一體化鈦基人工頸椎間盤(pán)的設(shè)計(jì)及力學(xué)行為研究.pdf

1、人工頸椎間盤(pán)置換術(shù)為頸椎病的治療提供了新的方法。針對(duì)現(xiàn)有人工頸椎間盤(pán)抗疲勞性能差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、手術(shù)繁瑣、術(shù)后易發(fā)生并發(fā)癥等缺點(diǎn)，本論文研究設(shè)計(jì)出新型的一體化人工頸椎間盤(pán)假體以及適用于該假體疲勞試驗(yàn)的專(zhuān)用試驗(yàn)夾具，并對(duì)假體生物力學(xué)性能及疲勞性能進(jìn)行模擬分析研究。
　　按照設(shè)計(jì)構(gòu)思，確定新型的一體化人工頸椎間盤(pán)假體的結(jié)構(gòu)特征并采用SolidWorks軟件建模。然后在ANSYS軟件中建立植入后端厚度為0.6mm、0.8mm、1.0mm和1

2、.2mm以及齒形為人字形和菱形的一體化人工頸椎間盤(pán)后的C5-C6單節(jié)段有限元模型。賦予假體β型鈦合金、TC4鈦合金和純鈦的材料屬性，在前屈、后伸以及側(cè)屈載荷下進(jìn)行模擬。分析表明，后端厚度為0.6mm、材料為純鈦的假體在前屈載荷下的最大等效應(yīng)力超過(guò)純鈦的屈服強(qiáng)度，其他幾種假體三種載荷下均未超過(guò)選用材料的屈服強(qiáng)度。三種載荷下后端厚度為0.8mm、假體材料為β型鈦合金的具有人字形齒結(jié)構(gòu)的人工頸椎間盤(pán)假體最大的等效應(yīng)力為383.264MPa，節(jié)

3、段活動(dòng)度為2.506o、3.232o和1.194o；前屈和側(cè)屈載荷下的活動(dòng)度接近正常頸椎的50％，而后伸載荷下活動(dòng)度會(huì)達(dá)到正常頸椎的90%。通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型假體的最大等效應(yīng)力和節(jié)段活動(dòng)度的分析比較表明，后端厚度為0.8mm、假體材料為β型鈦合金的具有人字形齒結(jié)構(gòu)的人工頸椎間盤(pán)假體能極大的恢復(fù)頸椎節(jié)段的運(yùn)動(dòng)功能，該假體結(jié)構(gòu)和選材為最佳設(shè)計(jì)方案。
　　針對(duì)一體化人工頸椎間盤(pán)假體的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了適用于頸椎間盤(pán)假體疲勞試驗(yàn)的專(zhuān)用試驗(yàn)夾具，

4、建立帶假體的疲勞試驗(yàn)夾具有限元模型，并進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，該疲勞試驗(yàn)專(zhuān)用夾具能逼真地模擬人體正常頸椎的生物力學(xué)特征，通過(guò)調(diào)節(jié)有限元模型的加載載荷，可使人工頸椎間盤(pán)假體應(yīng)力水平與假體植入椎間隙后的應(yīng)力結(jié)果等效。
　　采用ANSYS/FE-SAFE軟件對(duì)各種不同類(lèi)型頸椎間盤(pán)假體進(jìn)行疲勞模擬分析得出，后端厚度為0.8mm的純鈦假體的疲勞壽命為2132萬(wàn)次，而后端厚度為1.0mm以上的純鈦假體以及后端厚度為0.8mm以上的β型和TC4

5、鈦合金假體疲勞壽命均超過(guò)八千萬(wàn)次，符合人工頸椎間盤(pán)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。還發(fā)現(xiàn)，假體的最大疲勞累積損傷均發(fā)生在假體后端內(nèi)側(cè)。根據(jù)以專(zhuān)用疲勞試驗(yàn)夾具實(shí)體裝夾的假體疲勞試驗(yàn)結(jié)果，后端厚度為0.8mm的純鈦假體的疲勞斷裂壽命實(shí)測(cè)為3564.5萬(wàn)次；后端厚度為1.0mm的純鈦假體以及后端厚度為0.8mm的β型和TC4鈦合金假體在經(jīng)歷八千萬(wàn)次循環(huán)后均未發(fā)生疲勞斷裂，該疲勞試驗(yàn)結(jié)果與疲勞數(shù)值模擬結(jié)果吻合度高。
　　最后對(duì)頸椎間盤(pán)假體疲勞斷口進(jìn)行了形貌