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3D打印聚醚醚酮(PEEK)基复合材料人工椎体力学性能的有限元研究
被引量：
1
1
作者
孙闯
乌日开西·艾依提
滕勇
《中国脊柱脊髓杂志》
北大核心
2025年第5期528-537,共10页
目的:通过有限元法分析3D打印的聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)基复合材料的个性化人工椎体置入后的力学性能及对相邻组织的影响。方法:提取一名男性健康志愿者的腰椎CT扫描数据进行三维重建,构建腰椎(L1~L5)有限元模型,仿真各体...
目的:通过有限元法分析3D打印的聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)基复合材料的个性化人工椎体置入后的力学性能及对相邻组织的影响。方法:提取一名男性健康志愿者的腰椎CT扫描数据进行三维重建,构建腰椎(L1~L5)有限元模型,仿真各体态下不同腰椎节段的活动度,并通过与以往研究文献研究数据比较进行有效性验证。模拟全椎体切除术(total en bloc spondylectomy,TES)切除L3椎体及相邻椎间盘,基于人工椎体的设计原则,设计了个性化人工椎体,并采用后路固定的方式使用钛合金钉棒与相邻腰椎固定。人工椎体内部设计为30%、50%、70%致密度的蜂窝结构,选择PEEK/羟基磷灰石(hydroxylaptite,HA)复合材料作为个性化腰椎人工椎体外部壳体,以PEEK/碳纤维(carbon fiber,CF)材料作为内部填充物。通过Vicon Nexus系统得到直立、前屈、后伸、侧弯、旋转状态下椎体所受力和力矩,作为有限元分析的边界条件,选择合适的植骨孔大小和壳体厚度,对人工椎体内部使用不同致密度的六边形蜂窝进行填充,通过改变皮质骨和松质骨的弹性模量建立青壮年组和中老年组模型,对模型进行有限元仿真,通过统计分析人工椎体、固定系统和相邻上下终板在不同运动状态下的最大应力值以及人工椎体的应力遮挡率的大小,分析人工椎体的性能优劣。结果:人工椎体最大应力值(42.25MPa)低于PEEK/HA的屈服强度(65MPa),内部蜂窝最大应力值(26.38MPa)低于PEEK/CF的屈服强度(90MPa),钉棒固定系统的最大应力值(271.75MPa)低于钛合金的屈服强度(900MPa),相邻终板最大应力值(7.87MPa)低于软骨终板的屈服强度(50MPa),中老年组30%蜂窝致密度的人工椎体应力遮挡率最低。结论:3D打印的PEEK基复合材料人工椎体可以较好地完成TES后腰椎结构的重建,具有较好的生物力学稳定性。
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关键词
人工椎体
聚醚醚酮
有限元
应力遮挡率
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职称材料
题名
3D打印聚醚醚酮(PEEK)基复合材料人工椎体力学性能的有限元研究
被引量：
1
1
作者
孙闯
乌日开西·艾依提
滕勇
机构
新疆
大学智能制造现代产业学院
中国人民解放军新疆军区总医院脊柱外科
新疆
医科大学研究生院
出处
《中国脊柱脊髓杂志》
北大核心
2025年第5期528-537,共10页
基金
国家自然科学基金项目(52065063)
新疆自治区自然科学基金项目(2023D01C93)
文摘
目的:通过有限元法分析3D打印的聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)基复合材料的个性化人工椎体置入后的力学性能及对相邻组织的影响。方法:提取一名男性健康志愿者的腰椎CT扫描数据进行三维重建,构建腰椎(L1~L5)有限元模型,仿真各体态下不同腰椎节段的活动度,并通过与以往研究文献研究数据比较进行有效性验证。模拟全椎体切除术(total en bloc spondylectomy,TES)切除L3椎体及相邻椎间盘,基于人工椎体的设计原则,设计了个性化人工椎体,并采用后路固定的方式使用钛合金钉棒与相邻腰椎固定。人工椎体内部设计为30%、50%、70%致密度的蜂窝结构,选择PEEK/羟基磷灰石(hydroxylaptite,HA)复合材料作为个性化腰椎人工椎体外部壳体,以PEEK/碳纤维(carbon fiber,CF)材料作为内部填充物。通过Vicon Nexus系统得到直立、前屈、后伸、侧弯、旋转状态下椎体所受力和力矩,作为有限元分析的边界条件,选择合适的植骨孔大小和壳体厚度,对人工椎体内部使用不同致密度的六边形蜂窝进行填充,通过改变皮质骨和松质骨的弹性模量建立青壮年组和中老年组模型,对模型进行有限元仿真,通过统计分析人工椎体、固定系统和相邻上下终板在不同运动状态下的最大应力值以及人工椎体的应力遮挡率的大小,分析人工椎体的性能优劣。结果:人工椎体最大应力值(42.25MPa)低于PEEK/HA的屈服强度(65MPa),内部蜂窝最大应力值(26.38MPa)低于PEEK/CF的屈服强度(90MPa),钉棒固定系统的最大应力值(271.75MPa)低于钛合金的屈服强度(900MPa),相邻终板最大应力值(7.87MPa)低于软骨终板的屈服强度(50MPa),中老年组30%蜂窝致密度的人工椎体应力遮挡率最低。结论:3D打印的PEEK基复合材料人工椎体可以较好地完成TES后腰椎结构的重建,具有较好的生物力学稳定性。
关键词
人工椎体
聚醚醚酮
有限元
应力遮挡率
Keywords
Artificial vertebral body
Polyetheretherketone
Finite elements
Stress occlusion rate
分类号
R318.01 [医药卫生—生物医学工程]
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题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
3D打印聚醚醚酮(PEEK)基复合材料人工椎体力学性能的有限元研究
孙闯
乌日开西·艾依提
滕勇
《中国脊柱脊髓杂志》
北大核心
2025
1
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