书；本研究通过了新疆医科大学第六附属医院伦理委员会审批（编号：LFYLLSC20220302-03），获得相关数据使用授权。首先，用计算机断层扫描（computed tomography，CT）对其腰段脊柱进行64层螺旋扫描，切片间距为0.757 8 mm，共采集509张图像。将该患者的医学数字成像与通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）文件导入医学图像软件Mimics 21.0（Materialise Inc., 比利时）中，通过设置阈值和人工分割，得到腰1～腰5椎体的三维几何模型。将该三维模型以立体光刻格式（stereolithography，STL）输入到逆向工程软件Geomagic Studio 12.0（Geomagic Inc., 美国）中进行拟合曲面处理。在网格划分软件Hypermesh 14.0（Altair Inc., 美国）中构建出椎体皮质骨、椎体松质骨、椎间盘纤维环、椎间盘髓核、关节软骨、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊韧带、横突间韧带、棘间韧带以及棘上韧带^[17]，并进行了网格划分处理。然后，在三维建模软件Solidworks 2022（Dassault Inc., 美国）中构建了骨再生组织。为探究骨再生进程中，不同愈合阶段的宏观骨再生组织及其骨细胞的力学响应特征，依据骨愈合率梯度，将骨再生组织从早期形成阶段（骨愈合率10%）至完全成熟阶段（骨愈合率100%）划分为五个连续的愈合阶段^[11]。在有限元分析软件ABAQUS 6.14（Dassault Inc., 美国）中，构建骨细胞的椭球体几何模型，其长轴、短轴及高度参数分别设定为14 000、8 000、8 000 nm，并在该软件中完成后续相关的有限元计算。

患者手术方案为腰1～腰2、腰4～腰5椎体左右两侧置钉，在腰3椎体进行截骨，安置椎间融合器，填充自体骨后闭合切口。本研究的材料参数引用于类似研究的文献。椎体皮质骨采用四面体壳单元模拟，厚度为1 mm^[17]；松质骨采用四面体一阶线性实体单元进行模拟；终板采用矩形线性应变壳单元模拟；纤维环基质、髓核与小关节皆采用十节点四面体二阶线性实体单元模拟；韧带设置为各向同性材料，使用一维非线性杆单元模拟。骨细胞材料属性设定为线弹性材料。本研究所使用的椎间融合器构型是经有限元分析软件ABAQUS 6.14（Dassault Inc., 美国）拓扑优化后得到的构型。优化过程如下：以初始椎间融合器构型为基础，先将其简化为保留1/2结构的壳体模型；再依据拓扑优化结果，通过拟合曲线以降低应力集中效应，对融合器结构进行重新设计，最终得到本研究采用的椎间融合器构型。

为确保研究的代表性与全面性，本研究选取骨再生组织上下端面的8个特征区域（编号：S1～S4、X1～X4）作为研究对象。以骨再生组织的质心为坐标原点构建直角坐标系，在每个特征区域内，分别筛选出平行于X轴、Y轴及Z轴的骨细胞，进而开展定向化的力学特性分析。各结构材料属性如附表1所示^[11,17-26]，具体建模过程如图1所示。

图 1.

Finite element modeling process

有限元模型建立过程

1.2. 边界条件

为模拟骨再生组织愈合阶段人体正常生理活动对应的直立、前屈、后伸、左旋转、右旋转、左侧屈、右侧屈等七种工况，本研究将骶骨完全固定，沿腰1椎体上端面法向施加400 N载荷，以模拟人体直立状态^[27]；同时，腰1椎体上端面分别施加大小为3.9 N·m的六向力矩，以此模拟前屈、后伸、左旋转、右旋转、左侧屈、右侧屈这六种生理活动工况^[28]。此外，采用子模型方法构建宏观腰椎模型与微观骨细胞模型之间的力学传递关系，并将宏观模型中骨再生组织的位移计算结果直接作为微观模型内骨细胞的边界条件，如图2所示。

图 2.

