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Cent Eur Neurosurg 2006; 67(4): 188-192
DOI: 10.1055/s-2006-942279
Original Article

© Georg Thieme Verlag Stuttgart · New York

Mechanical Response of Cervical Vertebral Endplates to Axial Loading

Das mechanische Verhalten von Halswirbelkörperendplatten bei axialer BelastungJ. Schröder1 , M. Herbort2 , P. Rustemeyer3 , V. Vieth4 , H. Wassmann1
  • 1Department of Neurosurgery, University Clinics of Münster, Münster, Germany
  • 2Department of Trauma, Hand and Reconstructive Surgery, University Clinics of Münster, Münster, Germany
  • 3Institute of Anatomy, University Clinics of Münster, Münster, Germany
  • 4Institute of Clinical Radiology, University Clinics of Münster, Münster, Germany
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Publikationsverlauf

Publikationsdatum:
14. November 2006 (online)

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Abstract

Objective: After anterior cervical discectomy the implantation of a spacer is common practice. The majority of these spacers are trapezoid titanium cages. During the development of a height-adjustable cervical implant we needed to establish the testing limits for this device. A known phenomenon is subsidence of the cage into the vertebral endplates, which leads to a decrease in height and/or angulation of the cervical spinal segment. In contrast to the thoracic and lumbar spines, there are only limited data concerning the load-bearing ability of cervical endplates. The aim of our investigation was to obtain these data. Methods: Bone density of 16 cervical vertebrae was estimated by quantitative computed tomography. After embedding of the vertebrae into PMMA, each endplate was slowly compressed until failure using a metal indenter resembling the form of a newly developed cervical implant. A fixed protocol with increasing loading cycles was followed. Endpoint was breakage of the endplate as established by failure to resist the increasing loading forces produced by the testing machine. Results: The mean bone density of the 16 cervical vertebrae was 204 with a standard deviation of 52 mg Ca-HA/mL (range 130-281). The endplates failed with a mean loading of 1084 N ± 314 (range 340-1550 N). The maximum load correlates with the bone density (R2 = 0.7347). With the 97.79 mm2 load bearing surface of the cage we calculate a mean cervical endplate break strength of 10.47 MPa and a 95 % confidence interval of 12.66-9.51 MPa. An initial settling produced by resting of the anchoring teeth in the cervical endplates was observed in 8 vertebrae at a load of 113 N (range 50-250 N). Conclusions: In contrast to the thoracic and lumbar spines, cervical endplates show a lower resistance against axial forces. The data are important to understand postoperative cage subsidence and to establish testing limits for the development of new implant designs.

Zusammenfassung

Ziel: Nach ventraler Diskektomie der Halswirbelsäule ist die Implantion eines Platzhalters allgemeine Praxis. Rahmenförmige Titancages stellen einen Großteil der verwendeten Implantate. Ein bekanntes Phänomen ist das Einsinken der Cages in die Grund- und Deckplatten der angrenzenden Wirbel. Im Gegensatz zur Brust- und Lendenwirbelsäule gibt es kaum Datenmaterial zu Belastungsfähigkeit von Grund und Deckplatten der Halswirbelsäule. Ziel unserer Untersuchung war es, entsprechende Daten zu gewinnen. Methoden: Von 16 Formalin-fixierten Halswirbelkörpern wurde die Knochendichte mittels quantitativer Computertomographie bestimmt. Danach erfolgte die Einbettung in PMMA und der Belastungstest mit einem Prüfstempel in Form eines HWS-Cages in einem Druck-Zug-Prüfstand nach einem festgelegten Protokoll. Endpunkt war der Einbruch in die Grund- oder Deckplatte, erkenntlich am Nachlassen des Widerstandes gegen die von der Maschine aufgebaute Kraft. Resultate: Für die 16 Wirbelkörper ergab sich eine mittlere Knochendichte von 204 bei einer Standardabweichung von 52 mg Ca-HA/mL (Range 130-281). Die Wirbelkörper frakturierten bei einer mittleren Belastung von 1067 N ± 415 (Range 340-1550 N). Die Belastungsfähigkeit korreliert mit der Knochendichte (R2 = 0,7347). Bei einer lasttragenden Oberfläche des Prüfstempels von 97,79 mm2 berechneten wir die eine Belastungsfähigkeit der Grund- bzw. Deckplatten von 10,47 MPa bei einem 95 %-Konfidenzintervall von 12,66-9,51 MPa. Bei 8 Wirbelkörpern beobachteten wir ein ausgesprochenes „Settling” des Cages durch Einsinken der Verankerungszähne ab einer Belastung von 113 N (Range 50-250 N). Schlussfolgerungen: Im Vergleich zu Brust- und Lendenwirbelsäulen zeigen Grund- und Deckplatten von Halswirbelkörpern einen deutlich geringeren Widerstand gegen axiale Belastung durch ein Metallimplantat.

Key words

spine - implants - biomechanics - endplate - failure

Schlüsselwörter

Wirbelsäule - Implante - Biomechanik - Endplatte - Versagen