一种新型设计的个性化椎间融合器及其生物力学分析

椎间融合器在临床上经常用于脊柱感染性和退行性疾病的治疗,然而,进一步的临床应用通常受到一些缺陷的困扰,如应力遮挡和融合器沉降.本研究旨在提出一种新的脊柱融合器个性化设计理念:从微观到宏观的多尺度联合设计方法,创建与腰椎骨终板弹性模量和手术形式皆匹配的脊柱融合器.具体而言,引入三周期极小曲面来模拟聚醚醚酮(PEEK)融合器的多孔结构,通过调整孔隙参数以实现定制的宏观力学性能和孔隙结构的渗透性能。接着,针对经皮内镜下腰椎后路椎间融合术(PE-PLIF)进行多目标(屈伸、弯曲和扭转)拓扑优化,得到二次设计的新型多孔拓扑融合器。最后,将临床常用的钛融合器、PEEK融合器和本文设计的新型融合器进行基于有限元方法的生物力学对比分析。结果表明,与其他两种融合器相比,新型多孔拓扑融合器有着较低的骨-融合器界面应力和较高的内部移植骨应力和应变能密度,证明其有着较低的融合器沉降率和应力屏蔽的风险.总之,新型多孔拓扑融合器由于其良好的生物力学性能成为椎间融合术的理想选择.本文所提出的融合器设计思路和理念也可用于指导其他不同椎间融合术.

猪关节软骨三层力-电特性的实验研究

力-电特性是关节软骨中众所周知的特性之一.然而目前还不清楚软骨组织不同区域的力-电特性.因此,本文的目的是研究关节软骨各区域的力-电特性及其相关影响因素.施加载荷后,力-电特性产生的电压信号沿软骨厚度方向由浅表层向深层逐渐增加,并且这种机制只有在应力产生明显相对变化时才能表现出来.此外,关节软骨的力-电特性产生的电压信号会随着载荷峰值和加载速率的增加而明显增加.我们通过将实验结果与指数函数进行拟合,得出了软骨各区的力-电特性的电压变化规律.研究结果表明,软骨组织不同区域的力-电特性差异在很大程度上取决于胶原纤维的排列分布.另外,软骨的内部结构和外部加载条件对关节软骨的力-电特性也有重要影响.这可为组织工程学中人工植入压电材料治疗骨关节炎提供重要参考.