인공 경추 디스크 보철물을 위한 피로 시험 치구의 생체모방 설계 1부
Sep 12, 2023
추상적인:인공 경추 디스크(ACD) 보철물의 생체역학적 성능을 조사하기 위해 생리학적 부하를 받는 시체의 경추 부분이나 ASTM F2346 표준을 준수하는 블록형 테스트 장치를 사용하여 많은 연구가 수행되었습니다. 안타깝게도 두 방법 모두 사체 보존의 어려움과 자연 경추의 큰 편차로 인해 최소 1,000만 주기 이상의 평생 항피로 실험의 정확한 결과를 얻기 위해 활용하는 것이 거의 불가능합니다. 정상적인 인간 경추 구조적 특징을 기반으로 구조적 및 기능적 생체 공학적 측면을 모두 사용하여 굴곡, 확장 및 측면 굽힘 조건에서 ACD 보철물의 피로 거동을 테스트하기 위해 새로운 표본 고정 장치가 설계되었습니다. 다양한 조건에서 수치 시뮬레이션과 기계적 실험을 통해 생체모방 피로 시험 치구와 자연 경추 단면 사이의 동등성을 조사했습니다. 이 연구는 이 생체 모방 피로 테스트 장치가 정상적인 인간 경추의 생체 역학적 특성을 편리하고 허용 가능한 정확도로 나타낼 수 있음을 보여줍니다.
Cistanche는 항피로 및 체력 강화제 역할을 할 수 있으며 실험 연구에 따르면 Cistanche tubeulosa 달임은 체중을 견디는 수영 쥐에서 손상된 간 간세포 및 내피 세포를 효과적으로 보호하고 NOS3 발현을 상향 조절하며 간 글리코겐을 촉진할 수 있는 것으로 나타났습니다. 합성하여 항피로 효능을 발휘합니다. 페닐에타노이드 글리코시드가 풍부한 Cistanche tubeulosa 추출물은 ICR 생쥐의 혈청 크레아틴 키나제, 젖산 탈수소효소 및 젖산 수치를 크게 감소시키고 헤모글로빈(HB) 및 포도당 수치를 증가시킬 수 있으며, 이는 근육 손상을 감소시켜 항피로 역할을 할 수 있습니다. 생쥐의 에너지 저장을 위한 젖산 농축을 지연시키는 것입니다. 복합 Cistanche Tubulosa 정제는 쥐의 체중 부하 수영 시간을 유의하게 연장하고 간 글리코겐 보유량을 증가시키며 운동 후 혈청 요소 수치를 감소시켜 항피로 효과를 나타냈습니다. 시스탄치스 달임은 운동하는 쥐의 지구력을 향상시키고 피로 해소를 촉진할 수 있으며, 부하 운동 후 혈청 크레아틴 키나아제의 상승을 감소시키고 운동 후 쥐의 골격근 미세구조를 정상으로 유지하는 효과가 있음을 나타냅니다. 체력 강화 및 피로 회복 효과가 있습니다. Cistanchis는 또한 아질산염에 중독된 쥐의 생존 시간을 크게 연장하고 저산소증과 피로에 대한 내성을 강화했습니다.
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키워드:인공 경추 디스크(ACD); 표본 고정 장치; 피로행동; 생체모방
1. 소개
추간판 인공관절 치환술은 추간변성 및 불안정성에 대한 새로운 수술적 치료법입니다. 전통적인 경추 유합술에 비해 경추의 운동 범위를 회복시키고, 장기적으로 인접 분절의 퇴행 발생률을 낮출 수 있다는 장점이 있습니다[1-4]. ACD 보철물은 생리학 범위 내에서 교대 하중을 견디도록 고안되었으며 이론적으로 신체에서 고장 없이 수십 년 동안 지속되어야 합니다. 그러나 ACD 보철물의 수명과 허용 가능한 최소 임상 수명에 대해서는 논쟁의 여지가 있습니다. 티타늄 및 티타늄 합금은 우수한 생체 적합성과 무독성으로 인해 정형외과 경조직 복구 및 인공 경추 추간판 제조에 널리 사용됩니다[5,6]. 최적의 수명은 일반적으로 8천만 개의 무브먼트로 입증되었으며, 이상적인 최소 테스트 주기는 1천만 개의 무브먼트로 제안되었습니다[7,8].
