颈椎椎间PLA融合器的有限元分析与实验研究

论文摘要

颈椎连接着头颅与胸椎,在人体运动过程中起着重要的作用。随着社会不断的发展,颈椎面临的问题逐渐增多,颈椎病发生的概率越来越高。目前治疗颈椎病经常使用颈椎前路植骨减压手术,手术治疗过程需要融合器的支撑,但由于融合器的结构与材料存在争议,一直没有得到统一。针对上述融合器的问题,本文考虑终板形状和抗压强度分布特点,设计颈椎椎间融合器,在Pro-e5.0完成融合器三维建模,选用PLA（聚乳酸）材料,通过Mimics10.0、逆向建模软件以及网格划分软件完成颈椎C5-C6完整有限元模型和PLA融合器模型建立,进行前屈、后伸、左右侧弯和左右轴向旋转六种工况加载,分析活动度、变形位移、椎体应力、C6下终板应力和融合器应力五个防下沉指数,完成有限元分析。研究结果表明在融合器植入后各个工况的活动度减小,最大为后伸工况,最小为轴向旋转工况;对PLA融合器模型施加不同载荷时,整体会发生位移,后伸的位移变化最大,左轴向旋转工况的位移最小;各个椎体的最大应力虽然相应地增大,但处于一个安全的范围;椎体和C6下终板应力分布均匀,无应力集中现象发生,说明融合器植入后不会导致椎体和下终板的损坏;通过对融合器的应力分布发现,融合器受力均匀,无应力集中现象,且最大应力依次是后伸、前屈、右侧弯、左侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转。为了进一步验证有限元分析的可信程度以及PLA融合器的力学性能,本文通过3D打印技术,打印PLA融合器,在实验仪器WDW-10电子万能试验机上对动物标本进行轴向压缩、前屈、后伸、左右侧弯加载,完成了完整模型和融合器组模型的实验研究,同时在实验测试基础上确定了有限元加载方法,进行了完整模型和融合器模型的有限元仿真,得出轴向压缩、前屈、后伸、左右侧弯工况的载荷-位移曲线以及计算轴向刚度,结果表明载荷位移曲线除了前屈工况呈直线运动,其他工况均呈非线性变化,有限元均为线性变化,相对于完整模型,融合器植入后的融合器组所有工况位移变小,轴向刚度增大,说明PLA融合器植入后可以提高颈椎的初始稳定性;各工况的最大位移由大至小依次为左侧弯、后伸、右侧弯、前屈、轴向压缩;最后在EUT-1020型电子万能试验机对PLA融合器进行了强度实验和疲劳试验测试,测得了PLA融合器的破坏载荷,且在循环载荷作用下,融合器结构未出现明显破损和变形情况。结合有限元仿真部分和实验测试部分可知,可知设计的PLA融合器具有较好的防下沉能力,能够提供较好的初始稳定性以及抗压缩性能,满足生物力学基本要求,可以为治疗颈椎病和设计融合器提供一些参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外发展概况
•     1.2.1 国外发展现状
•     1.2.2 国内发展状况
•   1.3 目前国内外研究所存在问题
•   1.4 研究的内容
• 第二章 融合器设计
•   2.1 融合器设计概念
•     2.1.1 颈椎融合器设计目标
•     2.1.2 融合器结构设计准则
•   2.2 融合器形状设计
• 第三章 颈椎C5-C6完整模型和融合器组有限元模型建立
•   3.1 研究对象与设备
•   3.2 颈椎完整C5-C6节段建模
•     3.2.1 Mimics建模
•     3.2.2 颈椎逆向建模
•     3.2.3 椎间盘建模及网格划分
•   3.3 颈前路融合器模型建立
•     3.3.1 融合器与椎体的装配
•     3.3.2 网格划分
•   3.4 讨论
• 第四章 有限元仿真结果与讨论
•   4.1 有限元法理论基础
•   4.2 颈椎完整C5-C6模型有效性验证
•     4.2.1 接触及材料属性设置
•     4.2.2 设定边界条件
•     4.2.3 模型验证结果
•   4.3 融合器防下沉性能力指标
•     4.3.1 设定边界条件
•     4.3.2 防下沉性能力指标
•   4.4 结果分析
•     4.4.1 不同工况下活动度的变化
•     4.4.2 融合器植入后的位移变化
•     4.4.3 不同工况下各个椎体最大应力对比
•     4.4.4 融合器植入后各个工况下的椎体应力分布
•     4.4.5 不同工况下C6上终板应力分布
•     4.4.6 不同工况下融合器应力分布
•   4.5 讨论
•     4.5.1 模型有效性分析
•     4.5.2 防下沉性能力指标能力分析
•   4.6 本章小结
• 第五章 融合器实验测试
•   5.1 3D打印融合器实物
•   5.2 实验材料、设备
•     5.2.1 实验标本来源
•     5.2.2 实验设备
•   5.3 实验方法
•     5.3.1 轴向压缩测试
•     5.3.2 前屈、后伸和左右侧弯测试
•     5.3.3 融合器的破坏实验
•     5.3.4 融合器疲劳试验
•   5.4 有限元仿真
•   5.5 结果及分析
•     5.5.1 轴向压缩结果
•     5.5.2 前屈结果
•     5.5.3 后伸结果
•     5.5.4 左侧弯结果
•     5.5.5 右侧弯结果
•     5.5.6 最大载荷对应的位移
•     5.5.7 轴向刚度
•     5.5.8 破坏实验结果
•     5.5.9 融合器疲劳试验结果
•   5.6 讨论
•     5.6.1 融合器材料选择
•     5.6.2 实验标本选择
•     5.6.3 融合器的初始稳定性评价
• 第六章 总结与与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文及科技情况说明
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 田杰

导师: 陈玲

关键词: 颈椎病,融合器,终板抗压强度,力学性能,初始稳定性

来源: 天津理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 生物学,生物医学工程

单位: 天津理工大学

分类号: R318

总页数: 63

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