人工椎间盘生物摩擦学研究进展_脊柱模拟试验机方法

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２ ３ ２ ３ ＷＡＮＧ Ｓｏｎｇ１， ＬＩＡＯ Ｚｈｅｎ － ｈｕａ２ ＬＩＵ Ｙｕ － ｈｏｎｇ１， ＬＩＵ Ｗｅｉ － ｑｉａｎｇ１， ＷＥＮ Ｓｈｉ － ｚｈｕ１，
２． Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌａｂ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０５７ Ｃｈｉｎａ
第 ３３ 卷 第 ２期 ２０１３ 年 ３ 月
摩 擦 学 学 报
Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ ３３ Ｎｏ ２ Ｍａｒ ２０１３
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人 工 椎 间 盘 生 物 摩 擦 学 研 究 进 展 ： 脊 柱 模 拟 试 验 机 方 法
（ 华 大 学 精 密 仪 器 与 机 械 学 系 ， 北 京 １． 清 １０００８４ ； 圳 清 华 大 学 研 究 院 生 物 医 用 材 料 及 植 入 器 械 重 点 实 验 室 ， 广 东 深 圳 ２． 深 ５１８０５７ ； 华 大 学 摩 擦 学 国 家 重 点 实 验 室 ， 北 京 ３． 清 １０００８４ ） 工 椎 间 盘 生 物 摩 擦 学 性 能 评 估 有 多 种 研 究 方 法 ， 其 中 使 用 脊 柱 模 拟 试 验 机 是 评 估 椎 间 盘 假 体 中 长 期 磨 要 摘 ：人 ．本 损 性 能 的 主 要 手 段 文 整 理 了 近 年 来 使 用 脊 柱 模 拟 试 验 机 进 行 椎 间 盘 假 体 磨 损 性 能 评 估 的 研 究 文 献 ， 介 绍 了 现 有 脊 柱 模 拟 试 验 机 种 类 和 研 究 方 法 以 及 相 关 试 验 标 准 ； 分 析 了 近 年 来 针 对 影 响 假 体 磨 损 性 能 主 要 因 素 （假 体 结 构 设 动 率 、 润 滑 液 、 磨 损 时 间 等 ）所 取 得 的 研 究 进 展 ； 综 述 了 主 要 颈 腰 椎 人 工 椎 计 、 关 节 材 料 、 材 料 表 面 处 理 、 载 荷 ／运 ／频 ． 间 盘 假 体 的 磨 损 性 能 工 椎 间 盘 ； 生 物 摩 擦 学 ； 脊 柱 模 拟 试 验 机 ； 综 述 关 键 词 ：人 Ａ １００４ － ０５９５ （ ２０１３ ） ０２ － ０２０２ － ０７ 中 图 分 类 号 ：ＴＨ１１７． ３ 文 献 标 志 码 ： 文 章 编 号 ：
， ， ， ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ （ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｊｏｉｎｔ ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ，ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｌｏａｄ ／ ｍｏｔｉｏｎ ／ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ， ，ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｓｏｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｂｏｕｔ ｗｅａｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｃｅｒｖｉｃａｌ ／ ｌｕｍｂａｒ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｄｉｓｃ ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ． ｗｅａｒ ｔｉｍｅ， ｅｔｃ． ） Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｄｉｓｃ， ｂｉｏｔｒｉｂｏｌｏｇｙ， ｓｐｉｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ， ｒｅｖｉｅｗ
