鈦合金一體化全活動度人工頸椎間盤研究.pdf

1、現(xiàn)有球窩結(jié)構(gòu)的人工頸椎間盤摩擦運動時，易產(chǎn)生顆粒引發(fā)炎癥；非限制性人工頸椎間盤手術(shù)部位的過度活動度，易導(dǎo)致韌帶應(yīng)力和應(yīng)變增加，加速鄰近軟組織退化；常規(guī)頸椎動態(tài)穩(wěn)定器（DCI）存在高應(yīng)力，低活動度，短期固定性差。針對上述問題，本文通過對常規(guī)DCI的研究，設(shè)計出兩種新型鈦合金一體化高活動度改性 DCI頸椎間盤植入體（簡稱改性 DCI），并對夾具優(yōu)化設(shè)計，通過靜力結(jié)構(gòu)仿真、疲勞仿真和疲勞實驗對新型改性DCI頸椎間盤植入體的力學(xué)性能和疲勞性能進

2、行分析研究。
　　通過建立植入DCI的C5-C6頸椎節(jié)段的有限元模型，對不同材料、彎曲段的不同寬度和厚度的DCI進行生物力學(xué)有限元分析，研究材料、彎曲段的寬度和厚度對其等效應(yīng)力和活動度的影響。結(jié)果表明：彈性模量低強度高的鈦合金更加適合改性DCI頸椎間盤植入體。相對于彎曲段的厚度，彎曲段的寬度對側(cè)屈和扭轉(zhuǎn)的活動度具有更明顯影響?？梢酝ㄟ^優(yōu)化彎曲段的寬度、厚度或者承載截面的形狀，使改性DCI能夠在滿足疲勞壽命的前提下最大可能的滿足患者

3、頸椎節(jié)段在前屈、后伸、側(cè)屈和扭轉(zhuǎn)運動時所需的特定的活動度需求。提出了兩種新型改性DCI頸椎間盤植入體的初步設(shè)計方案：切角Ω型結(jié)構(gòu)的改性DCI頸椎間盤植入體和彎曲段采用類梯形截面的改性DCI頸椎間盤植入體。
　　切角Ω型結(jié)構(gòu)的改性DCI頸椎間盤植入體是通過切角方式極大地提高了活動度，在理論上能夠滿足抗疲勞性能要求的同時，可實現(xiàn)術(shù)后頸椎節(jié)段前屈、后伸、側(cè)屈和扭轉(zhuǎn)的活動度達到正常頸椎100％、100%、99%、100%。彎曲段采用類梯形

4、截面的改性DCI頸椎間盤植入體是通過下凹圓弧挖去多余厚度方式極大地提高了活動度，在理論上能夠滿足抗疲勞性能要求的同時，可實現(xiàn)術(shù)后頸椎節(jié)段前屈、后伸、側(cè)屈和扭轉(zhuǎn)的活動度達到正常頸椎77.6%以上、100%、100%、77.9%以上。
　　為了設(shè)計一種能夠使其對改性DCI的夾持效果與C5-C6頸椎節(jié)段相同的生物力學(xué)性能仿生測試夾具，研究夾具的尺寸因素和材料屬性對夾具內(nèi)改性DCI的等效應(yīng)力和變形的影響。結(jié)果表明：在其他因素不變的條件下，

5、隨著 U型薄板材料的彈性模量、厚度和寬度的增加，改性DCI的最大等效應(yīng)力和變形明顯減小；但是，相對于U型薄板，其他的尺寸參數(shù)對改性 DCI的最大等效應(yīng)力和變形沒有明顯影響。因此，重點優(yōu)化U型薄板的材料和尺寸，而圓柱體的幾何尺寸就根據(jù)頸椎節(jié)段的幾何尺寸來定義，圓柱塊的中心和U型薄板尾端的距離根據(jù)椎間盤和韌帶的距離來定義。
　　通過頸椎仿生夾具，進行疲勞仿真和疲勞試驗，并初步分析疲勞斷口。在疲勞仿真和疲勞實驗中，彎曲端的厚度為1.0m

6、m、切角與螺栓孔的端面距離2mm角度25（彎曲段的寬度最小值8.3mm）的改性DCI的疲勞壽命分別為5360萬次和6173萬次；彎曲端的厚度為1.0mm、切角與螺栓孔端面距離1.5mm角度25（彎曲段的寬度最小值7.8mm）的改性DCI的疲勞壽命分別為2314萬次和1860萬次；其余規(guī)格的切角型改性DCI的疲勞壽命均超過8000萬次。通過對疲勞斷口的形貌分析，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋首先在彎曲段外表面產(chǎn)生，這與靜力結(jié)構(gòu)的仿真假體最大應(yīng)力值以及疲勞仿