전통적인 임플란트 시험에서는 종종 식염수로 수분을 공급한 시체 기증자로부터 일련의 경추 표본을 선택합니다. 경추 표본은 연조직, 근육계 및 단일 분절 경추 추간판 없이 해부되며, 접합 후 관절의 인대와 완전성은 조심스럽게 보존된 다음 테스트를 위해 ACD 보철물을 이식합니다[9-12]. 이러한 검체시험은 사체의 생물학적 분해 과정에서 부작용이 발생하지 않도록 짧은 시간 내에 완료되어야 한다[13-17]. 불행하게도, 신선 냉동 시체를 사용하여 최소 1,000만 주기 동안 평생 항피로 실험을 수행하는 것은 시체 보존에 드는 시간과 비용의 한계로 인해 거의 불가능합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 ASTM F2346에서 수행한 테스트를 통해 개별 디스크 교체 장치를 분석하고 표준 모델에서 여러 인공 추간 디스크 설계의 기계적 성능을 비교할 수 있습니다[18-23]. 최근 수십 년 동안 ASTM F2346 표준에 따라 ACD의 정적 및 주기적 테스트를 수행하기 위해 주요 기계 제조업체에서 특수 테스트 장치를 개발했습니다. 이러한 테스트 고정 장치와 자연 경추 사이의 명백한 차이로 인해 ACD 보철물의 정적 및 동적 동작에 대해 얻은 데이터는 덜 정확합니다. 따라서 이러한 테스트의 결과는 생체 내 성능을 직접적으로 예측할 수 없습니다. 그러나 이들은 서로 다른 ACD 보철물의 기계적 성능을 비교하는 데 사용될 수 있습니다[19,20].
위에서 언급한 테스트 방법의 매우 높은 비용과 불가피한 데이터 편차를 처리할 때 생체 모방 방법은 ACD 보철물을 더 나은 정확성과 효율성으로 테스트하기 위한 유망한 솔루션이 될 수 있습니다.
이 연구의 목적은 ACD의 비용 효율적이고 정확한 정적 및 동적 테스트를 위해 인간 경추와 유사한 합성 재료를 사용하여 생체 모방 피로 테스트 장치를 설계하고 응력과 변형의 동등성(즉, 운동 범위)을 평가하는 것이었습니다. ) 설계된 피로 테스트 장치 내 및 C5-C6 경추 분절 내의 ACD. C5-C6 경추 분절 내 및 피로 테스트 고정 장치 내 ACD의 피로 시뮬레이션과 피로 테스트 고정 장치 내 ACD의 피로 실험도 수행되었습니다. 결과를 비교함으로써 설계된 생체모방 피로시험 치구의 타당성을 철저하게 논의할 수 있습니다.
2. 재료 및 방법
2.1. 피로 테스트 장치의 생체모방 설계
2.1.1. 피로 테스트 장치의 구조적 생체공학
생체 모방 피로 테스트 장치의 디자인은 그림 1에 나와 있습니다. 일반적인 인간 경추 구조적 특징을 기반으로 천연 뼈와 동일한 함량인 70wt% 수산화인회석 분말로 채워진 4개의 에폭시 블록을 사용하여 인간 경추를 시뮬레이션했습니다. 에폭시 블록의 탄성 계수는 인간 경추의 탄성 계수에 가깝습니다. 피로 테스트 장치의 유연한 금속 U-플레이트는 블록의 움직임을 제한하여 정상적인 인간의 경추 인대와 후관절의 기능을 시뮬레이션했습니다.
C5-C6 경추 분절의 크기 측정 및 변형 특성 측면에서 그림 1과 같이 고정구는 비용 효율적이고 합리적이며 직육면체 블록(01), 3개의 원통형 블록(02-04)으로 구성됩니다. 및 U-플레이트(05). 블록 01-04 중에서 원통형 블록 02-04는 동심원인 반면 압축력이 가해지는 위치인 직육면체 블록 01의 위치는 다양한 하중 조건을 형성하도록 변경될 수 있습니다. 예비 추정에 따르면 U-플레이트(05)의 두께와 폭은 1~2mm, 30~45mm로 나타났다. 직육면체 블록(01)의 길이, 너비, 높이는 25~35mm, 8~15mm, 8~15mm이었다. 원통형 블록(02~04)의 반경과 높이는 10~15mm, 8~15mm였다. 원통형 블록(02~04) 중심과 U-플레이트(05) 후단 사이의 거리는 45~65mm였다. 수치 시뮬레이션 분석을 사용하여 고정 장치 설계가 더욱 최적화되었습니다. 또한, 원통형 블록(02)의 하부면과 원통형 블록(03)의 상부면을 연마하여 신체의 정상적인 생리학적 경추전만곡률에 맞도록 하였다.
