Biomechanical comparison of expandable cages for vertebral body replacement in the cervical spine

Einleitung Expandierbare Cages finden als Wirbelkörperersatz nach traumatischer, infektiöser oder tumoröser Destruktion von Wirbelkörpern zunehmende Verbreitung. Unklar ist derzeit die biomechanische Wertigkeit dieser Implantate speziell im Bereich der Halswirbelsäule. Ziel dieser Untersuchung war es demzufolge expandierbare Cages biomechanisch in vitro mit einem nicht expandierbaren Cages in einem zervikalen Korporektomiemodel zu vergleichen. Methoden 40 humane zervikale Wirbelsäulenpräparate (C2-C6) wurden in Flexion, Extension, Rotation und Seitwärtsneigung mittels nicht- destruktiver Steifigkeitsmessung getestet. Nach Evaluation der intakten Präparate (n=40) wurde eine Korporektomie C4 vorgenommen. Der Wirbelkörperersatz wurde mit folgenden Implantaten durchgeführt: (1) trikortikaler Beckenkammspan (n=8) (2) Harmscage (DePuy Acromed, n=8); (3) Synex-C-Titan (Synthes, n=8) (4) Synex-C-PEAK (Synthes, n=8) (5) ADD (Ulrich, n=8). Anschließend wurde eine additive anteriore Stabilisierung (CSLP, Synthes) und anterior-posteriore Stabilisierung (CSLP, Synthes + Cervifix, Synthes) getestet. Die Steifigkeit, der Bewegungsumfang, sowie die neutrale und elastische Zone der Stabilisierungsverfahren wurden anhand von Last- Dislokationskurven ermittelt. Ergebnis Im Vergleich zum intakten Bewegungssegment zeigten alle "stand alone" Implantate eine signifikant größere Steifigkeit in Flexion und lateralen Neigung, jedoch eine verringerte Steifigkeit in Extension. Dabei konnte keine biomechanischen Unterschiede zwischen den nicht-expandierbaren und den expandierbaren Cages nachgewießen werden. Nur beide Synex-C Implantate zeigten in der Bewegungsrichtung Rotation eine signifikant höhere Steifigkeit als der Beckenkammspan, sonst konnte kein biomechanischer Unterschied zwischen dem trikortikalen Beckenkammspan und den verschiedenen Cages evaluiert werden. Beim Einsatz einer zusätzlichen anterioren Platte war die biomechanische Steifigkeit in allen Bewegungsrichtungen, besonders jedoch in Extension, signifikant erhöht. Im Vergleich zur alleinigen anterioren Platte erhöhte die anterior-posteriore Stabilisierung die Steifigkeit speziell in Roatation um bis zu 102%. Schlussfolgerung Im Vergleich zum tricortikalen Beckenkammspan und dem nicht- expandierbaren Cage, weisen expandierbare Cages keine biomechanischen Vorteile auf. Aufgrund der geringen Steifigkeit in der Extension und axialen Rotation, kann keines der Implantate als "stand-alone" Stabilisierungtechnik empfohlen werden. Eine zusätzliche anteriore Platte führt zu einer adäquaten Erhöhung der biomechanischen Stabilität. Besonders bei hochgradiger Rotationsinstabilitäten sollte eine zusätzliche posteriore Stabilisierung der Halswirbelsäule erwogen werden.OBJECT: Recently, expandable cages for vertebral body replacement in the cervical spine have been developed. The purpose of this study was to compare the biomechanical properties of expandable cages with those of a tricortical iliac crest graft and a nonexpandable cage. METHODS: Forty human cervical spines (C3-5) were tested in flexion, extension, axial rotation, and lateral bending. First all motion segments were evaluated intact. After corpectomy of C4 the spines were divided into five groups of eight and the following stabilization techniques were used: 1) autologous iliac crest bone graft; 2) mesh titanium cage; 3) anterior distraction device; 4) Synex-C titanium; and 5) Synex-C PEEK. Additionally, anterior plating and anterior plating plus posterior screw/rod fixation were applied. Stiffness, range of motion, and neutral and elastic zones were determined. In comparison with the intact motion segment all implants significantly increased stiffness in flexion and bending, but decreased stiffness in extension. There were no biomechanical differences between the nonexpandable and expandable cages. Furthermore, there were no biomechanical differences between the tricortical iliac crest graft and the cages, except for Synex-C in rotation. Additional anterior plating significantly increased biomechanical stiffness in all test modes; particularly in rotation mode, combined anterior-posterior stabilization increased stiffness by up to 102% compared with anterior plating alone. CONCLUSIONS: In comparison to a tricortical iliac crest bone graft and a nonexpandable cage, expandable cages have no biomechanical advantages. Due to the low extension and rotational stiffness, none of the implants can be recommended as a stand-alone device. Additional anterior plating increased biomechanical stability adequately. Therefore, additional posterior stabilization should only be considered in cases of severe rotational instability of the cervical spine