[D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.05.050 第27卷第5期 北京科技大学学报 Vol.27 No.5 2005年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2005 髓核假体的制备及应力松弛特性的影响分析 冀冰》高瑾”马远征)顾正秋》刘国权”薛海滨) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)中国人民解放军309医院骨科，北京100091 摘要对聚乙烯醇水凝胶髓核假体进行了应力松弛性能的研究，比较不同溶胀率和不同初 始聚乙烯醇含量对应力松弛性能的影响.等时线法的研究分析表明，髓核假体的力学行为符 合线性粘弹性行为，三元件线性粘弹模型能较好地模拟其粘弹力学行为（模拟拟合度均在0.96 以上).三元件线性粘弹模型参数分析表明，对于髓核假体来说，溶胀率的增大可以增加髓核 假体消散冲击力的速度，但对消散冲击力的总量影响不大，初始PVA含量的提高将降低髓核 假体消散冲击力的速度和总量. 关键词髓核假体：聚乙烯醇水凝胶：应力松弛：三元线性粘弹模型 分类号TB324 在过去的40年内，多种不同材料被研制用于 1实验材料的制备和实验方法 人工髓核，虽然临床应用较少，但也取得了初步 的成功”.目前我国椎间盘退变所造成的疾病越 1.1实验材料的制备 来越多，研制一种安全、有效、价格适中的髓核假 髓核假体由半晶聚乙烯醇水凝胶内核和外 体材料的需要也越来越迫切，北京科技大学材料 部包裹的高强纤维织物组成.聚乙烯醇水凝胶是 科学与工程学院与解放军309医院合作设计了一 由一定初始PVA含量的水溶液通过多次冷冻解 种聚乙烯醇水凝胶髓核假体：由聚乙烯醇水凝胶 冻循环并真空冷冻干燥的方法制得.实验中制备 内核和外部包裹的超高分子量聚乙烯织物外套 了三种试样，每种试样制备时的包裹方式、初始 组成。聚乙烯醇水凝胶是一种多孔的亲水性物 PVA含量、完全干燥时的尺寸、达到平衡的溶胀 质，可模仿人体髓核在不同的载荷下的渗入和渗 率及压缩弹性模量见表1.试样1和试样2初始 出.聚乙烯醇水凝胶的基本力学性能（拉伸、压 PVA含量相同，尺寸相似，由于包裹方式不同造 缩、剪切)已经被证明具有时间相关性，这种特性 成达到平衡时的溶胀率不同，用于比较不同溶胀 在力学行为上表现为具有“粘弹性. 率对髓核假体的应力松弛性能的影响：试样2和 应力松驰是材料静态粘弹性的一种表现形 试样3完全干燥时的尺寸和溶胀率相似，用于比 式，是指物体在固定温度下应变保持不变，而应 较不同初始PVA含量对髓核假体的应力松弛性 力随时间的推进而下降.椎间盘与锥体表面承受 能的影响， 相同的力，具有力传导和缓冲作用.研究髓核假 表1髓核假体试样的基本参数 体的力学松弛行为可以了解其在压缩情况下作 Table 1 Basic parameters of prosthetic nucleus 为冲击力的吸收体的能量消耗方式，对分析髓核 号 包裹方式初始PVA 平衡时的压缩弹性 溶胀率/%模量MPa 假体的力的传导作用很有帮助.本文将利用三元 含量%干燥尺寸mm 1紧密包裹2022.5×12.6×7.970.57.60 件线性粘弹模型对不同溶胀率、不同初始PVA 2松散包裹2022.9×12.8×7.972.47.40 浓度髓核假体的应力松弛性能进行研究，这将对 3紧密包裹2522.7×13.0×7.972.68.15 髓核假体的制备以及临床应用具有一定的指导 1.2实验方法 意义 (1)等时线图.等时线法是一种近似测量高 收稿日期：200409-21修回日期：2005-03-14 基金项目：北京市自然科学基金(No.2022014):首都医学发展 聚物是否为线性粘弹性的一种方法，若高聚物为 科研基金(No.2002-2017)资助项目 线性粘弹性材料，对于在不同初始应力值下的应 作者筒介：冀冰(1978一，女，硕士研究生 力松弛实验，在相同时间点的应力松弛值成线性第 2 , 卷 第 5 期 2 0 0 5 年 10 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e r s iyt o f S e le n e e a n d eT e h n o le gy B e ij i n g V b l . 2 7 N o . 5 o c t . 2 0 0 5 髓核假体 的制备及应 力松弛特性的影响分析 冀 冰 ” 高 瑾 ” 马 远征 ” 顾 正 秋 ” 刘 国权 ” 薛海 滨 ” 1)北 京科技大学 材料 科学 与工程 学 院 , 北京 10 00 83 2) 中 国人 民 解放 军 3 0 医 院骨科 , 北 京 10 0 0 91 摘 要 对 聚 乙烯 醇水 凝胶 髓 核假 体进 行 了应力 松 弛性 能 的研 究 , 比 较 不 同溶胀 率和 不 同初 始 聚 乙 烯醇 含量 对应 力松 弛性 能 的影响 . 等 时线法 的研 究分 析表 明 , 髓 核假 体 的力学 行 为符 合线 性粘 弹性行 为 , 三元件 线性粘 弹模 型能较 好地模 拟其粘 弹力 学行为 (模拟 拟合度 均在 .0 % 以上) . 