椎間盤組織工程的加載裝置設(shè)計及其有限元建模與分析.pdf

1、椎間盤退變或缺損導(dǎo)致的下腰疼及其他脊椎病已經(jīng)對人類的生活和經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重影響。雖然臨床上采用了許多新技術(shù)、新方法進(jìn)行治療,但無法解決根本問題。近年來,隨著組織工程相關(guān)新技術(shù)的不斷提高,為病變椎間盤在形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理功能的再生和修復(fù)帶來了新希望。
　　 本課題從椎間盤生物力學(xué)的角度入手,根據(jù)椎間盤的運(yùn)動和受載形式,研制出一種用于椎間盤組織工程培養(yǎng)的雙頻壓縮.扭轉(zhuǎn)加載裝置。該裝置可提供軸向雙頻壓縮加載及扭轉(zhuǎn)加載,雙頻壓縮包含低頻高幅和

2、高頻低幅兩個系統(tǒng),其中低頻高幅載荷是電機(jī)帶動凸輪實現(xiàn),通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)不同頻率的加載；高頻載荷利用壓電陶瓷來實現(xiàn)。扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)是使用步進(jìn)電機(jī)帶動載物臺旋轉(zhuǎn),通過調(diào)節(jié)步進(jìn)角控制旋轉(zhuǎn)角度。該裝置使椎問盤培養(yǎng)物接受類似于體內(nèi)真實環(huán)境下所承受的軸向壓縮載荷和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,有利于培養(yǎng)與活體椎間盤結(jié)構(gòu).功能相匹配的人工椎間盤組織,為椎間盤生物力學(xué)的進(jìn)一步研究提供了有利條件。
　　 此外,利用三維醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics和逆向工程軟件Ge

3、magic,構(gòu)建出52歲健康男性的L3-L4腰椎節(jié)段三維模型,并通過Ansys軟件構(gòu)建出完整的椎間盤模型,包括軟骨板、纖維、基質(zhì)、髓核,賦予合理的單元類型和材料屬性。對模型進(jìn)行靜力學(xué)分析,模擬椎間盤正壓、前屈、側(cè)彎、扭轉(zhuǎn)及復(fù)合運(yùn)動等多種工況,分別計算并得出相應(yīng)載荷下椎間盤各組織的應(yīng)力值和位移變化。有限元分析的結(jié)果,壓力作用下,纖維環(huán)向前膨脹,前方的拉應(yīng)力最大。屈曲和側(cè)彎時,應(yīng)力主要集中在后部,最大值出現(xiàn)在小關(guān)節(jié)棘突上。扭轉(zhuǎn)時主要的應(yīng)力出