一體化鈦基人工頸椎間盤的設(shè)計及力學行為研究.pdf

1、人工頸椎間盤置換術(shù)為頸椎病的治療提供了新的方法。針對現(xiàn)有人工頸椎間盤抗疲勞性能差、結(jié)構(gòu)復雜、手術(shù)繁瑣、術(shù)后易發(fā)生并發(fā)癥等缺點，本論文研究設(shè)計出新型的一體化人工頸椎間盤假體以及適用于該假體疲勞試驗的專用試驗夾具，并對假體生物力學性能及疲勞性能進行模擬分析研究。
　　按照設(shè)計構(gòu)思，確定新型的一體化人工頸椎間盤假體的結(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)力超過純鈦的屈服強度，其他幾種假體三種載荷下均未超過選用材料的屈服強度。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)的人工頸椎間盤假體最大的等效應(yīng)力為383.264MPa，節(jié)

3、段活動度為2.506o、3.232o和1.194o；前屈和側(cè)屈載荷下的活動度接近正常頸椎的50％，而后伸載荷下活動度會達到正常頸椎的90%。通過對不同類型假體的最大等效應(yīng)力和節(jié)段活動度的分析比較表明，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)的人工頸椎間盤假體能極大的恢復頸椎節(jié)段的運動功能，該假體結(jié)構(gòu)和選材為最佳設(shè)計方案。
　　針對一體化人工頸椎間盤假體的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計了適用于頸椎間盤假體疲勞試驗的專用試驗夾具，

4、建立帶假體的疲勞試驗夾具有限元模型，并進行模擬分析。結(jié)果表明，該疲勞試驗專用夾具能逼真地模擬人體正常頸椎的生物力學特征，通過調(diào)節(jié)有限元模型的加載載荷，可使人工頸椎間盤假體應(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軟件對各種不同類型頸椎間盤假體進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八千萬次，符合人工頸椎間盤設(shè)計指標要求。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)以專用疲勞試驗夾具實體裝夾的假體疲勞試驗結(jié)果，后端厚度為0.8mm的純鈦假體的疲勞斷裂壽命實測為3564.5萬次；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)歷八千萬次循環(huán)后均未發(fā)生疲勞斷裂，該疲勞試驗結(jié)果與疲勞數(shù)值模擬結(jié)果吻合度高。
　　最后對頸椎間盤假體疲勞斷口進行了形貌