Fixture는 그림 1과 같이 통합 보철물과 DCI(Dynamic Cervical Implant), Z-braze Dynamic Fusion 및 Prestige LP와 같은 대부분의 다른 ACD 보철물과 함께 작동할 수 있었습니다. 다양한 ACD 중에서 DCI는 척추 운동학을 유지하는 단일 구성 요소 U자형 임플란트로 다른 유형의 보철물에 비해 인접한 연조직에 최소한의 영향을 미칩니다[24]. DCI의 U자형 개방형 구조는 임플란트의 수치 시뮬레이션 중에 정적 및 동적 동작을 직접 관찰하는 데 더 유리합니다. 따라서 자연 경추를 대체하여 설계된 생체모방 피로시험 치구의 유효성을 연구하기 위한 ACD 표본으로 DCI(길이 14mm, 너비 16mm, 두께 0.8mm)를 선택했습니다. 정적 및 동적 실험에서.
2.1.2. 피로 테스트 장치의 기능성 생체공학
DCI가 있는 피로 시험 치구와 DCI가 있는 경추의 기하학적 모델이 확립되었으며, 이는 유한 요소 분석 소프트웨어 ANSYS Workbench 160(Ansys, Canonsburg, PA, USA)에 입력되고 표 1[25,26]에 표시된 대로 해당 재료 특성.
정적 테스트 중 C5-C6 경추 분절 내 DCI의 등가 응력 및 변형에 대한 수치 계산에서 시체 기증자의 경추를 사용한 생체 역학 테스트의 최대 일상 하중 매개변수를 따랐습니다. 즉, 73.6N 예하중이 C5의 상단 표면에 적용되었으며 굴곡 운동을 위한 추가 1.8Nm 굴곡 모멘트와 연장을 위한 1.8Nm 확장 모멘트 또는 굽힘을 위한 1.{10}} Nm 측면 굽힘 모멘트가 각각 적용되었습니다. , 유한 요소 모델 [26-28]에서는 C6의 바닥 표면이 6 자유도로 고정되었습니다.
생체모방 피로시험 치구를 이용한 정적시험의 시뮬레이션은 ASTM F2346에 따른 정적 및 동적시험의 일상적인 하중인 200 N 하중을 직육면체 블록의 상부면에 가하였다. 01, 실린더 04의 하부 표면은 6자유도로 고정되었다[19,29,30]. 또한, DCI의 중심과 직육면체 블록(01) 사이의 거리를 미세하게 조정함으로써 직육면체 블록(01)의 상면에 가해지는 힘과 편심 거리를 곱하여 추가 등가 모멘트를 얻을 수 있다. 마지막으로, 피로 시험 치구 내 DCI의 등가 응력 및 변형은 유한 요소 시뮬레이션 소프트웨어 ANSYS Workbench 16.0(Ansys, Canonsburg, PA, USA)을 사용하여 계산되었습니다. 피로 테스트 고정 장치 내 DCI의 등가 응력 및 변형은 생체 모방 피로 테스트 고정 장치의 매개변수를 더욱 최적화함으로써 인간 C5-C6 경추 분절 내 것과 유사하게 만들 수 있습니다.
2.2. 피로 시뮬레이션 및 피로 시험 과정
C5-C6 경추 분절 및 최적화된 피로 테스트 장치 내 DCI의 이전 분석 결과는 FE-SAFE6.5 소프트웨어(Dassault Systèmes Simulia Corp., Providence, RI, USA)에 입력되었습니다. FE-SAFE6.5 소프트웨어에서 Seegers의 재료 데이터 추정 방법에 따라 인장강도와 탄성계수를 입력하여 SN 곡선을 생성하였으며, 이후 이를 수정하였다[31,32]. 삼각파 로드 채널 파일에는 10Hz의 주파수가 적용되었습니다. 평균 응력 보정을 위해 Goodman 방법을 사용하였고, 피로 수명 해석은 SN 곡선에 따라 수행되었습니다. 피로계산 후 해석 결과를 ANSYS Workbench 16.0(Ansys, Canonsburg, PA, USA)에 재입력하여 후처리를 수행하였다.