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前 各 国 研 究 人 员 针 对 天 然 ．目 耐 久 性 测 试 的 精 确 性 脊 柱 的 运 动 特 点 ， 结 合 不 断 发 展 完 善 的 磨 损 试 验 标 准 ， 开 发 了 多 种 脊 柱 模 拟 试 验 机 ，其 主 要 种 类 有 ： ＭＴＳ Ｂｉｏｎｉｘ Ｓｐｉｎｅ Ｗｅａｒ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ、Ｅｎｄｏｌａｂ Ｓｐｉｎｅ Ｂｏｓｅ Ｓｐｉｎａｌ Ｄｉｓｃ Ｆａｔｉｇｕｅ ／ Ｗｅａｒ Ｓｙｓｔｅｍ、 Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ、 Ｌａｖｅｅｎ Ｓｐｉｎｅ Ｗｅａｒ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ、Ｐｒｏｓｉｍ Ｓｐｉｎｅ Ｗｅａｒ 些 试 验 机 的 共 性 为 多 站 台 （Ｍｕｌｔｉ － Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ 等 ．这 模 式 ， 可 以 参 照 试 验 标 准 实 现 椎 间 盘 天 然 运 ｓｔａｔｉｏｎ） 动 模 式 和 幅 度 ：前 屈 后 伸 运 动 （ＦＥ：Ｆｌｅｘｉｏｎ ／ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ） Ｌａｔｅｒａｌ Ｂｅｎｄ ） 、 左 右 弯 曲 （ＬＢ： 、 左 右 轴 向 旋 转 （ＡＲ： ， 载 荷 和 频 率 可 控 ， 拥 有 环 Ａｘｉａｌ Ｒｏｔａｔｉｏｎ ） ／小 ／生 ．其 牛 血 清 溶 液 理 盐 水 ）等 不 同 之 境 舱 （ 水 浴 处 主 要 在 于 试 验 机 可 实 现 的 运 动 自 由 度 个 数 及 种 类 ： 四 自 由 度 （如 Ｅｎｄｏｌａｂ ） ＦＥ 、 ＬＢ 、 ＡＲ、 ＡＦ ， 可 实 现 Ａｘｉａｌ Ｆｏｒｃｅ） ＭＴＳ） （ 运 动 ； 六 自 由 度 （ 如 ， 增 加 了 前 后 剪 切 （ 侧 向 剪 切 Ｓ － ＡＰ： Ｓｈｅａｒ － ａｎｔｅｒｉｏｒ ｐｏｓｔｅｒｉｏｒ ）和 （ 运 动 于 目 前 国 Ｓ － ＬＴ： Ｓｈｅａｒ － ｌａｔｅｒａｌ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ） ．由 际 上 试 验 标 准 只 规 定 了 四 种 自 由 度 ， 所 以 当 设 置 相 同 参 数 条 件 时 ， 对 于 同 一 假 体 采 用 不 同 试 验 机 测 得 的 结 果 应 该 相 差 不 大 ， 这 样 才 能 尽 量 减 少 试 验 机 类 别 对 假 体 生 物 摩 擦 学 性 能 的 影 响 ， 更 好 地 对 比 其 他 影 响 因 素 ．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｂｉｏｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｄｉｓｃ Ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ Ｔｈｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｂ Ｕｓｉｎｇ Ｓｐｉｎａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒｓ
，， ，， ， ， ， 松 王 廖 振 华 ， 刘 宇 宏 刘 伟 强 温 诗 铸
颈 椎 间 盘 或 腰 椎 间 盘 置 换 术 （ＴＤＲ）与 传 统 脊 稳 定 性 、 改 善 邻 近 椎 间 隙 内 压 力 、 减 少 邻 近 节 段 新 发 柱 融 合 术 相 比 ， 具 有 保 持 邻 近 节 段 正 常 的 活 动 度 和 病 发 生 率 、 减 少 术 后 固 定 时 间 、 使 患 者 尽 早 恢 复 正 常
