張嘉利馬遠征朱微高瑾楊達宇王天天

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

近年來，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越高。導致其就醫(yī)的主要原因是椎間盤退行性疾?。╠isc degenerative disease,DDD）[1,2]。對于早期慢性下腰痛患者，在經(jīng)過常規(guī)的保守治療效果不理想后，一般會考慮手術治療。單純摘除術解除了突出的椎間盤組織對馬尾神經(jīng)和神經(jīng)根的壓迫，短期內(nèi)具有良好的臨床效果[3-6]，但該術式降低了椎間隙的正常高度，增加鄰近小關節(jié)的正常負荷，限制手術節(jié)段的正常活動，從而引起該節(jié)段生物力學的一系列改變，還可能加速鄰近節(jié)段退變的發(fā)生[7]，長期效果不能令人滿意。人工椎間盤和人工髓核置換術不僅可以恢復椎間隙原有高度，同時還保留了相應節(jié)段的運動功能[8,9]，近年來受到越來越多的關注。聚乙烯醇水凝膠具有良好的生物相容性和生物力學特性[10-12]，已成為應用最多的材料之一。本實驗旨在對新型的聚乙烯醇水凝膠人工髓核假體進行基本的生物力學測試，包括壓縮性能測試和黏彈性能測試，以便對隨后的動物實驗提供基礎的實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 材料和設備

聚乙烯醇（PVA）粉劑：1799型，阿拉丁試劑公司。電子萬能材料實驗機：型號WDS-5，長春市朝陽試驗儀器有限公司。電熱式蒸汽消毒器：型號DZF6020，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠。數(shù)顯控溫冰箱、牙脫粉、牙脫水、去離子水等。

1. 2 假體的設計與制備

為滿足微創(chuàng)手術的植入要求，本實驗設計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)手術條件下植入后，可自動恢復為盤旋橢圓形。PVA水凝膠是一種具有三維網(wǎng)狀微孔結構的材料，其孔徑大小會隨著PVA含量增加而減小，三維網(wǎng)狀微孔結構可以使水分和代謝產(chǎn)物相互流通，這與天然髓核結構類似，所以我們選取PVA作為制備材料。將PVA粉劑通過4次循環(huán)冷凍-解凍循環(huán)，在經(jīng)過γ射線輻射的方法制備PVA水凝膠。本實驗所需試樣由北京科技大學提供。

具體過程：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行冷凍解凍循環(huán)處理。最后對所得試樣進行劑量為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 標本的制備

取新鮮成人腰椎脊柱標本10件，制作成脊柱功能單元（L4-L5）。將尸體標本分為3組：對照組2件，試驗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，對照組不做任何處理。

實驗前將尸體標本在室溫下緩慢解凍。先將標本上端安裝在加載盤上，下端用牙托粉固定在脊柱三維運動試驗機的基座上，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)。然后在椎間盤左側纖維環(huán)上作一2.5 cm長“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，準備進行測量。

1. 4 壓縮性能測試

本測試研究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，將上述準備好的各組脊柱標本安置在試驗機上進行試驗。壓縮速率為10 mm/min，壓縮應變量為60%。記錄分別在10%、20%、30%、40%和50%的應變時的應力變化。并通過公式1計算壓縮模量。

注：Eε為聚乙烯醇水凝膠的壓縮模量，σ為施加的應力，ε為相應的應變值

1. 5 蠕變性能測試

本測試研究PVA假體的蠕變性能，即在恒溫、恒負荷作用下材料的應變隨時間的延長而逐漸增加的現(xiàn)象。高分子材料的蠕變現(xiàn)象一般采用Voigt（Kelvin）模型來模擬，該模型由胡克彈簧和牛頓粘壺并聯(lián)而成（圖2A），應力由兩個元件共同承擔。Voigt運動方程見公式2，蠕變回復方程見公式3。

注：τ為蠕變松弛時間

但Voigt模型只能用來模擬交聯(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PVA試驗的蠕變行為，本實驗采用兩個Voigt模型串聯(lián)同時串聯(lián)了一個彈簧加以修正，以模擬高聚物的普彈形變（圖2B）。通過一系列的計算，該黏彈模型的準確蠕變行為表達式如下：

模型中有兩個弛豫時間τ1和τ2。對于交聯(lián)的聚乙烯醇水凝膠材料來說，τ1表示大分子鏈中的鏈節(jié)、小分子等小尺寸運動單元的平均弛豫時間，τ2表示交聯(lián)點間的分子鏈段等大尺寸運動單元的平均弛豫時間。