현재 피로 실험에서 DCI는 최적화된 매개변수의 생체 모방 피로 테스트 장치에서 에폭시 AB 접착제로 원통형 수산화인회석으로 채워진 에폭시 블록 02와 03 사이에 고정되었습니다. 이는 DCI 보철물의 상부 및 하부 표면과 임플란트 이후 해당 척추체 사이의 뼈 유합을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 경추부 생체역학적 테스트의 하중 매개변수는 블록의 기하학적 중심과 인공 경추 디스크의 회전 중심 사이의 거리를 조정하여 ASTMF2346을 기반으로 한 정적 및 동적 테스트와 일치했습니다. 그런 다음 그림 1과 같이 DCI와 함께 고정구를 Instron-8874 피로 시험기(Instron Corporation, Canton, MA, USA)의 바이스와 액츄에이터 사이에 고정했습니다. 피로 실험 중, 다양한 모멘트를 제공하기 위해 치구에 계산된 편심 위치에 해당 하중을 가했습니다. 마지막으로 피로파괴가 발생할 때까지 피로시험을 실시하였다. 그렇지 않은 경우 생체모방 피로 테스트 장치에서 8천만 주기에 도달할 때까지 테스트를 계속했습니다.
3. 결과
3.1. 생체모방 피로 테스트 장치의 최적화
굴곡 조건 하에서 인간 C5-C6 자궁 경부 분절 내 순수 Ti DCI의 최대 변형은 그림 2와 같이 0.57 mm로 수치적으로 계산되었습니다. 피로 내 DCI의 응력을 토대로 테스트 치구는 C5-C6 경추 분절 내의 치구와 유사하며, 다양한 매개변수의 설계된 피로 테스트 치구 내 순수 Ti DCI의 변형이 수치적으로 계산되어 그림 3과 4에 표시됩니다. 다른 요소가 동일한 경우 최대 Figure 3과 같이 재료의 탄성계수와 U-plate(05)의 두께와 폭이 각각 증가함에 따라 변형이 현저히 감소한 반면, 직육면체 블록(01)의 길이, 폭, 높이와 원통형 블록 02-04의 반경과 높이는 그림 4a-e에 표시된 것처럼 DCI의 최대 변형에 대한 명확한 영향이 부족했습니다. 또한, DCI의 최대 변형은 그림 4f와 같이 원통형 블록(02-04)의 중심과 U-플레이트(05)의 후면 끝 사이의 거리가 증가함에 따라 천천히 증가했습니다. 마찬가지로, 굴곡 조건 하에서 DCI의 변형에 대한 위에서 언급한 요인의 영향 경향은 신장 또는 측면 굽힘 조건 하의 DCI의 경향과 일치합니다. 마지막으로, 설계된 생체 모방 피로 테스트 장치 내와 인간 C5-C6 자궁 경부 부분 내에서 DCI의 응력과 변형의 일치를 유지함으로써 다양한 설계 요소의 최적화가 수행되었습니다.
3.2. 정적 모드에서 최적화된 설비 내 DCI 시뮬레이션
C5-C6 경추 분절 내 및 굴곡 조건에서 최적화된 피로 테스트 장치 내 순수 Ti DCI의 등가 응력 윤곽이 그림 5에 나와 있습니다. 피로 테스트 장치 내 순수 Ti DCI의 최대 등가 응력 는 396.5 MPa로 C5-C6 자궁 경부 분절 내의 DCI 결과인 394.6 MPa와 잘 일치했습니다. 더 중요한 것은 두 최대 등가 응력이 모두 DCI의 동일한 위치에 나타났다는 것입니다. 또한, 순수 Ti 및 Ti6Al4V의 DCI의 등가 응력 윤곽은 그림에 표시된 대로 C5-C6 경추 세그먼트 내의 DCI와 유사한 피로 테스트 치구 내의 다양한 하중 조건에서 시뮬레이션되었습니다. 6.
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