本文關(guān)鍵詞：鈦合金一體化全活動度人工頸椎間盤研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：現(xiàn)有球窩結(jié)構(gòu)的人工頸椎間盤摩擦運動時,易產(chǎn)生顆粒引發(fā)炎癥;非限制性人工頸椎間盤手術(shù)部位的過度活動度,易導(dǎo)致韌帶應(yīng)力和應(yīng)變增加,加速鄰近軟組織退化;常規(guī)頸椎動態(tài)穩(wěn)定器(DCI)存在高應(yīng)力,低活動度,短期固定性差。針對上述問題,本文通過對常規(guī)DCI的研究,設(shè)計出兩種新型鈦合金一體化高活動度改性DCI頸椎間盤植入體(簡稱改性DCI),并對夾具優(yōu)化設(shè)計,通過靜力結(jié)構(gòu)仿真、疲勞仿真和疲勞實驗對新型改性DCI頸椎間盤植入體的力學(xué)性能和疲勞性能進(jìn)行分析研究。通過建立植入DCI的C5-C6頸椎節(jié)段的有限元模型,對不同材料、彎曲段的不同寬度和厚度的DCI進(jìn)行生物力學(xué)有限元分析,研究材料、彎曲段的寬度和厚度對其等效應(yīng)力和活動度的影響。結(jié)果表明:彈性模量低強(qiáng)度高的鈦合金更加適合改性DCI頸椎間盤植入體。相對于彎曲段的厚度,彎曲段的寬度對側(cè)屈和扭轉(zhuǎn)的活動度具有更明顯影響�？梢酝ㄟ^優(yōu)化彎曲段的寬度、厚度或者承載截面的形狀,使改性DCI能夠在滿足疲勞壽命的前提下最大可能的滿足患者頸椎節(jié)段在前屈、后伸、側(cè)屈和扭轉(zhuǎn)運動時所需的特定的活動度需求。提出了兩種新型改性DCI頸椎間盤植入體的初步設(shè)計方案:切角Ω型結(jié)構(gòu)的改性DCI頸椎間盤植入體和彎曲段采用類梯形截面的改性DCI頸椎間盤植入體。切角Ω型結(jié)構(gòu)的改性DCI頸椎間盤植入體是通過切角方式極大地提高了活動度,在理論上能夠滿足抗疲勞性能要求的同時,可實現(xiàn)術(shù)后頸椎節(jié)段前屈、后伸、側(cè)屈和扭轉(zhuǎn)的活動度達(dá)到正常頸椎100%、100%、99%、100%。彎曲段采用類梯形截面的改性DCI頸椎間盤植入體是通過下凹圓弧挖去多余厚度方式極大地提高了活動度,在理論上能夠滿足抗疲勞性能要求的同時,可實現(xiàn)術(shù)后頸椎節(jié)段前屈、后伸、側(cè)屈和扭轉(zhuǎn)的活動度達(dá)到正常頸椎77.6%以上、100%、100%、77.9%以上。為了設(shè)計一種能夠使其對改性DCI的夾持效果與C5-C6頸椎節(jié)段相同的生物力學(xué)性能仿生測試夾具,研究夾具的尺寸因素和材料屬性對夾具內(nèi)改性DCI的等效應(yīng)力和變形的影響。結(jié)果表明:在其他因素不變的條件下,隨著U型薄板材料的彈性模量、厚度和寬度的增加,改性DCI的最大等效應(yīng)力和變形明顯減小;但是,相對于U型薄板,其他的尺寸參數(shù)對改性DCI的最大等效應(yīng)力和變形沒有明顯影響。因此,重點優(yōu)化U型薄板的材料和尺寸,而圓柱體的幾何尺寸就根據(jù)頸椎節(jié)段的幾何尺寸來定義,圓柱塊的中心和U型薄板尾端的距離根據(jù)椎間盤和韌帶的距離來定義。通過頸椎仿生夾具,進(jìn)行疲勞仿真和疲勞試驗,并初步分析疲勞斷口。在疲勞仿真和疲勞實驗中,彎曲端的厚度為1.0mm、切角與螺栓孔的端面距離2mm角度25(彎曲段的寬度最小值8.3mm)的改性DCI的疲勞壽命分別為5360萬次和6173萬次;彎曲端的厚度為1.0mm、切角與螺栓孔端面距離1.5mm角度25(彎曲段的寬度最小值7.8mm)的改性DCI的疲勞壽命分別為2314萬次和1860萬次;其余規(guī)格的切角型改性DCI的疲勞壽命均超過8000萬次。通過對疲勞斷口的形貌分析,發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋首先在彎曲段外表面產(chǎn)生,這與靜力結(jié)構(gòu)的仿真假體最大應(yīng)力值以及疲勞仿真假體最小壽命的位置高度吻合。因此,彎曲段厚度1.0mm、切角與螺栓孔端面距離1.5mm角度20(彎曲段的寬度最小值10mm)的切角型改性DCI前屈、后伸、側(cè)屈、扭轉(zhuǎn)下的活動度分別能達(dá)到正常狀態(tài)的100%、100%、99%、100%,且滿足疲勞要求,理論上為最優(yōu)方案。
【關(guān)鍵詞】：人工頸椎間盤 鈦合金 生物力學(xué)有限元分析 仿生夾具 疲勞實驗
