一種模擬人工椎間盤球窩樣品及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種模擬人工椎間盤球窩樣品，所述球窩樣品包括球頭和與球頭配副的球窩，球頭和球窩是面-面接觸。本發(fā)明還公開(kāi)了上述模擬人工椎間盤球窩樣品的制備方法和在模擬測(cè)試人工椎間盤生物摩擦學(xué)性能上的應(yīng)用。本發(fā)明的球窩樣品在接觸模式、配副材料、運(yùn)動(dòng)模式上能更接近實(shí)際的人工椎間盤，具有操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、應(yīng)用范圍廣、能簡(jiǎn)易評(píng)價(jià)假體設(shè)計(jì)、制造和綜合性能等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種模擬人工椎間盤球窩樣品及其制備方法和應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及人工椎間盤生物摩擦學(xué)性能測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及一種模擬人工椎間盤球窩樣品以及該樣品的制備方法和在人工椎間盤生物摩擦學(xué)性能上的應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]頸椎間盤或腰椎間盤置換術(shù)(TDR)與傳統(tǒng)脊柱融合術(shù)相比，具有保持鄰近節(jié)段正常的活動(dòng)度和穩(wěn)定性、改善鄰近椎間隙內(nèi)壓力、減少鄰近節(jié)段新發(fā)病發(fā)生率、減少術(shù)后固定時(shí)間、使患者盡早恢復(fù)正常生活等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的脊柱生物力學(xué)重建技術(shù)。但人工椎間盤在進(jìn)入臨床之前，必須首先通過(guò)系統(tǒng)的體外生物摩擦學(xué)性能與磨損壽命預(yù)測(cè)評(píng)估，這個(gè)過(guò)程復(fù)雜而且關(guān)鍵。目前，主要的臨床前評(píng)估方法有常規(guī)摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)方法、有限元方法、脊柱模擬試驗(yàn)機(jī)方法以及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法等。
[0003]其中有限元方法更多地用于假體生物力學(xué)評(píng)價(jià)，近年來(lái)才逐漸應(yīng)用到磨損性能研究領(lǐng)域，其可靠性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證；常規(guī)摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)方法一般采用銷/球-盤配副，側(cè)重關(guān)節(jié)面材料耐磨性耐腐蝕性和表面活性以及涂層結(jié)合能力的研究，測(cè)試環(huán)境較簡(jiǎn)單，不易長(zhǎng)時(shí)間再現(xiàn)假體實(shí)際生理和力學(xué)環(huán)境(體液環(huán)境，屈曲、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)復(fù)合生理運(yùn)動(dòng))；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法也因耗時(shí)長(zhǎng)、操作復(fù)雜、與人體脊柱運(yùn)動(dòng)模式不完全相同等原因，局限于假體進(jìn)入臨床前的綜合檢測(cè)；脊柱模擬試驗(yàn)機(jī)是為研究假體中長(zhǎng)期穩(wěn)定性和生物摩擦學(xué)性能而研發(fā)的專用設(shè)備，成為人工椎間盤在設(shè)計(jì)制造階段和中長(zhǎng)期生物摩擦學(xué)性能尤其是磨損性能評(píng)估的主要方法，但也具有代價(jià)高、假體安裝操作復(fù)雜、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。因此，目前在人工椎間盤、人工關(guān)節(jié)的生物摩擦學(xué)性能與磨損壽命預(yù)測(cè)評(píng)估領(lǐng)域急需一種操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、應(yīng)用范圍廣、能簡(jiǎn)易評(píng)價(jià)假體設(shè)計(jì)、制造和綜合性能的測(cè)試方案。
[0004]由于目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的人工頸/腰椎間盤大多都基于球槽(窩)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以Discover頸椎間盤為例，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)髓核固定于下終板，上終板為高拋光凹面，與髓核形成關(guān)節(jié)配合。鑒于人工椎間盤的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)主要在球窩關(guān)節(jié)面上，而球窩關(guān)節(jié)面也是最易發(fā)生磨損、擦傷等失效模式的關(guān)鍵區(qū)域。因此，若能受此啟發(fā)，結(jié)合目前人工椎間盤、人工關(guān)節(jié)的生物摩擦學(xué)性能與磨損壽命預(yù)測(cè)評(píng)估需求現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)一種新的評(píng)估假體摩擦學(xué)性能的測(cè)試方案，必將對(duì)假體的改進(jìn)與研發(fā)起到巨大促進(jìn)和推動(dòng)作用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、應(yīng)用范圍廣、能簡(jiǎn)易評(píng)價(jià)假體設(shè)計(jì)的模擬人工椎間盤球窩樣品。
