新型可注射性人工髓核生物力學(xué)性能測(cè)試及有限元模型分析的初步研究.pdf

1、一、背景和目的： 腰椎退行性疾病是脊柱外科常見病，目前越來越引起人們的重視。傳統(tǒng)的治療方法是髓核摘除術(shù)和椎體融合術(shù)，這兩種手術(shù)在一定時(shí)期內(nèi)的確發(fā)揮了重要的作用，但是髓核摘除術(shù)后將導(dǎo)致椎間高度的進(jìn)一步丟失，易繼發(fā)腰椎失穩(wěn)、椎管狹窄等病變。椎體融合雖然能解決椎間高度丟失和失穩(wěn)的發(fā)生，但融合節(jié)段喪失了原有的運(yùn)動(dòng)功能，同時(shí)加速了相鄰節(jié)段的退變速度。隨著脊柱功能重建理念的深入以及對(duì)上述手術(shù)并發(fā)癥的長(zhǎng)期觀察，促進(jìn)了人工髓核技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，其

2、分為預(yù)制型和注射型兩種，目前研究和臨床應(yīng)用最多的為預(yù)制型人工髓核，即人工髓核體外預(yù)先制成，其核心部分是由親水的水凝膠構(gòu)成，能夠在植入椎間隙后吸收水分膨脹，從而恢復(fù)椎間隙高度。但此類型假體置入前需要切除較大的纖維環(huán)方可將假體置入，這樣將使纖維環(huán)的完整性受到較大破壞，術(shù)后有假體脫出的危險(xiǎn)；其次，由于預(yù)制型假體外形已預(yù)制固定，無法與髓核摘除后的空腔存在良好的匹配；再次，因通過吸水膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力無法控制，易發(fā)生軟骨終板損傷。注射型人工髓核是將液

3、態(tài)單體注射入原髓核部位后聚合成固態(tài)的彈性體，它避免了預(yù)制型假體的缺點(diǎn)，但是液態(tài)的單體在聚合前有發(fā)生滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，另外聚合過程大量放熱，導(dǎo)致組織損傷。針對(duì)以上情況，我們研制開發(fā)了新型的可注射性人工髓核，通過被囊的使用，有效避免了液態(tài)單體的滲漏問題，同時(shí)采用新型的彈性體材料，可將聚合溫度控制在37℃，避免了組織的熱損傷。本課題的目的是對(duì)自行研制的新型可注射性人工髓核進(jìn)行體外生物力學(xué)測(cè)試，檢測(cè)新型人工髓核是否具有人體生理髓核的生物力學(xué)特性，同時(shí)

4、建立該人工髓核的有限元模型，通過有限元分析方法求解在各種復(fù)雜工況下人工髓核的生物力學(xué)理論參數(shù)，為其應(yīng)用于臨床提供實(shí)驗(yàn)及理論依據(jù)，同時(shí)為人工髓核的改進(jìn)和完善提供參考。 二、方法： 1、將含有催化劑及填料的液態(tài)乙烯基硅油、液態(tài)含氫硅油按比例混合后，經(jīng)注射裝置注射入聚碳酸酯聚氨酯(PCU)制成的被囊內(nèi)，在37℃恒溫箱內(nèi)聚合成人工髓核假體。 2、隨機(jī)選取人工髓核假體在37℃的生理鹽水中浸泡24小時(shí)后，在粘彈性測(cè)試儀Bos

5、e Electroforce3500上進(jìn)行壓縮模量試驗(yàn)、靜剛度試驗(yàn)、動(dòng)剛度試驗(yàn)、屈服極限試驗(yàn)、研磨試驗(yàn)、疲勞測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)分析。 3、使用七自由度柔性關(guān)節(jié)臂數(shù)字測(cè)量?jī)x對(duì)人工髓核假體掃描，得出點(diǎn)云模型，利用Imageware、ProE、Hyperworks軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)及圖形處理后建立人工髓核有限元模型。 4、利用非線性有限元求解器Abaqus對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行求解，計(jì)算靜剛度等參數(shù)，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果，以

6、驗(yàn)證有限元模型和求解的理論數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。 三、結(jié)果： 1、壓縮模量試驗(yàn)中以10N/s的速度對(duì)假體縱向緩慢加載到150N、250N、350N、500N、1000N時(shí)人工髓核的應(yīng)力和應(yīng)變呈非線性關(guān)系，彈性模量(壓縮模量)約為2．5MPa。 2、靜剛度試驗(yàn)中以10N/s的速度縱向加載到1000N過程中靜剛度逐漸增大，且為非線性。 3、動(dòng)剛度試驗(yàn)中以10N/s的速度緩慢縱向加載到400N時(shí)，動(dòng)剛度在0．5～3Hz

7、范圍內(nèi)其應(yīng)力滯后于應(yīng)變的相位角約為13°，在頻率為3Hz時(shí)，動(dòng)剛度約為靜剛度的3．5倍。 4、屈服極限試驗(yàn)以10N/s的速度從500N～2000N范圍內(nèi)緩慢加載，填充物沒有塑性變形；在1200N時(shí)，1個(gè)假體出現(xiàn)屈服。 5、研磨試驗(yàn)中分別載荷100N、400N時(shí)，研磨10000次，假體表面均無明顯磨損。 6、疲勞測(cè)試時(shí)人工髓核假體被囊出現(xiàn)變形甚至破裂，被囊和填充物內(nèi)核之間有生理鹽水滲入，個(gè)別填充物內(nèi)核破裂。

8、 7、假設(shè)人體上半身載荷為500N的情況下，對(duì)人工髓核有限元模型測(cè)試，其仿真結(jié)果(位移-載荷對(duì)應(yīng)關(guān)系)同實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。說明采用有限元方法初步研究人工髓核的力學(xué)性能是可行的。 四、結(jié)論： 被囊的設(shè)計(jì)合理，彈性內(nèi)核的材料選擇比較合適。對(duì)新型人工髓核假體進(jìn)行體外模擬人體環(huán)境下的生物力學(xué)測(cè)試及材料性能測(cè)試，結(jié)果表明其具有良好的彈性，抗形變能力強(qiáng)，符合或接近于正常人體腰椎髓核的生理功能，但測(cè)試過程中也反映出新型髓核在制作工藝方