Schematic diagram of the boundary conditions of the finite element model

有限元模型边界条件示意图

1.3. 模型有效性验证

为验证模型的有效性，本研究选取腰椎段中形态相对正常的腰4～腰5椎体开展验证。将腰5椎体下端面设置为完全固定约束，于腰1椎体上端面依次均匀施加500、1 000、1 500、2 000 N的轴向载荷^[29]。并且，在对腰4～腰5椎体模型施加500 N轴向载荷的基础上，于腰4椎体上端面各方向分别施加10 N·m的力矩，以此模拟前屈、后伸、侧屈、旋转四类生理活动工况^[30]。

基于上述载荷条件完成数值计算后，将所得计算数据与文献[29-36]中的实验数据进行对比分析。结果表明，本研究建立的腰椎模型计算结果与文献实验数据吻合度较高，证实了该模型的可靠性与有效性，相关验证结果，如图3所示。

图 3.

Validation of the validity of the finite element model

有限元模型有效性验证

2. 结果

2.1. 宏观骨再生组织模型应力、应变结果

在临床实践中，医师更关注患者术后初期与终末期的骨组织生长愈合状态，因此本研究重点聚焦患者骨再生的第一愈合阶段与第五愈合阶段。针对不同活动工况，第一、第五愈合阶段腰椎模型的冯・米塞斯（von Mises）应力云图如图4所示。结果显示，第一、第五愈合阶段的腰椎最大应力均出现于后伸工况下，且应力集中区域均位于腰5椎体底部，同时宏观腰椎模型的整体应力分布受骨再生组织的影响程度较低。

图 4.

Stress contour maps of the lumbar spine during the first and fifth healing stages

第一与第五愈合阶段腰椎应力云图

不同活动工况下，骨再生组织在第一至第五愈合阶段的应变分布特征如图5所示。结果表明，各工况下，骨再生组织的应变峰值均出现于第一愈合阶段；其中，前屈工况下应变值达到最大，后伸工况下应变值为最小。与第一愈合阶段相比，第五愈合阶段骨再生组织的应变水平显著降低，其中右旋转工况下应变降幅最大，前屈工况下应变降幅最小。

图 5.

Strain maps of bone regenerative tissue during the first to fifth healing stages

第一至第五愈合阶段的骨再生组织应变云图

2.2. 微观骨细胞模型应变结果

骨再生组织第一愈合阶段与第五愈合阶段，七种工况下各方向上、下端面骨细胞的最大应变特征如图6所示。相较于第一愈合阶段，第五愈合阶段的骨细胞应变值均呈现显著降低的趋势，且上、下端面骨细胞的应变均出现大幅下降。

图 6.

Maximum strain contour map of bone cells

骨细胞最大应变云图

骨再生组织第一至第五愈合阶段，七种工况下不同区域骨细胞微应变峰值的分布区间如图7所示。

图 7.

Summary of peak micro-strain values in bone cells across different regions during the first to fifth healing stages

第一至第五愈合阶段不同区域骨细胞微应变峰值汇总图

在数据处理过程中，Z方向的X3与S3骨细胞因应变数值过高被予以剔除。对于同一区域内应变水平相近的骨细胞，将其归为一类进行统计分析。此外，鉴于S2区域X方向骨细胞应变表现出较高水平，对该组骨细胞实施单独研究。各区间内不同端面采样骨细胞的数量统计结果如表1所示。

表 1. Statistical results within the sampling regions of osteoblast models at the upper and lower surfaces of each stage across different intervals.

不同区间内各阶段上下端面骨细胞模型采样区域内统计结果

愈合阶段	上端面/下端面
	≥5 000 με	2 500～5 000 με	200～2 500 με
第一愈合阶段	28.57%/3.57%	28.57%/50.00%	42.86%/46.43%
第二愈合阶段	14.29%/0.00%	20.00%/25.00%	65.71%/75.00%
第三愈合阶段	2.86%/0.00%	14.29%/0.00%	82.85%/100.00%
第四愈合阶段	0.00% /0.00%	11.43% /0.00%	88.57%/96.43%
第五愈合阶段	0.00% /0.00%	5.71%/0.00%	94.29%/96.43%