[0006]本發(fā)明公開(kāi)了一種模擬人工椎間盤球窩樣品，所述球窩樣品包括球頭和與球頭配副的球窩，球頭和球窩是面-面接觸。
[0007]所述面-面接觸是通過(guò)球頭一端的凸起和球窩的凹槽互相匹配接觸。
[0008]所述球頭一端的凸起和球窩的凹槽之間接觸面為圓球形或橢球形的球冠面。
[0009]所述球頭一端的凸起面大于或等于球窩的凹槽面。
[0010]所述球頭的另一端為圓柱體、長(zhǎng)方體、正方體或其他幾何形狀，所述球窩為圓柱體、長(zhǎng)方體、正方體或其他幾何形狀，所述球窩的凹槽設(shè)置在球窩一端面內(nèi)部。
[0011]所述球頭和球窩材料可以均為聚合物，也可以均為醫(yī)用鈦合金，也可以分別是聚合物和醫(yī)用鈦合金或醫(yī)用鈦合金和聚合物。
[0012]所述聚合物可以是聚醚醚酮或超高分子量聚乙烯或者納米顆粒填充的超高分子量聚乙烯。其中超高分子量聚乙烯分子量在100萬(wàn)至600萬(wàn)之間。納米顆?？梢詾闊o(wú)機(jī)納米顆?；蚪饘偌{米顆?；蛱沾?如氧化鋯、氧化鋁等)納米顆粒。
[0013]本發(fā)明還公開(kāi)了上述模擬人工椎間盤球窩樣品的制備方法，當(dāng)所述球頭和/或球窩為聚合物材料時(shí)，將聚合物粉體放入特制的球頭和/或球窩模具中，在熱壓設(shè)備上通過(guò)升溫、保溫和降溫過(guò)程完成粉體的熱壓成型。
[0014]也可以將顆粒直徑為30 μ m至300 μ m超高分子量聚乙烯粉體與顆粒直徑為50nm至500nm的納米填充顆粒(填充量為聚乙烯粉體的0_15wt% ) 一起攪拌均勻放入特制模具中，在熱壓設(shè)備上通過(guò)升溫、保溫和降溫過(guò)程完成粉體的熱壓成型。
[0015]所述升溫為在低真空環(huán)境中，壓力為2_40MPa，升溫至160_220°C ;保溫時(shí)間為90-150分鐘；所述降溫為在低真空環(huán)境，壓力6-40MPa，進(jìn)行自然冷卻。
[0016]當(dāng)球頭和/或球窩是鈦合金，可一起通過(guò)機(jī)加工來(lái)制備。
[0017]本發(fā)明還公開(kāi)了利用上述模擬人工椎間盤球窩樣品在模擬測(cè)試人工椎間盤生物摩擦學(xué)性能上的應(yīng)用。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:
[0019](I)相對(duì)一般的球/銷-盤配副常規(guī)摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，該球窩配副在接觸模式、配副材料、運(yùn)動(dòng)模式上能更接近實(shí)際的人工椎間盤，在評(píng)價(jià)假體設(shè)計(jì)、制造和綜合性能上具有更準(zhǔn)確和精密的判斷；同時(shí)本發(fā)明的方案具有操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、應(yīng)用范圍廣、能簡(jiǎn)易評(píng)價(jià)假體設(shè)計(jì)、制造和綜合性能等優(yōu)點(diǎn)。
[0020](2)本發(fā)明公開(kāi)的模擬人工椎間盤球窩樣品的制備方法，該方法制得的樣品可以直接應(yīng)用在相應(yīng)的摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，且解決了聚合物球面結(jié)構(gòu)不易機(jī)加工的難題。
[0021](3)本發(fā)明的球窩樣品安裝在摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)扭動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng))、擺動(dòng)、屈曲、側(cè)彎以及復(fù)合運(yùn)動(dòng)，以此評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)模式、材料配副、假體設(shè)計(jì)、測(cè)試參數(shù)對(duì)球窩樣品摩擦學(xué)性能的影響，以及預(yù)測(cè)假體的磨損壽命和綜合性能。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為實(shí)施例1中球窩樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面通過(guò)具體實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。
[0024]實(shí)施例1:
[0025]本發(fā)明的模擬人工椎間盤球窩樣品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所述，由球頭10和球窩20配副組成，所述球頭10的一端11是圓柱體或正方體或長(zhǎng)方體或其他幾何結(jié)構(gòu),所述球頭10的另一端的凸起12是圓球形或橢球形，所述球窩20是圓柱體或正方體或長(zhǎng)方體或其他幾何結(jié)構(gòu)，在球窩20的一個(gè)端面設(shè)有凹槽21，所述凹槽21和凸起12形狀相匹配，球頭10和球窩20通過(guò)凸起12和凹槽21面-面接觸，其接觸面為圓球形或橢球形的球冠面。