三 元件 线性 粘弹 模 型参 数分 析表 明 , 对 于 髓核 假体 来说 , 溶 胀率 的增 大可 以增 加髓 核 假体 消 散冲 击力 的速度 , 但 对消 散冲 击 力的 总量 影响 不大 , 初始 P V A 含 量 的提 高将降 低髓 核 假 体消 散冲 击力 的速 度和 总量 . 关键 词 髓 核假 体 ; 聚 乙烯 醇水 凝胶 ; 应 力松 弛 ; 三元 线性 粘弹 模 型 分 类号 T B 32 4 在 过去 的 40 年 内 , 多种 不 同材 料被研 制 用 于 人 工髓 核 , 虽然 临 床应 用 较 少 , 但 也取 得 了初 步 的成 功 `IJ . 目前我 国椎 间盘退 变 所 造成 的疾病 越 来越 多 , 研 制一种 安全 、 有 效 、 价格适 中的髓 核假 体 材料 的需要 也越 来越 迫切 . 北 京 科技 大学 材料 科 学与 工程 学 院与解 放军 3 09 医 院合作 设计 了一 种 聚 乙 烯醇 水凝 胶髓 核假 体 : 由聚 乙 烯 醇水 凝胶 内核 和 外 部包 裹 的超 高 分子 量 聚 乙 烯 织物 外 套 组 成 . 聚 乙 烯 醇 水 凝胶 是一 种 多孔 的 亲水 性物 质 , 可模仿 人 体髓 核在 不 同的载 荷 下 的渗入 和 渗 出 . 聚 乙 烯 醇水 凝 胶 的基 本 力学 性 能 (拉 伸 、 压 缩 、 剪切 ) 已经 被证 明具有 时 间相 关性 , 这种特 性 在 力 学行 为 上表 现 为具 有 “ 粘 弹 性 ’ ,2I] . 应 力 松 弛 是 材 料静 态 粘 弹性 的一 种 表 现 形 式 , 是指 物 体在 固定温 度 下 应变 保 持不 变 , 而应 力随 时 间的推进 而 下 降 . 椎 间盘 与 锥体 表面 承 受 相 同的 力 , 具 有 力传 导和 缓 冲 作用 . 研 究髓 核 假 体 的力 学 松 弛行 为可 以了解 其在 压 缩 情 况 下 作 为冲击 力 的吸 收体 的 能量 消耗方 式 , 对 分析 髓核 假 体 的力 的传 导作 用很 有帮 助 . 本 文将 利用 三 元 件 线 性粘 弹 模 型对 不 同溶 胀 率 、 不 同初 始 PV A 浓 度 髓核 假体 的应 力松 弛 性能进 行 研究 , 这 将 对 髓 核假 体 的 制 备 以及 临 床 应 用 具有 一 定 的 指 导 意义 . 收稿 日期 : 20D 4刁 9 一 2 1 修 回 日期 : 20 05 一3一 14 基金项 目 : 北京市 自然 科学基 金 (No .2 02 20 14) ; 首 都 医学发 展 科研基 金 (N o . 2 0 0 2 一 2 0 17 ) 资助 项 目 作者简 介 : 冀冰 ( 19 78 一 ) , 女 , 硕士研 究 生 1 实 验 材 料 的制 备 和 实验 方 法 1 . 1 实 验材 料 的 制备 髓 核假 体 由半 晶聚 乙 烯 醇 水 凝 胶 内核 和 外 部包 裹 的高 强纤 维织 物组 成 . 聚 乙 烯 醇水凝 胶 是 由一定 初 始 PV A 含量 的水溶 液 通过 多 次冷 冻 解 冻循环 并真 空冷 冻干 燥 的方法 制得 . 实验 中制 备 了三 种 试 样 , 每 种试 样 制 备 时的 包裹 方 式 、 初 始 P V A 含 量 、 完全 干燥 时 的尺 寸 、 达 到平 衡 的溶 胀 率及 压 缩 弹性 模 量见 表 1 . 试 样 1 和 试样 2 初 始 P V A 含 量 相 同 , 尺 寸相 似 , 由于 包裹 方 式不 同造 成达 到平 衡 时 的溶胀 率不 同 , 用 于 比较 不 同溶 胀 率对 髓 核假 体 的应 力 松弛 性 能 的影 响 ; 试样 2 和 试样 3 完 全干 燥 时的 尺 寸和 溶胀 率 相似 , 用 于 比 较 不 同初 始 PV A 含 量对 髓 核假 体 的应 力松 弛 性 能 的影 响 . 表 1 髓核 假体试 样 的基本 参数 aT b l e 1 B a s ic P a r a m et e r s o f p or s t卜e it e n u c l e u s 钾包 裹方 式 号 初 始 P V A 含 量%/ 干 燥尺 寸加m 平 衡 时的 压缩 弹性 溶 胀率 /% 模量从aP l 紧密包 裹 20 2 2 . 5 又 12 . 6 x 7 , 9 7 0 5 7 . 60 2 松散包 裹 2 0 2 2 乡 又 1 2 · 8 x 7 · 9 7 2 . 4 7 沸0 3 紧密包 裹 2 5 2 2 . 7 x l 3 . 0 又 7 . 9 7 2 石 8 . 15 L Z 实验 方 法 ( 1) 等 时 线 图 . 等 时线 法〔3] 是 一 种近 似 测量 高 聚 物是 否 为线性 粘 弹性 的一 种方 法 . 若 高聚物 为 线 性粘 弹性 材料 , 对 于 在不 同初 始应 力值 下 的应 力 松弛 实验 , 在 相 同时 间 点的应 力松 弛值 成线 性 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 05. 050