新型可盘旋型人工髓核假体的弹性与黏弹性能测试

张嘉利马远征朱微高瑾杨达宇王天天

（1.山西医科大学研究生院，太原030001；2.中国人民解放军第309医院骨科，北京100091；3.北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）

近年来，慢性下腰痛（chronic low back pain）患者在脊柱外科门诊患者中的比例越来越高。导致其就医的主要原因是椎间盘退行性疾病（disc degenerative disease,DDD）[1,2]。对于早期慢性下腰痛患者，在经过常规的保守治疗效果不理想后，一般会考虑手术治疗。单纯摘除术解除了突出的椎间盘组织对马尾神经和神经根的压迫，短期内具有良好的临床效果[3-6]，但该术式降低了椎间隙的正常高度，增加邻近小关节的正常负荷，限制手术节段的正常活动，从而引起该节段生物力学的一系列改变，还可能加速邻近节段退变的发生[7]，长期效果不能令人满意。人工椎间盘和人工髓核置换术不仅可以恢复椎间隙原有高度，同时还保留了相应节段的运动功能[8,9]，近年来受到越来越多的关注。聚乙烯醇水凝胶具有良好的生物相容性和生物力学特性[10-12]，已成为应用最多的材料之一。本实验旨在对新型的聚乙烯醇水凝胶人工髓核假体进行基本的生物力学测试，包括压缩性能测试和黏弹性能测试，以便对随后的动物实验提供基础的实验依据。

1 材料与方法

1. 1 材料和设备

聚乙烯醇（PVA）粉剂：1799型，阿拉丁试剂公司。电子万能材料实验机：型号WDS-5，长春市朝阳试验仪器有限公司。电热式蒸汽消毒器：型号DZF6020，上海博迅实业有限公司医疗设备厂。数显控温冰箱、牙脱粉、牙脱水、去离子水等。

1. 2 假体的设计与制备

为满足微创手术的植入要求，本实验设计了新型的可盘旋形人工髓核假体（图1）。该假体在体外可解盘旋成条状，经皮穿刺微创手术条件下植入后，可自动恢复为盘旋椭圆形。PVA水凝胶是一种具有三维网状微孔结构的材料，其孔径大小会随着PVA含量增加而减小，三维网状微孔结构可以使水分和代谢产物相互流通，这与天然髓核结构类似，所以我们选取PVA作为制备材料。将PVA粉剂通过4次循环冷冻-解冻循环，在经过γ射线辐射的方法制备PVA水凝胶。本实验所需试样由北京科技大学提供。

具体过程：配置PVA与去离子水的混合液。因人体髓核含水量为80%～85%[15]，所以我们制定PVA水凝胶的初始浓度分别为15wt%和20wt%。将混合液放入电热式蒸汽消毒器中120℃加热2 h，缓慢冷却后将熔融液倒入模具中。冷却至室温后开始进行冷冻解冻循环处理。最后对所得试样进行剂量为40KGy60Co的γ射线辐射。利用上述方法制作PVA试样两组，大小均为30 mm×20 mm×5 mm，每组各4件备用。

图1 新型可盘旋形人工髓核假体

1. 3 标本的制备

取新鲜成人腰椎脊柱标本10件，制作成脊柱功能单元（L4-L5）。将尸体标本分为3组：对照组2件，试验A、B组各4件。A组植入PVA含量为20wt%的试样，B组植入PVA含量为15wt%的试样，对照组不做任何处理。

实验前将尸体标本在室温下缓慢解冻。先将标本上端安装在加载盘上，下端用牙托粉固定在脊柱三维运动试验机的基座上，保持中立位，用生理盐水不断冲洗以接近正常的生理状态。然后在椎间盘左侧纤维环上作一2.5 cm长“Z”字形切口，切开纤维环全层后，用髓核钳尽量钳出全部髓核组织，按随机顺序先后植入两组不同PVA含量的假体。用3-0丝线间断缝合纤维环切口，准备进行测量。

1. 4 压缩性能测试

本测试研究PVA假体的压缩性能，即在静态压缩载荷作用下的形变行为。在室温25℃下，将上述准备好的各组脊柱标本安置在试验机上进行试验。压缩速率为10 mm/min，压缩应变量为60%。记录分别在10%、20%、30%、40%和50%的应变时的应力变化。并通过公式1计算压缩模量。

注：Eε为聚乙烯醇水凝胶的压缩模量，σ为施加的应力，ε为相应的应变值

1. 5 蠕变性能测试

本测试研究PVA假体的蠕变性能，即在恒温、恒负荷作用下材料的应变随时间的延长而逐渐增加的现象。高分子材料的蠕变现象一般采用Voigt（Kelvin）模型来模拟，该模型由胡克弹簧和牛顿粘壶并联而成（图2A），应力由两个元件共同承担。Voigt运动方程见公式2，蠕变回复方程见公式3。

