钛合金一体化全活动度人工颈椎间盘研究

摘要

现有球窝结构的人工颈椎间盘摩擦运动时，易产生颗粒引发炎症；非限制性人工颈椎间盘手术部位的过度活动度，易导致韧带应力和应变增加，加速邻近软组织退化；常规颈椎动态稳定器（DCI）存在高应力，低活动度，短期固定性差。针对上述问题，本文通过对常规DCI的研究，设计出两种新型钛合金一体化高活动度改性 DCI颈椎间盘植入体（简称改性 DCI），并对夹具优化设计，通过静力结构仿真、疲劳仿真和疲劳实验对新型改性DCI颈椎间盘植入体的力学性能和疲劳性能进行分析研究。
　　通过建立植入DCI的C5-C6颈椎节段的有限元模型，对不同材料、弯曲段的不同宽度和厚度的DCI进行生物力学有限元分析，研究材料、弯曲段的宽度和厚度对其等效应力和活动度的影响。结果表明：弹性模量低强度高的钛合金更加适合改性DCI颈椎间盘植入体。相对于弯曲段的厚度，弯曲段的宽度对侧屈和扭转的活动度具有更明显影响。可以通过优化弯曲段的宽度、厚度或者承载截面的形状，使改性DCI能够在满足疲劳寿命的前提下最大可能的满足患者颈椎节段在前屈、后伸、侧屈和扭转运动时所需的特定的活动度需求。提出了两种新型改性DCI颈椎间盘植入体的初步设计方案：切角Ω型结构的改性DCI颈椎间盘植入体和弯曲段采用类梯形截面的改性DCI颈椎间盘植入体。
　　切角Ω型结构的改性DCI颈椎间盘植入体是通过切角方式极大地提高了活动度，在理论上能够满足抗疲劳性能要求的同时，可实现术后颈椎节段前屈、后伸、侧屈和扭转的活动度达到正常颈椎100％、100%、99%、100%。弯曲段采用类梯形截面的改性DCI颈椎间盘植入体是通过下凹圆弧挖去多余厚度方式极大地提高了活动度，在理论上能够满足抗疲劳性能要求的同时，可实现术后颈椎节段前屈、后伸、侧屈和扭转的活动度达到正常颈椎77.6%以上、100%、100%、77.9%以上。
　　为了设计一种能够使其对改性DCI的夹持效果与C5-C6颈椎节段相同的生物力学性能仿生测试夹具，研究夹具的尺寸因素和材料属性对夹具内改性DCI的等效应力和变形的影响。结果表明：在其他因素不变的条件下，随着 U型薄板材料的弹性模量、厚度和宽度的增加，改性DCI的最大等效应力和变形明显减小；但是，相对于U型薄板，其他的尺寸参数对改性 DCI的最大等效应力和变形没有明显影响。因此，重点优化U型薄板的材料和尺寸，而圆柱体的几何尺寸就根据颈椎节段的几何尺寸来定义，圆柱块的中心和U型薄板尾端的距离根据椎间盘和韧带的距离来定义。
　　通过颈椎仿生夹具，进行疲劳仿真和疲劳试验，并初步分析疲劳断口。在疲劳仿真和疲劳实验中，弯曲端的厚度为1.0mm、切角与螺栓孔的端面距离2mm角度25（弯曲段的宽度最小值8.3mm）的改性DCI的疲劳寿命分别为5360万次和6173万次；弯曲端的厚度为1.0mm、切角与螺栓孔端面距离1.5mm角度25（弯曲段的宽度最小值7.8mm）的改性DCI的疲劳寿命分别为2314万次和1860万次；其余规格的切角型改性DCI的疲劳寿命均超过8000万次。通过对疲劳断口的形貌分析，发现疲劳裂纹首先在弯曲段外表面产生，这与静力结构的仿真假体最大应力值以及疲劳仿真假体最小寿命的位置高度吻合。因此，弯曲段厚度1.0mm、切角与螺栓孔端面距离1.5mm角度20（弯曲段的宽度最小值10mm）的切角型改性DCI前屈、后伸、侧屈、扭转下的活动度分别能达到正常状态的100%、100%、99%、100%，且满足疲劳要求，理论上为最优方案。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 背景

1.2 人工颈椎间盘假体的研究现状

1.3 有限元法在骨科生物力学中的应用

1.4 本课题的研究意义和目的

第二章 研究方法和研究方案

2.1 相关软件介绍

2.2 材料和设备

2.3 研究方法

2.4 本课题的研究方案流程

第三章 新型改性DCI颈椎间盘植入体的设计

3.1 新型改性DCI颈椎间盘植入体的设计目的

3.2 探究常规DCI的材料、弯曲段的宽度和厚度对其性能的影响

3.3 新型改性DCI颈椎间盘植入体的设计

3.4 本章小结

第四章 全活动度改性DCI有限元仿真及其结果分析

4.1 设计方案一：切角Ω型结构的改性DCI颈椎间盘植入体

4.2 设计方案二：弯曲段采用类梯形截面的改性DCI颈椎间盘植入体

4.3 本章小结

第五章 夹具的优化设计

5.1 夹具的优化设计目的和设计方案

5.2 夹具的仿真分析、结果和讨论

5.3 全活动度改性DCI的实体加工

5.4 夹具的实体加工

5.5 本章小结

第六章 疲劳仿真分析和实验验证

6.1 疲劳仿真分析及其结果

6.2 疲劳实验验证

6.3 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文