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Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｌｏｔ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｎ ｂｉｏｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｄｉｓｃ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｌｏｎｇ － ｔｅｒｍ ｗｅａｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｉｓｃ ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ． Ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｗｅａｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｄｉｓｃ ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ ｂｙ
（２０１２ＢＡＩ１８Ｂ０５ ） ａｎｄ Ｔｓｉｎｇｈｕａ （ ） 国 家 科 技 支 撑 计 划 课 题 《 新 型 人 工 椎 间 盘 》 （ 和 清 华 大 学 自 主 科 研 项 目 （ 资 助 ２０１２ＢＡＩ１８Ｂ０５ ） ２０１２１０８８０６０ ） ．
Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｊｅｃｔ ２０１２１０８８０６０ ．
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ． Ｅ － ｍａｉｌ ｗｅｉｑｌｉｕ＠ ｈｏｔｍａｉｌ． ｃｏｍ Ｔｅｌ
２ 期 第
王 松 ， 等 ： 人 工 椎 间 盘 生 物 摩 擦 学 研 究 进 展 ： 脊 柱 模 拟 试 验 机 方 法
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生 活 等 优 点 ， 被 认 为 是 最 有 发 展 前 景 的 脊 柱 生 物 力 ［ ］ 而 已 有 研 究 结 果 表 明 ， 因 椎 间 盘 学 重 建 技 术． 然 在 体 内 长 期 工 作 所 产 生 的 假 体 磨 损 颗 粒 可 导 致 骨 溶 解 甚 至 假 体 失 效 ， 是 限 制 假 体 临 床 广 泛 应 用 最 重 要 ［ ］ 的 原 因 之 一 ．因 ＴＤＲ 技 此 ， 为 了 更 好 地 推 广 术 ， 仍 需 进 一 步 探 索 体 的 中 长 期 生 物 摩 擦 学 ＴＤＲ 假 性 能 ． 目 前 有 多 种 方 法 被 应 用 于 假 体 中 长 期 稳 定 性 的 模 拟 预 测 和 磨 损 性 能 评 价 ： 临 床 评 估 和 翻 修 、 动 物 实 ［ ］ 验 、 有 限 元 方 法、 常 规 摩 擦 学 试 验 机 方 法 、 脊 柱 模 ［ ］ 拟 试 验 机 方 法． 其 中 临 床 评 估 和 翻 修 能 够 最 真 实 最 精 确 地 反 映 假 体 的 生 物 摩 擦 学 性 能 ， 但 具 有 耗 时 长 、 代 价 大 、 操 作 复 杂 、 观 察 不 便 等 缺 点 ； 动 物 实 验 方 法 也 因 耗 时 长 、 操 作 复 杂 、 与 人 体 脊 柱 运 动 模 式 不 完 全 相 同 等 原 因 ， 局 限 于 假 体 进 入 临 床 前 的 综 合 检 测 ； 有 限 元 方 法 则 更 多 地 用 于 假 体 生 物 力 学 评 价 ， 近 年 来 才 逐 渐 应 用 到 磨 损 性 能 研 究 领 域 ， 其 可 靠 性 还 有 待 进 一 步 验 证 ； 常 规 摩 擦 学 试 验 机 方 法 则 侧 重 关 节 面 材 料 耐 磨 性 耐 腐 蚀 性 和 表 面 活 性 涂 层 结 合 能 力 的 研 究 ， 测 试 环 境 较 简 单 ， 不 易 长 时 间 再 现 假 体 实 际 生 理 和 力 学 环 境 （体 液 环 境 ， 屈 曲 、 侧 弯 、 旋 转 复 合 生 理 运 动 ） ； 脊 柱 模 拟 试 验 机 是 为 研 究 假 体 中 长 期 稳 定 性 和 生 物 摩 擦 学 性 能 而 研 发 的 专 用 设 备 ， 成 为 人 工 椎 间 盘 在 设 计 制 造 阶 段 和 中 长 期 生 物 摩 擦 学 性 能 尤 其 是 磨 损 性 能 评 估 的 主 要 方 法 ． 本 文 围 绕 脊 柱 模 拟 试 验 机 方 法 在 假 体 生 物 摩 擦 学 研 究 中 的 应 用 ， 分 别 介 绍 该 方 法 的 主 要 内 容 和 试 验 机 种 类 、 相 关 试 验 标 准 、 影 响 因 素 以 及 使 用 该 方 法 对 假 体 磨 损 性 能 的 对 比 分 析 ．