注：τ为蠕变松弛时间

但Voigt模型只能用来模拟交联高聚物蠕变中的高弹形变，不能反映起始的普弹形变部分。为了探究该PVA试验的蠕变行为，本实验采用两个Voigt模型串联同时串联了一个弹簧加以修正，以模拟高聚物的普弹形变（图2B）。通过一系列的计算，该黏弹模型的准确蠕变行为表达式如下：

模型中有两个弛豫时间τ1和τ2。对于交联的聚乙烯醇水凝胶材料来说，τ1表示大分子链中的链节、小分子等小尺寸运动单元的平均弛豫时间，τ2表示交联点间的分子链段等大尺寸运动单元的平均弛豫时间。

图2 Voigt（Kelvin）模型示意图（A），修正后的模型示意图（B）

该试验采用电子万能材料试验机测试，室温25℃，预加载段控制速度为5 mm/min，加载至0.5 N。加载段为200 N/S加载至60 N，蠕变段以30 N/S的加载速度加载至60 N，保持载荷3600 s。标本同上。

1. 6 统计学分析

应用SPSS14.0统计软件（SPSS公司，美国）对3组结果的组间比较行单因素方差分析（LSD-t检验）。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2. 1 压缩性能测试

各组的轴向压缩实验结果如图3A所示。利用公式1算出的压缩模量如图3B所示。

随着应力的增加，产生的应变量也随之增加。且PVA含量越高，产生相同的应变需要的应力也越大。说明水凝胶在低应变时刚度较小，高应变时刚度较大。各组的压缩曲线具有明显的“非线性”，正符合黏弹性材料的力学行为。

随着初始PVA含量的增加，水凝胶的压缩模量增加。当应变由10%增加到50%时，A组（20wt%）的切线压缩模量由0.58 MPa增加到9.93 MPa，而B组（10wt%）由0.47 MPa增加到5.38 MPa。三组不同的标本在此压缩范围内弹性模量增加均大于10倍。说明水凝胶人工髓核假体在低应变时刚度较小，假体能够恢复脊柱的柔韧性；高应变时刚度较大，说明假体能够有效维持椎间隙高度，提供脊柱以稳定性。

经过分析显示：A组与对照组之间的差异无统计学意义（P＜0.05）；B组与对照组、B组与A组之间差异有统计学意义（B组与对照组比较P＜0.01，B组与A组比较P＜0.05），表明A组的水凝胶人工髓核在压缩性能上比B组更接近于正常椎间盘。

2. 2 蠕变性能测试

各组的蠕变曲线及A、B组试样利用该模型的蠕变拟合曲线见图4至图6。如图4所示，各组的蠕变曲线符合正常黏弹性材料的变化规律，且A组与正常组更接近。如图5、图6所示，A、B组试样的实验曲线与利用该模型的拟合曲线基本相符，证明该模型能很好地模拟该假体实际的蠕变特性。

图3 应力应变曲线（A）和切线压缩弹性模量曲线（B

图4 各组的蠕变曲线

图5 PVA20wt%组的蠕变与拟合曲线

图6 PVA15wt%组的蠕变与拟合曲线

3 讨论

髓核在正常直立静止状态下主要承受压应力[13]。在初始较低负荷时会产生较大变形，即对于一开始的初始低负荷较无法承受。当负荷逐渐增加时，髓核本身的刚性逐渐提升，形变反而减少，所以正常的压应力-形变曲线呈S形。通过该曲线，可以计算出弹性模量，从而对正常髓核与人工髓核进行对比。本实验中各组的压缩曲线具有明显的“非线性”，正符合黏弹性材料的力学行为。这是由于聚乙烯醇水凝胶的力学性能主要由其内部的微晶区所决定。压缩初始阶段，这些自由水从三维网络结构中被挤压出来，从而使样品发生较大的变形；实验后期，大量的自由水已经被挤压出来，网络结构更加紧密，可空压缩的自由体积较少，水凝胶的刚性增强，此时只有靠分子链之间的移动变形来产生宏观应变，因此变形变得困难，反应在应力-应变图上就是产生一定的应变时需要更大的力。