[0026]在本實(shí)施例中球窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的接觸面采用圓球形的球冠面接觸，選擇極小的包繞深度(1.5mm),球頭10的凸起12為圓球形,其半徑為13mm,球頭10的一端11為圓柱形,其直徑為22mm，高度為13mm，球窩20設(shè)計(jì)為圓柱狀結(jié)構(gòu)，直徑為30mm，高度為5mm，可以實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)機(jī)上下夾具的緊密連接。
[0027]實(shí)施例2:
[0028]將顆粒直徑為150 μ m超高分子量聚乙烯粉體與顆粒直徑為150nm的氧化鋯納米填充顆粒(填充量為5wt% ) 一起攪拌均勻放入特制模具中，在熱壓設(shè)備上通過(guò)升溫、保溫和降溫過(guò)程完成粉體的熱壓成型。所述升溫為在低真空環(huán)境中，壓力為lOMPa，升溫至200°C;保溫時(shí)間為100分鐘；所述降溫為在低真空環(huán)境，壓力20MPa，進(jìn)行自然冷卻，得到球頭和球窩。
[0029]實(shí)施例3:
[0030]將顆粒直徑為200 μ m超高分子量聚乙烯粉體與顆粒直徑為300nm的氧化鋯納米填充顆粒(填充量為1wt% ) 一起攪拌均勻放入特制模具中，在熱壓設(shè)備上通過(guò)升溫、保溫和降溫過(guò)程完成粉體的熱壓成型。所述升溫為在低真空環(huán)境中，壓力為30MPa，升溫至1600C ;保溫時(shí)間為90分鐘；所述降溫為在低真空環(huán)境，壓力30MPa，進(jìn)行自然冷卻，得到球頭和球窩。
[0031]實(shí)施例4:
[0032]將實(shí)施例1中制備的模擬人工椎間盤球窩樣品進(jìn)行模擬測(cè)試人工椎間盤生物摩擦學(xué)性能上的應(yīng)用。
[0033]將該球頭10和球窩20配副試樣安裝在摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，分別按照扭動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng))、擺動(dòng)、屈曲、側(cè)彎以及復(fù)合運(yùn)動(dòng)模式運(yùn)動(dòng)，以此評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)模式、材料配副、假體尺寸設(shè)計(jì)、測(cè)試參數(shù)對(duì)球窩樣品摩擦學(xué)性能的影響，以及預(yù)測(cè)假體的磨損壽命和綜合性能。
[0034]綜上所述，盡管本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本領(lǐng)域一般技術(shù)人員應(yīng)該明白的是，上述實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的描述，而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種模擬人工椎間盤球窩樣品，其特征在于:所述球窩樣品包括球頭和與球頭配副的球窩，球頭和球窩是面-面接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的模擬人工椎間盤球窩樣品，其特征在于:所述面-面接觸是通過(guò)球頭一端的凸起和球窩的凹槽互相匹配接觸。
3.如權(quán)利要求2所述的模擬人工椎間盤球窩樣品，其特征在于:所述球頭一端的凸起和球窩的凹槽之間接觸面為圓球形或橢球形的球冠面。
4.如權(quán)利要求2所述的模擬人工椎間盤球窩樣品，其特征在于:所述球頭一端的凸起面大于或等于球窩的凹槽面。
5.如權(quán)利要求1所述的模擬人工椎間盤球窩樣品，其特征在于:所述球頭的另一端為圓柱體、長(zhǎng)方體、正方體或其他幾何形狀，所述球窩為圓柱體、長(zhǎng)方體、正方體或其他幾何形狀，所述球窩的凹槽設(shè)置在球窩一端面內(nèi)部。
6.如權(quán)利要求1所述的模擬人工椎間盤球窩樣品，其特征在于:所述球頭和球窩材料均為聚合物或均為醫(yī)用鈦合金或分別為聚合物和鈦合金或分別為鈦合金和聚合物。
7.如權(quán)利要求6所述的模擬人工椎間盤球窩樣品，其特征在于:所述聚合物是聚醚醚酮或超高分子量聚乙烯或者納米顆粒填充的超高分子量聚乙烯。
8.如權(quán)利要求6所述的模擬人工椎間盤球窩樣品的制備方法，其特征在于:所述球頭和/或球窩為聚合物材料時(shí)，將聚合物粉體放入特制的球頭和/或球窩模具中，在熱壓設(shè)備上通過(guò)升溫、保溫和降溫過(guò)程完成粉體的熱壓成型。
9.如權(quán)利要求8所述的模擬人工椎間盤球窩樣品的制備方法，其特征在于:所述升溫為在低真空環(huán)境中，壓力為2-40MPa，升溫至160-220°C;保溫時(shí)間為90-150分鐘；所述降溫為在低真空環(huán)境，壓力6-40MPa，進(jìn)行自然冷卻。
10.利用權(quán)利要求1所述的模擬人工椎間盤球窩樣品在模擬測(cè)試人工椎間盤生物摩擦學(xué)性能上的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】G01N3/56GK104251796SQ201410478073
【公開(kāi)日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】王松, 盧俊哲, 廖振華, 劉偉強(qiáng) 申請(qǐng)人:深圳清華大學(xué)研究院