人工椎间盘生物摩擦学研究进展_脊柱模拟试验机方法

（２０１２ＢＡＩ１８Ｂ０５ ） ａｎｄ Ｔｓｉｎｇwenku.baidu.comｕａ （ ） 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 ．
第 ３３ 卷 第 ２期 ２０１３ 年 ３ 月
摩 擦 学 学 报
Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ ３３ Ｎｏ ２ Ｍａｒ ２０１３
，
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 ：
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｂｉｏｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｄｉｓｃ Ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ Ｔｈｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ Ｕｓｉｎｇ Ｓｐｉｎａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒｓ
，， ，， ， ， ， 松 王 廖 振 华 ， 刘 宇 宏 刘 伟 强 温 诗 铸
（ １． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｏｌｏｇｙ ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４ ，Ｃｈｉｎａ ， ， ， ３． Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４ ，Ｃｈｉｎａ） ： ， ，
ｕｓｉｎｇ ｓｐｉｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｏｒｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｐｉｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｏｒｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｅｓｔ ｓｔａｎｄａｒｄｓ． Ｉｎ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ｉｔ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｕｐｄａｔｅｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｗｅａｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｄｉｓｃ
１ ２ ２ １ ３ １ ２ １ ３
：
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
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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
， ： ， ， ， ： ＋ ８６ － ７５５ － ２６５５１３７６．
Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｗａｓ ｓｕｐｐｏｒｔ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒ＆Ｄ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ １０ Ｊｕｌｙ ２０１２ ｒｅｖｉｓｅｄ １８ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１２ ａｃｃｅｐｔｅｄ ５ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１２ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｏｎｌｉｎｅ ２８ Ｍａｒｃｈ ２０１３．
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
１
２０３
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 ．
， ， ， 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
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
２ －３ ４ ５
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 ．