髓核具有明显的黏弹特性，主要表现为蠕变和松弛[14]。蠕变是在恒温、恒负荷作用下材料的应变随时间的延长逐渐增加的现象。髓核在低负荷情况下，开始时蠕变速率很高，随着时间的延长，速率逐渐降低。在低负荷卸载一段时间后，变形可消失，但当负荷过大时，可出现永久变形。这可由下面原理解释：在外力作用下，随着时间的延长，材料相继产生三种形变，普弹性变、高弹形变和塑性形变。相应形变阶段的分子运动分别是：首先，在外力作用下分子链键长和键角发生变化引起，形变量很小，为瞬时响应；然后，通过链段运动而使分子链逐渐伸展从而发生构象变化而引起的，这一阶段形变量较大，除去外力时可完全回复；最后，外力作用造成分子间相对滑移，外力除去后不可回复[15]。蠕变不仅仅是由载荷和变形所决定，而且是一个随时间和加载速度变化而不断改变的变量。若假体植入后蠕变速率过大，在承载时置换节段的长时间蠕变刚度相对不足，出现后部结构和纤维环承受过度的载荷，脊柱相对不稳；假体植入后蠕变速率过小，则在长时间承载时置换节段的蠕变刚度相对过大，出现相邻脊柱节段的负荷异常增加。聚乙烯醇水凝胶在压力变化下能类似正常髓核那样释出和吸收液体，这种液体交换流动过程不仅使缺乏血供的纤维环内层完成的营养和代谢物的交换，也能改善人工髓核植入后整个椎间盘黏弹性，对于防止假体置换后纤维环、小关节以及邻近节段的继发性退变、减少长期并发症的发生有重要意义。

高分子材料的蠕变现象一般采用Voigt（Kelvin）模型来模拟[16]，该模型由胡克弹簧和牛顿粘壶并联而成。当拉力作用于模型时，两个组件所产生的形变量相同。由于粘壶的存在，当外力施加到模型上时，弹簧的拉伸变成一个缓慢的过程，它会随着粘壶慢慢被拉开。当外力消失时，整个模型会在弹簧的拉力下缓慢的回复，这个过程与高聚物的蠕变过程相似。但Voigt模型只能用来模拟交联高聚物蠕变中的高弹形变，未能反映起始的普弹形变部分。本实验采用两个Voigt模型串联同时串联了一个弹簧加以修正，以模拟高聚物的普弹形变。结果证明，该模型能很好地模拟聚乙烯醇水凝胶的黏弹性能，可以为以后的此种材料的相关研究提供依据，也可为人工髓核假体的基础生物力学研究提供参考。

[1]Freement AJ.The cellular pathobiology of the degenerate intervertebral disc and discogenic back pain.Rheumatology(Oxford),2009,48(1):5-10.

[2]Vernon-Roberts B,Moore RJ,Fraser RD.The natural history of age-related disc degeneration:the pathology and sequelae oftears.Spine(PhilaPa1976),2007,32(25):2797-2804.

[3]Dewing CB,Provencher MT,Riffenburgh RH,et al.The outcomes of lumbar microdiscectomy in a young,active population:correlation by herniation type and level.Spine(Phila Pa 1976),2008,33(1):33-38.

[4]Kim MJ,Lee SH,Jung ES,et al.Targeted percutaneous transforaminal endoscopic diskectomy in 295 patients:comparison with results of microscopic diskectomy.Surg Neurol,2007,68(6):623-631.

[5]Nakano N,Nakano T,Nakano K.Long-term results of anterior extraperitoneal lumbar discectomy.Acta Orthop Belg,1987,53(2):290-292.

[6]Cohen SP,Williams S,Kurihara C,et al.Nucleoplasty with or without intradiscal electrothermal therapy(IDET)as a treatment for lumbar herniated disc.J Spinal Disord Tech,2005,18 Suppl:S119-124.

[7]Hanley EJ,Herkowitz HN,Kirkpatrick JS.Debating the value ofspinesurgery.JBoneJointSurg,2010,92(5):1293-1304.

[8]Bao QB,Yuan HA.Prosthetic disc replacement:the future.Clin Orthop Relat Res,2002,394:139-145.

[9]于斌,邱贵兴,王以朋.非融合技术在脊柱外科的应用.中国骨与关节外科,2008,1(2):164-169.

[10]吴靖平,陈统一,陈中伟,等.两种不同弹性模量聚乙烯醇水凝胶人工髓核的黏弹性性质评价.中国组织工程研究与临床康复,2008,12(19):3655-3659.

[11]Joshi A,Fussell G,Thomas J,et al.Functional compressive mechanics of a PVA/PVP nucleus pulposus replacement.Biomaterials,2006,27(2):176-184.

[12]Allen MJ,Schoonmaker JE,Bauer TW,et al.Preclinical evaluation of a poly(vinyl alcohol)hydrogel implant as a replacement for the nucleus pulposus.Spine(Phila Pa 1976),2004,29(5):515-523.

[13]Heuer F,Schmitt H,Schmidt H,et al.Creep associated changes in intervertebral disc bulging obtained with a laser scanning device.Clin Biomech(Bristol,Avon),2007,22(7):737-744.

[14]胡有谷.腰椎间盘突出症.第3版.北京:人民卫生出版社,2003:64-66.

[15]鲁玉来.腰椎间盘突出症.第2版.北京:人民军医出版社,2008:116-118.

[16]Keller TS,Spengler DM,Hansson TH.Mechanical behavior of the human lumbar spine.I.Creep analysis during static compressive loading.J Orthop Res,1987,5(4):467-478.