新型可盤旋型人工髓核假體的彈性與黏彈性能測(cè)試

張嘉利馬遠(yuǎn)征朱微高瑾楊達(dá)宇王天天

（1.山西醫(yī)科大學(xué)研究生院，太原030001；2.中國(guó)人民解放軍第309醫(yī)院骨科，北京100091；3.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

近年來(lái)，慢性下腰痛（chronic low back pain）患者在脊柱外科門診患者中的比例越來(lái)越高。導(dǎo)致其就醫(yī)的主要原因是椎間盤退行性疾?。╠isc degenerative disease,DDD）[1,2]。對(duì)于早期慢性下腰痛患者，在經(jīng)過(guò)常規(guī)的保守治療效果不理想后，一般會(huì)考慮手術(shù)治療。單純摘除術(shù)解除了突出的椎間盤組織對(duì)馬尾神經(jīng)和神經(jīng)根的壓迫，短期內(nèi)具有良好的臨床效果[3-6]，但該術(shù)式降低了椎間隙的正常高度，增加鄰近小關(guān)節(jié)的正常負(fù)荷，限制手術(shù)節(jié)段的正常活動(dòng)，從而引起該節(jié)段生物力學(xué)的一系列改變，還可能加速鄰近節(jié)段退變的發(fā)生[7]，長(zhǎng)期效果不能令人滿意。人工椎間盤和人工髓核置換術(shù)不僅可以恢復(fù)椎間隙原有高度，同時(shí)還保留了相應(yīng)節(jié)段的運(yùn)動(dòng)功能[8,9]，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。聚乙烯醇水凝膠具有良好的生物相容性和生物力學(xué)特性[10-12]，已成為應(yīng)用最多的材料之一。本實(shí)驗(yàn)旨在對(duì)新型的聚乙烯醇水凝膠人工髓核假體進(jìn)行基本的生物力學(xué)測(cè)試，包括壓縮性能測(cè)試和黏彈性能測(cè)試，以便對(duì)隨后的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 材料和設(shè)備

聚乙烯醇（PVA）粉劑：1799型，阿拉丁試劑公司。電子萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)：型號(hào)WDS-5，長(zhǎng)春市朝陽(yáng)試驗(yàn)儀器有限公司。電熱式蒸汽消毒器：型號(hào)DZF6020，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。數(shù)顯控溫冰箱、牙脫粉、牙脫水、去離子水等。

1. 2 假體的設(shè)計(jì)與制備

為滿足微創(chuàng)手術(shù)的植入要求，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了新型的可盤旋形人工髓核假體（圖1）。該假體在體外可解盤旋成條狀，經(jīng)皮穿刺微創(chuàng)手術(shù)條件下植入后，可自動(dòng)恢復(fù)為盤旋橢圓形。PVA水凝膠是一種具有三維網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)的材料，其孔徑大小會(huì)隨著PVA含量增加而減小，三維網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)可以使水分和代謝產(chǎn)物相互流通，這與天然髓核結(jié)構(gòu)類似，所以我們選取PVA作為制備材料。將PVA粉劑通過(guò)4次循環(huán)冷凍-解凍循環(huán)，在經(jīng)過(guò)γ射線輻射的方法制備PVA水凝膠。本實(shí)驗(yàn)所需試樣由北京科技大學(xué)提供。

具體過(guò)程：配置PVA與去離子水的混合液。因人體髓核含水量為80%～85%[15]，所以我們制定PVA水凝膠的初始濃度分別為15wt%和20wt%。將混合液放入電熱式蒸汽消毒器中120℃加熱2 h，緩慢冷卻后將熔融液倒入模具中。冷卻至室溫后開始進(jìn)行冷凍解凍循環(huán)處理。最后對(duì)所得試樣進(jìn)行劑量為40KGy60Co的γ射線輻射。利用上述方法制作PVA試樣兩組，大小均為30 mm×20 mm×5 mm，每組各4件備用。

圖1 新型可盤旋形人工髓核假體

1. 3 標(biāo)本的制備

取新鮮成人腰椎脊柱標(biāo)本10件，制作成脊柱功能單元（L4-L5）。將尸體標(biāo)本分為3組：對(duì)照組2件，試驗(yàn)A、B組各4件。A組植入PVA含量為20wt%的試樣，B組植入PVA含量為15wt%的試樣，對(duì)照組不做任何處理。

實(shí)驗(yàn)前將尸體標(biāo)本在室溫下緩慢解凍。先將標(biāo)本上端安裝在加載盤上，下端用牙托粉固定在脊柱三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的基座上，保持中立位，用生理鹽水不斷沖洗以接近正常的生理狀態(tài)。然后在椎間盤左側(cè)纖維環(huán)上作一2.5 cm長(zhǎng)“Z”字形切口，切開纖維環(huán)全層后，用髓核鉗盡量鉗出全部髓核組織，按隨機(jī)順序先后植入兩組不同PVA含量的假體。用3-0絲線間斷縫合纖維環(huán)切口，準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)量。

