Mechanical Response of Cervical Vertebral Endplates to Axial Loading

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.

spine - implants - biomechanics - endplate - failure

Wirbelsäule - Implante - Biomechanik - Endplatte - Versagen

References

• 1 Börm W, Seitz K. Use of cervical stand-alone cages. [Comment.]  Eur Spine J. 2004;  13 474-475
• 2 Disegi J A. Titanium alloys for fracture fixation implants.  Injury. 2000;  31 (Suppl 4) 14-17
• 3 Fürderer S, Schollhuber F, Rompe J D, Eysel P. [Effect of design and implantation technique on risk of progressive sintering of various cervical vertebrae cages]. [In German.]  Orthopäde. 2002;  31 466-471
• 4 Gercek E, Arlet V, Delisle J, Marchesi D. Subsidence of stand-alone cervical cages in anterior interbody fusion: warning. [See comment.]  Eur Spine J. 2003;  12 513-516
• 5 Grant J P, Oxland T R, Dvorak M F. Mapping the structural properties of the lumbosacral vertebral endplates.  Spine. 2001;  26 889-896
• 6 Jöllenbeck B, Fernandez N, Firsching R. Titanium or polymethyl methacrylate in cervical disc surgery? A prospective study.  Zentralbl Neurochir. 2001;  62 200-202
• 7 Jöllenbeck B, Hahne R, Schubert A, Firsching R. Early experiences with cervical disc prostheses.  Zentralbl Neurochir. 2004;  65 123-127
• 8 Kemmesies D, Meier U. Experience with five different intervertebral disc spacers for cervical spondylodesis.  Zentralbl Neurochir. 2005;  66 24-33
• 9 Lim T H, Kwon H, Jeon C H, Kim J G, Sokolowski M, Natarajan R, An H S, Andersson G B. Effect of endplate conditions and bone mineral density on the compressive strength of the graft-endplate interface in anterior cervical spine fusion.  Spine. 2001;  26 951-956
• 10 Lowe T G, Hashim S, Wilson L A, O'Brien M F, Smith D A, Diekmann M J, Trommeter J. A biomechanical study of regional endplate strength and cage morphology as it relates to structural interbody support.  Spine. 2004;  29 2389-2394
• 11 Malloy K M, Hilibrand A S. Autograft versus allograft in degenerative cervical disease.  Clin Orthop. 2002;  394 27-38
• 12 Matge G. Cervical cage fusion with 5 different implants: 250 cases.  Acta Neurochir (Wien). 2002;  144 539-549
• 13 Moreland D B, Asch H L, Clabeaux D E, Castiglia G J, Czajka G A, Lewis P J, Egnatchik J G, Cappuccino A, Huynh L. Anterior cervical discectomy and fusion with implantable titanium cage: initial impressions, patient outcomes and comparison to fusion with allograft. [An erratum appears in Spine J 2004 May-Jun; 4 (3): following table of contents].  Spine J. 2004;  4 184-191
• 14 Oxland T R, Grant J P, Dvorak M F, Fisher C G, Oxland T R, Grant J P, Dvorak M F, Fisher C G. Effects of endplate removal on the structural properties of the lower lumbar vertebral bodies.  Spine. 2003;  28 771-777
• 15 Pitzen T, Kranzlein K, Steudel W I, Strowitzki M. [Complaints and findings at the iliac crest donor site following anterior cervical fusion]. [In German.]  Zentralbl Neurochir. 2004;  65 7-12
• 16 Pitzen T, Schmitz B, Georg T, Barbier D, Beuter T, Steudel W I, Reith W. Variation of endplate thickness in the cervical spine.  Eur Spine J. 2004;  13 235-240
• 17 Schröder J, Wassmann H. Polymethylmethacrylate (PMMA) in der Halsbandscheibenchirurgie - gegenwärtige Situation in Deutschland. [Polymethyl methacrylate (PMMA) in the anterior cervical spine surgery: current situation in Germany].  Zentralbl Neurochir. 2002;  63 33-36
• 18 Singer K, Edmondston S, Day R, Breidahl P, Price R. Prediction of thoracic and lumbar vertebral body compressive strength: correlations with bone mineral density and vertebral region.  Bone. 1995;  17 167-174
• 19 Thome C, Krauss J K, Zevgaridis D, Thome C, Krauss J K, Zevgaridis D. A prospective clinical comparison of rectangular titanium cages and iliac crest autografts in anterior cervical discectomy and fusion.  Neurosurg Rev. 2004;  27 34-41
• 20 Truumees E, Demetropoulos C K, Yang K H, Herkowitz H N. Compression strength of human cervical endplates in an anterior fusion model.  Spine. 2003;  28 2204-2208
• 21 Truumees E, Demetropoulos C K, Yang K H, Herkowitz H N. Effects of disc height and distractive forces on graft compression in an anterior cervical discectomy model.  Spine. 2002;  27 2441-2445
• 22 Wilke A, Richter A, Traub F, Endres S, Orth J. [Semiquantitative analysis of bone regeneration on porous metallic wire-mesh specimens with or without HA-coating in comparison to pure titanium in animal experiments]. [In German].  Z Orthop. 2002;  140 95-100
• 23 Wilke H J, Kettler A, Wenger K H, Claes L E. Anatomy of the sheep spine and its comparison to the human spine.  Anat Rec. 1997;  247 542-555
• 24 Zitter H. Korrosionsverhalten und Biokompatibilität von Titanlegierungen für Implantate.  Werkstoffe und Korrosion. 1988;  39 574-582