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.23;R318.08
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 注釋表13-14
• 第一章 緒論14-28
• 1.1 背景14-15
• 1.2 人工頸椎間盤假體的研究現(xiàn)狀15-22
• 1.2.1 常用的人工頸椎間盤假體的研究和介紹15-19
• 1.2.2 常見的假體選材19
• 1.2.3 常見的假體設(shè)計19-20
• 1.2.4 常見的假體測試方法20-22
• 1.3 有限元法在骨科生物力學(xué)中的應(yīng)用22-26
• 1.3.1 有限元法22-25
• 1.3.2 在骨科生物力學(xué)中有限元法的應(yīng)用25-26
• 1.4 本課題的研究意義和目的26-28
• 第二章 研究方法和研究方案28-35
• 2.1 相關(guān)軟件介紹28-30
• 2.1.1 Ansys Workbench軟件28-29
• 2.1.2 FE-SAFE軟件29-30
• 2.2 材料和設(shè)備30-33
• 2.3 研究方法33-34
• 2.4 本課題的研究方案流程34-35
• 第三章 新型改性DCI頸椎間盤植入體的設(shè)計35-44
• 3.1 新型改性DCI頸椎間盤植入體的設(shè)計目的35
• 3.2 探究常規(guī)DCI的材料、彎曲段的寬度和厚度對其性能的影響35-40
• 3.2.1 實驗方案35-37
• 3.2.2 有限元分析結(jié)果37-39
• 3.2.3 討論39-40
• 3.3 新型改性DCI頸椎間盤植入體的設(shè)計40-43
• 3.3.1 優(yōu)化設(shè)計的理論依據(jù)40
• 3.3.2 切角 Ω 型結(jié)構(gòu)的改性DCI設(shè)計方案40-42
• 3.3.3 彎曲段采用類梯形截面的改性DCI設(shè)計方案42-43
• 3.4 本章小結(jié)43-44
• 第四章 全活動度改性DCI有限元仿真及其結(jié)果分析44-53
• 4.1 設(shè)計方案一：切角 Ω 型結(jié)構(gòu)的改性DCI頸椎間盤植入體44-49
• 4.1.1 實驗方案44
• 4.1.2 有限元仿真分析過程44-45
• 4.1.3 有限元仿真結(jié)果45-49
• 4.2 設(shè)計方案二：彎曲段采用類梯形截面的改性DCI頸椎間盤植入體49-52
• 4.2.1 實驗方案49
• 4.2.2 有限元仿真結(jié)果49-52
• 4.3 本章小結(jié)52-53
• 第五章 夾具的優(yōu)化設(shè)計53-65
• 5.1 夾具的優(yōu)化設(shè)計目的和設(shè)計方案53-55
• 5.1.1 夾具的優(yōu)化設(shè)計目的53-54
• 5.1.2 夾具的設(shè)計方案54-55
• 5.2 夾具的仿真分析、結(jié)果和討論55-62
• 5.2.1 夾具的仿真分析過程55-56
• 5.2.2 尺寸因素和材料屬性對夾具內(nèi)改性DCI性能的影響結(jié)果56-60
• 5.2.3 夾具的優(yōu)化結(jié)果與分析60-62
• 5.3 全活動度改性DCI的實體加工62-63
• 5.3.1 鈦合金Ti13Nb13Zr62
• 5.3.2 全活動度改性DCI的加工樣品62-63
• 5.4 夾具的實體加工63-64
• 5.4.1 以環(huán)氧樹脂塊為基體填充了羥基磷灰石的塊體63
• 5.4.2 夾具的裝配63-64
• 5.5 本章小結(jié)64-65
• 第六章 疲勞仿真分析和實驗驗證65-72
• 6.1 疲勞仿真分析及其結(jié)果65-68
• 6.1.1 疲勞仿真過程65
• 6.1.2 疲勞仿真結(jié)果及分析65-68
• 6.2 疲勞實驗驗證68-71
• 6.2.1 疲勞實驗方法68-69
• 6.2.2 疲勞實驗結(jié)果69-70
• 6.2.3 斷口形貌分析70-71
• 6.3 本章小結(jié)71-72
• 第七章 總結(jié)和展望72-74
• 7.1 結(jié)論72-73
• 7.2 展望73-74
• 參考文獻(xiàn)74-80
• 致謝80-81
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文81

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：282673