1. 4 壓縮性能測(cè)試

本測(cè)試研究PVA假體的壓縮性能，即在靜態(tài)壓縮載荷作用下的形變行為。在室溫25℃下，將上述準(zhǔn)備好的各組脊柱標(biāo)本安置在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。壓縮速率為10 mm/min，壓縮應(yīng)變量為60%。記錄分別在10%、20%、30%、40%和50%的應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力變化。并通過(guò)公式1計(jì)算壓縮模量。

注：Eε為聚乙烯醇水凝膠的壓縮模量，σ為施加的應(yīng)力，ε為相應(yīng)的應(yīng)變值

1. 5 蠕變性能測(cè)試

本測(cè)試研究PVA假體的蠕變性能，即在恒溫、恒負(fù)荷作用下材料的應(yīng)變隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加的現(xiàn)象。高分子材料的蠕變現(xiàn)象一般采用Voigt（Kelvin）模型來(lái)模擬，該模型由胡克彈簧和牛頓粘壺并聯(lián)而成（圖2A），應(yīng)力由兩個(gè)元件共同承擔(dān)。Voigt運(yùn)動(dòng)方程見(jiàn)公式2，蠕變回復(fù)方程見(jiàn)公式3。

注：τ為蠕變松弛時(shí)間

但Voigt模型只能用來(lái)模擬交聯(lián)高聚物蠕變中的高彈形變，不能反映起始的普彈形變部分。為了探究該P(yáng)VA試驗(yàn)的蠕變行為，本實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)Voigt模型串聯(lián)同時(shí)串聯(lián)了一個(gè)彈簧加以修正，以模擬高聚物的普彈形變（圖2B）。通過(guò)一系列的計(jì)算，該黏彈模型的準(zhǔn)確蠕變行為表達(dá)式如下：

模型中有兩個(gè)弛豫時(shí)間τ1和τ2。對(duì)于交聯(lián)的聚乙烯醇水凝膠材料來(lái)說(shuō)，τ1表示大分子鏈中的鏈節(jié)、小分子等小尺寸運(yùn)動(dòng)單元的平均弛豫時(shí)間，τ2表示交聯(lián)點(diǎn)間的分子鏈段等大尺寸運(yùn)動(dòng)單元的平均弛豫時(shí)間。

圖2 Voigt（Kelvin）模型示意圖（A），修正后的模型示意圖（B）

該試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，室溫25℃，預(yù)加載段控制速度為5 mm/min，加載至0.5 N。加載段為200 N/S加載至60 N，蠕變段以30 N/S的加載速度加載至60 N，保持載荷3600 s。標(biāo)本同上。

1. 6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS14.0統(tǒng)計(jì)軟件（SPSS公司，美國(guó)）對(duì)3組結(jié)果的組間比較行單因素方差分析（LSD-t檢驗(yàn)）。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2. 1 壓縮性能測(cè)試

各組的軸向壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3A所示。利用公式1算出的壓縮模量如圖3B所示。

隨著應(yīng)力的增加，產(chǎn)生的應(yīng)變量也隨之增加。且PVA含量越高，產(chǎn)生相同的應(yīng)變需要的應(yīng)力也越大。說(shuō)明水凝膠在低應(yīng)變時(shí)剛度較小，高應(yīng)變時(shí)剛度較大。各組的壓縮曲線具有明顯的“非線性”，正符合黏彈性材料的力學(xué)行為。

隨著初始PVA含量的增加，水凝膠的壓縮模量增加。當(dāng)應(yīng)變由10%增加到50%時(shí)，A組（20wt%）的切線壓縮模量由0.58 MPa增加到9.93 MPa，而B組（10wt%）由0.47 MPa增加到5.38 MPa。三組不同的標(biāo)本在此壓縮范圍內(nèi)彈性模量增加均大于10倍。說(shuō)明水凝膠人工髓核假體在低應(yīng)變時(shí)剛度較小，假體能夠恢復(fù)脊柱的柔韌性；高應(yīng)變時(shí)剛度較大，說(shuō)明假體能夠有效維持椎間隙高度，提供脊柱以穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)分析顯示：A組與對(duì)照組之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；B組與對(duì)照組、B組與A組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（B組與對(duì)照組比較P＜0.01，B組與A組比較P＜0.05），表明A組的水凝膠人工髓核在壓縮性能上比B組更接近于正常椎間盤。

2. 2 蠕變性能測(cè)試

各組的蠕變曲線及A、B組試樣利用該模型的蠕變擬合曲線見(jiàn)圖4至圖6。如圖4所示，各組的蠕變曲線符合正常黏彈性材料的變化規(guī)律，且A組與正常組更接近。如圖5、圖6所示，A、B組試樣的實(shí)驗(yàn)曲線與利用該模型的擬合曲線基本相符，證明該模型能很好地模擬該假體實(shí)際的蠕變特性。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變曲線（A）和切線壓縮彈性模量曲線（B

