新型可注射性人工髓核生物力学性能测试及有限元模型分析的初步研究

摘要

一、背景和目的： 腰椎退行性疾病是脊柱外科常见病，目前越来越引起人们的重视。传统的治疗方法是髓核摘除术和椎体融合术，这两种手术在一定时期内的确发挥了重要的作用，但是髓核摘除术后将导致椎间高度的进一步丢失，易继发腰椎失稳、椎管狭窄等病变。椎体融合虽然能解决椎间高度丢失和失稳的发生，但融合节段丧失了原有的运动功能，同时加速了相邻节段的退变速度。随着脊柱功能重建理念的深入以及对上述手术并发症的长期观察，促进了人工髓核技术的长足发展，其分为预制型和注射型两种，目前研究和临床应用最多的为预制型人工髓核，即人工髓核体外预先制成，其核心部分是由亲水的水凝胶构成，能够在植入椎间隙后吸收水分膨胀，从而恢复椎间隙高度。但此类型假体置入前需要切除较大的纤维环方可将假体置入，这样将使纤维环的完整性受到较大破坏，术后有假体脱出的危险；其次，由于预制型假体外形已预制固定，无法与髓核摘除后的空腔存在良好的匹配；再次，因通过吸水膨胀产生的应力无法控制，易发生软骨终板损伤。注射型人工髓核是将液态单体注射入原髓核部位后聚合成固态的弹性体，它避免了预制型假体的缺点，但是液态的单体在聚合前有发生渗漏的风险，另外聚合过程大量放热，导致组织损伤。针对以上情况，我们研制开发了新型的可注射性人工髓核，通过被囊的使用，有效避免了液态单体的渗漏问题，同时采用新型的弹性体材料，可将聚合温度控制在37℃，避免了组织的热损伤。本课题的目的是对自行研制的新型可注射性人工髓核进行体外生物力学测试，检测新型人工髓核是否具有人体生理髓核的生物力学特性，同时建立该人工髓核的有限元模型，通过有限元分析方法求解在各种复杂工况下人工髓核的生物力学理论参数，为其应用于临床提供实验及理论依据，同时为人工髓核的改进和完善提供参考。 二、方法： 1、将含有催化剂及填料的液态乙烯基硅油、液态含氢硅油按比例混合后，经注射装置注射入聚碳酸酯聚氨酯(PCU)制成的被囊内，在37℃恒温箱内聚合成人工髓核假体。 2、随机选取人工髓核假体在37℃的生理盐水中浸泡24小时后，在粘弹性测试仪Bose Electroforce3500上进行压缩模量试验、静刚度试验、动刚度试验、屈服极限试验、研磨试验、疲劳测试，记录数据并进行相关分析。 3、使用七自由度柔性关节臂数字测量仪对人工髓核假体扫描，得出点云模型，利用Imageware、ProE、Hyperworks软件进行数据及图形处理后建立人工髓核有限元模型。 4、利用非线性有限元求解器Abaqus对所建立的有限元模型进行求解，计算静刚度等参数，并对比实验测试的结果，以验证有限元模型和求解的理论数据是否准确。 三、结果： 1、压缩模量试验中以10N/s的速度对假体纵向缓慢加载到150N、250N、350N、500N、1000N时人工髓核的应力和应变呈非线性关系，弹性模量(压缩模量)约为2．5MPa。 2、静刚度试验中以10N/s的速度纵向加载到1000N过程中静刚度逐渐增大，且为非线性。 3、动刚度试验中以10N/s的速度缓慢纵向加载到400N时，动刚度在0．5～3Hz范围内其应力滞后于应变的相位角约为13°，在频率为3Hz时，动刚度约为静刚度的3．5倍。 4、屈服极限试验以10N/s的速度从500N～2000N范围内缓慢加载，填充物没有塑性变形；在1200N时，1个假体出现屈服。 5、研磨试验中分别载荷100N、400N时，研磨10000次，假体表面均无明显磨损。 6、疲劳测试时人工髓核假体被囊出现变形甚至破裂，被囊和填充物内核之间有生理盐水渗入，个别填充物内核破裂。 7、假设人体上半身载荷为500N的情况下，对人工髓核有限元模型测试，其仿真结果(位移-载荷对应关系)同实验结果基本一致。说明采用有限元方法初步研究人工髓核的力学性能是可行的。 四、结论： 被囊的设计合理，弹性内核的材料选择比较合适。对新型人工髓核假体进行体外模拟人体环境下的生物力学测试及材料性能测试，结果表明其具有良好的弹性，抗形变能力强，符合或接近于正常人体腰椎髓核的生理功能，但测试过程中也反映出新型髓核在制作工艺方面存在不足，需要改进和完善。 人工髓核有限元模型构建过程合理准确，模型可应用于各种工况下的有限元分析，可有效缩短实验过程的时间、减少实验成本，可进行复杂工况下新型髓核的力学性能测试。其测试结果经检测同实际实验结果相符合。该新型人工髓核的有限元模型可进一步应用于更广泛的生物力学指标测试，所得的理论数据，将对新型髓核的改进与完善提供十分重要的参考。它是一种非常简便实用的生物力学研究方法，是实验生物力学的补充和延伸。腰椎

目录

文摘

英文文摘

论文说明:中英文名词术语对照

声明

前言

第一部分新型可注射性人工髓核生物力学性能测试

材料和方法

结 果

讨 论

小 结

参考文献

第一部分图片

第二部分 新型可注射性人工髓核有限元模型建立及力学分析的初步研究

材料与方法

结 果

讨 论

小 结

参考文献

第二部分图片

全文结论

致谢

文献综述一 腰椎非融合及功能重建技术的最新进展

文献综述二 有限元法在脊柱生物力学研究中的应用

研究生期间撰写论文情况