3. 讨论

骨再生组织在愈合过程中的整体应变幅值与分布特征呈现显著的阶段性变化。在愈合第一阶段，各工况下骨再生组织的应变峰值均远高于2 500 με，且高应变（> 2 500 με）区域占比超过50%，其中前屈工况下的应变异常程度最为突出。当骨组织应变达到2 500 με时，其将进入过度使用乃至病理使用状态^{[12, 26]}，这不仅会干扰再生组织的愈合进程，还可能引发继发性损伤。据此，在愈合初期（第一愈合阶段）需严格规避过度前屈运动。随着愈合进程推进至第五愈合阶段，骨再生组织整体应变水平大幅降低，应变值低于2 500 με的区域占比在85%以上。这一宏观力学表现表明，此时骨再生组织已基本处于正常生理应变区间，适度活动具备安全性，但仍需对前屈运动保持管控。值得关注的是，上下端面边缘是高应变区域的主要残留部位，该现象可能与该部位同时接触椎体及融合器、承受双重挤压与力学刺激相关。

在微观层面，上下端面骨细胞的应变峰值及分布区间随愈合进程发生显著改变。从第一愈合阶段到第五愈合阶段，上端面骨细胞的应变最大值持续低于下端面骨细胞，而应变最小值则始终高于下端面骨细胞。伴随愈合程度的加深，上端面处于正常生理应变状态的骨细胞占比大幅提升至94.29%，仅5.71%的骨细胞仍处于过度使用状态。相比之下，下端面骨细胞在第三愈合阶段时便已全部恢复至正常生理应变区间，这一变化对骨组织的再生愈合具有积极的促进作用。

不同方向的外力刺激对骨细胞应变的影响存在明显差异。其中，Z方向外力的作用效应最为显著，可导致S3与X3区域的Z方向骨细胞应变远高于其他区域的骨细胞。究其原因，在正常生理活动中，该区域的骨再生组织主要承受由椎体传导的垂直方向载荷，进而使 Z方向骨细胞受到的力学刺激显著增强，应变峰值出现异常升高。而S2区域X方向骨细胞的应变虽高于同区域其他方向的骨细胞，但应变增幅相对温和，对愈合进程的负面影响较小。需要指出的是，S3与X3区域的高应变状态会延缓骨再生组织的愈合进程，甚至可能诱发局部组织损伤^[37]。

从工况角度分析，愈合初期（第一愈合阶段）的前屈与右旋转工况下，骨细胞应变值显著偏高，处于病理及过度使用状态的骨细胞占比达到峰值，严重制约骨组织的愈合进程。当愈合推进至第五愈合阶段（愈合基本完成），后伸、右旋转、直立及左侧屈工况下的骨细胞全部处于利于愈合的正常生理应变区间；而前屈、左旋转与右侧屈工况下，仍有部分骨细胞处于过度使用或力学失活状态，该现象可能增加愈合后骨组织再次损伤的风险。结合宏微观力学分析结果可知，愈合初期需进一步规避右旋转活动；即便愈合基本完成，除前屈运动外，还需对左旋转与右侧屈活动采取必要的限制措施。

综上所述，当前跨尺度骨力学研究正处于持续发展阶段，但现有研究多以定性分析为主，针对具体临床场景的定量研究相对匮乏。同时，针对脊柱畸形病例的相关研究结论往往具有个性化特征，难以形成普适性规律。未来，基于骨生长机制的微观力学分析、医用植入物材料微观结构对骨生长愈合的影响等研究，将为骨疾病的临床治疗提供新的思路与方案。本研究亦存在一定局限性：在构建宏观模型时，未纳入皮肤、肌肉等周边软组织的力学影响；在骨再生组织研究中，未对骨小梁的微观结构展开深入分析；在骨细胞模型构建过程中，采用了简化处理方式，且未开展流固耦合分析；上述不足可为后续研究指明优化方向。

重要声明

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：富荣昌进行了有限元分析与论文写作；张语暄进行了三维建模并对论文内容进行修改；朱旭提供了医学指导；张怀悦进行了方案设计、辅助建立模型与辅助分析。

伦理声明：本研究通过了新疆医科大学第六附属医院伦理委员会审批（编号：LFYLLSC20220302-03）。

本文附表见本刊网站的电子版本（biomedeng.cn）。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（32260235）

National Natural Science Foundation of China