圖4 各組的蠕變曲線

圖5 PVA20wt%組的蠕變與擬合曲線

圖6 PVA15wt%組的蠕變與擬合曲線

3 討論

髓核在正常直立靜止?fàn)顟B(tài)下主要承受壓應(yīng)力[13]。在初始較低負(fù)荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大變形，即對(duì)于一開始的初始低負(fù)荷較無(wú)法承受。當(dāng)負(fù)荷逐漸增加時(shí)，髓核本身的剛性逐漸提升，形變反而減少，所以正常的壓應(yīng)力-形變曲線呈S形。通過(guò)該曲線，可以計(jì)算出彈性模量，從而對(duì)正常髓核與人工髓核進(jìn)行對(duì)比。本實(shí)驗(yàn)中各組的壓縮曲線具有明顯的“非線性”，正符合黏彈性材料的力學(xué)行為。這是由于聚乙烯醇水凝膠的力學(xué)性能主要由其內(nèi)部的微晶區(qū)所決定。壓縮初始階段，這些自由水從三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中被擠壓出來(lái)，從而使樣品發(fā)生較大的變形；實(shí)驗(yàn)后期，大量的自由水已經(jīng)被擠壓出來(lái)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密，可空壓縮的自由體積較少，水凝膠的剛性增強(qiáng)，此時(shí)只有靠分子鏈之間的移動(dòng)變形來(lái)產(chǎn)生宏觀應(yīng)變，因此變形變得困難，反應(yīng)在應(yīng)力-應(yīng)變圖上就是產(chǎn)生一定的應(yīng)變時(shí)需要更大的力。

髓核具有明顯的黏彈特性，主要表現(xiàn)為蠕變和松弛[14]。蠕變是在恒溫、恒負(fù)荷作用下材料的應(yīng)變隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加的現(xiàn)象。髓核在低負(fù)荷情況下，開始時(shí)蠕變速率很高，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，速率逐漸降低。在低負(fù)荷卸載一段時(shí)間后，變形可消失，但當(dāng)負(fù)荷過(guò)大時(shí)，可出現(xiàn)永久變形。這可由下面原理解釋：在外力作用下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，材料相繼產(chǎn)生三種形變，普彈性變、高彈形變和塑性形變。相應(yīng)形變階段的分子運(yùn)動(dòng)分別是：首先，在外力作用下分子鏈鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生變化引起，形變量很小，為瞬時(shí)響應(yīng)；然后，通過(guò)鏈段運(yùn)動(dòng)而使分子鏈逐漸伸展從而發(fā)生構(gòu)象變化而引起的，這一階段形變量較大，除去外力時(shí)可完全回復(fù)；最后，外力作用造成分子間相對(duì)滑移，外力除去后不可回復(fù)[15]。蠕變不僅僅是由載荷和變形所決定，而且是一個(gè)隨時(shí)間和加載速度變化而不斷改變的變量。若假體植入后蠕變速率過(guò)大，在承載時(shí)置換節(jié)段的長(zhǎng)時(shí)間蠕變剛度相對(duì)不足，出現(xiàn)后部結(jié)構(gòu)和纖維環(huán)承受過(guò)度的載荷，脊柱相對(duì)不穩(wěn)；假體植入后蠕變速率過(guò)小，則在長(zhǎng)時(shí)間承載時(shí)置換節(jié)段的蠕變剛度相對(duì)過(guò)大，出現(xiàn)相鄰脊柱節(jié)段的負(fù)荷異常增加。聚乙烯醇水凝膠在壓力變化下能類似正常髓核那樣釋出和吸收液體，這種液體交換流動(dòng)過(guò)程不僅使缺乏血供的纖維環(huán)內(nèi)層完成的營(yíng)養(yǎng)和代謝物的交換，也能改善人工髓核植入后整個(gè)椎間盤黏彈性，對(duì)于防止假體置換后纖維環(huán)、小關(guān)節(jié)以及鄰近節(jié)段的繼發(fā)性退變、減少長(zhǎng)期并發(fā)癥的發(fā)生有重要意義。

高分子材料的蠕變現(xiàn)象一般采用Voigt（Kelvin）模型來(lái)模擬[16]，該模型由胡克彈簧和牛頓粘壺并聯(lián)而成。當(dāng)拉力作用于模型時(shí)，兩個(gè)組件所產(chǎn)生的形變量相同。由于粘壺的存在，當(dāng)外力施加到模型上時(shí)，彈簧的拉伸變成一個(gè)緩慢的過(guò)程，它會(huì)隨著粘壺慢慢被拉開。當(dāng)外力消失時(shí)，整個(gè)模型會(huì)在彈簧的拉力下緩慢的回復(fù)，這個(gè)過(guò)程與高聚物的蠕變過(guò)程相似。但Voigt模型只能用來(lái)模擬交聯(lián)高聚物蠕變中的高彈形變，未能反映起始的普彈形變部分。本實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)Voigt模型串聯(lián)同時(shí)串聯(lián)了一個(gè)彈簧加以修正，以模擬高聚物的普彈形變。結(jié)果證明，該模型能很好地模擬聚乙烯醇水凝膠的黏彈性能，可以為以后的此種材料的相關(guān)研究提供依據(jù)，也可為人工髓核假體的基礎(chǔ)生物力學(xué)研究提供參考。

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