圖2 Voigt（Kelvin）模型示意圖（A），修正后的模型示意圖（B）

該試驗采用電子萬能材料試驗機測試，室溫25℃，預加載段控制速度為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。標本同上。

1. 6 統(tǒng)計學分析

應用SPSS14.0統(tǒng)計軟件（SPSS公司，美國）對3組結果的組間比較行單因素方差分析（LSD-t檢驗）。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2. 1 壓縮性能測試

各組的軸向壓縮實驗結果如圖3A所示。利用公式1算出的壓縮模量如圖3B所示。

隨著應力的增加，產(chǎn)生的應變量也隨之增加。且PVA含量越高，產(chǎn)生相同的應變需要的應力也越大。說明水凝膠在低應變時剛度較小，高應變時剛度較大。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行為。

隨著初始PVA含量的增加，水凝膠的壓縮模量增加。當應變由10%增加到50%時，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。三組不同的標本在此壓縮范圍內(nèi)彈性模量增加均大于10倍。說明水凝膠人工髓核假體在低應變時剛度較小，假體能夠恢復脊柱的柔韌性；高應變時剛度較大，說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)過分析顯示：A組與對照組之間的差異無統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；B組與對照組、B組與A組之間差異有統(tǒng)計學意義（B組與對照組比較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組試樣的實驗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際的蠕變特性。

圖3 應力應變曲線（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狀態(tài)下主要承受壓應力[13]。在初始較低負荷時會產(chǎn)生較大變形，即對于一開始的初始低負荷較無法承受。當負荷逐漸增加時，髓核本身的剛性逐漸提升，形變反而減少，所以正常的壓應力-形變曲線呈S形。通過該曲線，可以計算出彈性模量，從而對正常髓核與人工髓核進行對比。本實驗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行為。這是由于聚乙烯醇水凝膠的力學性能主要由其內(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)絡結構中被擠壓出來，從而使樣品發(fā)生較大的變形；實驗后期，大量的自由水已經(jīng)被擠壓出來，網(wǎng)絡結構更加緊密，可空壓縮的自由體積較少，水凝膠的剛性增強，此時只有靠分子鏈之間的移動變形來產(chǎn)生宏觀應變，因此變形變得困難，反應在應力-應變圖上就是產(chǎn)生一定的應變時需要更大的力。

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、恒負荷作用下材料的應變隨時間的延長逐漸增加的現(xiàn)象。髓核在低負荷情況下，開始時蠕變速率很高，隨著時間的延長，速率逐漸降低。在低負荷卸載一段時間后，變形可消失，但當負荷過大時，可出現(xiàn)永久變形。這可由下面原理解釋：在外力作用下，隨著時間的延長，材料相繼產(chǎn)生三種形變，普彈性變、高彈形變和塑性形變。相應形變階段的分子運動分別是：首先，在外力作用下分子鏈鍵長和鍵角發(fā)生變化引起，形變量很小，為瞬時響應；然后，通過鏈段運動而使分子鏈逐漸伸展從而發(fā)生構象變化而引起的，這一階段形變量較大，除去外力時可完全回復；最后，外力作用造成分子間相對滑移，外力除去后不可回復[15]。蠕變不僅僅是由載荷和變形所決定，而且是一個隨時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大，在承載時置換節(jié)段的長時間蠕變剛度相對不足，出現(xiàn)后部結構和纖維環(huán)承受過度的載荷，脊柱相對不穩(wěn)；假體植入后蠕變速率過小，則在長時間承載時置換節(jié)段的蠕變剛度相對過大，出現(xiàn)相鄰脊柱節(jié)段的負荷異常增加。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，這種液體交換流動過程不僅使缺乏血供的纖維環(huán)內(nèi)層完成的營養(yǎng)和代謝物的交換，也能改善人工髓核植入后整個椎間盤黏彈性，對于防止假體置換后纖維環(huán)、小關節(jié)以及鄰近節(jié)段的繼發(fā)性退變、減少長期并發(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）模型來模擬[16]，該模型由胡克彈簧和牛頓粘壺并聯(lián)而成。當拉力作用于模型時，兩個組件所產(chǎn)生的形變量相同。由于粘壺的存在，當外力施加到模型上時，彈簧的拉伸變成一個緩慢的過程，它會隨著粘壺慢慢被拉開。當外力消失時，整個模型會在彈簧的拉力下緩慢的回復，這個過程與高聚物的蠕變過程相似。但Voigt模型只能用來模擬交聯(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。本實驗采用兩個Voigt模型串聯(lián)同時串聯(lián)了一個彈簧加以修正，以模擬高聚物的普彈形變。結果證明，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研究提供依據(jù)，也可為人工髓核假體的基礎生物力學研究提供參考。

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