论文部分内容阅读
目的:本研究拟通过对可撑开骨支架及植入腰椎骨折后的模型进行有限元分析,了解该支架在支撑过程中的应力分布、主要受力部位;通过对可撑开骨支架进行静态力学测试,针对其薄弱易损零件进行改良,最终达到人体所需的基本生物力学要求;制备改良后的骨支架,进行静态及动态机械力学强度测试,比较改良前及改良后可撑开骨支架的机械力学强度。评估这种可撑开骨支架的稳定性。方法:1.可撑开骨支架的三维有限元分析:利用三维有限元方法建立可撑开骨支架模型,模拟机械压缩测试,检测支架受易损零件,根据正常人腰2椎节段数据,建立腰2椎正常模型,腰2椎压缩性骨折模型,以及椎体骨折支架植入模型;每组固定模型分别加载0-10 NM的载荷,进行前屈、后伸、侧弯、旋转、下压承重五种工况运动,测试运动范围,分析支架-骨应力大小及应力变分布特点,比较三种状态下椎体的活动范围及应力分布情况。2.可撑开骨支架的改良制备:静态实验:应用微机控制材料试验机对5枚可撑开骨支架分别进行轴压静态试验,加载位移速率为2 mm/min,直到载荷-位移曲线出现载荷最大值,分析其主要易损坏结构,主要针对支架的推板、连接杆、铆钉进行加强改良。通过机械学原理及CAD软件设计,改良可撑开骨支架的易损部件,并委托江苏百易得医疗器械公司加工制成产品。3.可撑开骨支架的体外力学分析:使用已制备的可撑开骨支架进行体外机械力学测试。①静态实验:分别5枚支架,施加沿推板纵向轴线方向的压力,加载位移速率为2 mm/min,直到载荷-位移曲线出现载荷最大值,比较支架改良前后最大屈服载荷。②动态试验:分别对6枚支架,施加沿推板纵向轴线方向的压力,施加的最大载荷为最大静态载荷的40%,了解支架的稳定性。结果:1.三维有限元分析结果:①可撑开骨支架模型受到超过最大载荷的压力后,支架推板及连接杆出现严重扭曲变形。②五种工况下:前屈:正常椎体活动度为0.12°、骨折椎体活动度1.97°、椎体骨折支架植入活动度为0.894°。背伸:正常椎体活动度为0.115°、骨折椎体活动度1.979°、椎体骨折支架植入活动度为 2.324°。侧弯:正常椎体活动度为0.069°、骨折椎体活动度0.187°、椎体骨折支架植入活动度为0.206°。旋转:正常椎体活动度为0.093°、骨折椎体活动度0.386°、椎体骨折支架植入活动度为0.409°。下压:正常椎体活动度为0.000°、骨折椎体活动度1.058°、椎体骨折支架植入活动度为0.411°。在同等状态下,置入可撑开骨支架的椎体前屈和下压状态下活动度较骨折椎体明显减少,应力增加,说明支架在椎体内部起到一定的支撑作用。2.支架的改良研制结果:①静态实验（5改良前支架）:可撑开骨支架的屈服载荷均值为260.26±12.882 N,未能达到人体脊柱最低力学支持要求。易损零部件主要为,对推板:推板侧壁厚度由0.35 mm增加为0.55 mm,推板壁厚度由0.27 m m增加为0.525 mm;铆钉:连接杆底部铆钉直径由0.6 mm改为0.9 mm,连接杆中心铆钉直径由0.6 mm改为0.9 mm,连接杆支持轴直径由0.6 mm改为0.75 mm;中心螺杆:由M3改为M2,长度由16.9 mm改为18.8 mm。②改良出一批TC4钛合金材质,闭合状态下直径6.86 mm,支架长度18.8 mm,撑开后直径14.6 mm 3.可撑开骨支架的体外力学分析结果:①静态实验（5枚）:可撑开骨支架的屈服载荷均值为424.26±16.509N,与改良前支架比较,差异有统计学意义。②动态实验（6枚）:压力为屈服载荷的40%,支架可反复受压250万次,未出现失效。结论:1.通过三维有限元分析,该可撑开骨支架在支撑过程中,应力主要集中于推板及连接杆圆弧部,故推板、连接杆易出现扭曲变形;可撑开骨支架在椎体前屈和下压承重下,有着较好的稳定性。2.改良后的可撑开骨支架的屈服载荷有着明显提;疲劳性实验结果良好,能够初步满足脊柱生物力学对内固定强度的要求。