新型可注射性人工髓核生物力學(xué)性能測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)段喪失了原有的運動功能，同時加速了相鄰節(jié)段的退變速度。隨著脊柱功能重建理念的深入以及對上述手術(shù)并發(fā)癥的長期觀察，促進了人工髓核技術(shù)的長足發(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；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，但是液態(tài)的單體在聚合前有發(fā)生滲漏的風(fēng)險，另外聚合過程大量放熱，導(dǎo)致組織損傷。針對以上情況，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。本課題的目的是對自行研制的新型可注射性人工髓核進行體外生物力學(xué)測試，檢測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

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)用于臨床提供實驗及理論依據(jù)，同時為人工髓核的改進和完善提供參考。 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、隨機選取人工髓核假體在37℃的生理鹽水中浸泡24小時后，在粘彈性測試儀Bos

5、e Electroforce3500上進行壓縮模量試驗、靜剛度試驗、動剛度試驗、屈服極限試驗、研磨試驗、疲勞測試，記錄數(shù)據(jù)并進行相關(guān)分析。 3、使用七自由度柔性關(guān)節(jié)臂數(shù)字測量儀對人工髓核假體掃描，得出點云模型，利用Imageware、ProE、Hyperworks軟件進行數(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對所建立的有限元模型進行求解，計算靜剛度等參數(shù)，并對比實驗測試的結(jié)果，以

6、驗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、壓縮模量試驗中以10N/s的速度對假體縱向緩慢加載到150N、250N、350N、500N、1000N時人工髓核的應(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、動剛度試驗中以10N/s的速度緩慢縱向加載到400N時，動剛度在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，動剛度約為靜剛度的3．5倍。 4、屈服極限試驗以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，1個假體出現(xiàn)屈服。 5、研磨試驗中分別載荷100N、400N時，研磨10000次，假體表面均無明顯磨損。 6、疲勞測試時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，對人工髓核有限元模型測試，其仿真結(jié)果(位移-載荷對應(yīng)關(guān)系)同實驗結(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)計合理，彈性內(nèi)核的材料選擇比較合適。對新型人工髓核假體進行體外模擬人體環(huán)境下的生物力學(xué)測試及材料性能測試，結(jié)果表明其具有良好的彈性，抗形變能力強，符合或接近于正常人體腰椎髓核的生理功能，但測試過程中也反映出新型髓核在制作工藝方