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估☆◇

吴靖平1，陈统一2，陈中伟◇ 2，王以进3

课题背景：采用人工髓核能通过恢复髓核摘除后脊柱的稳定性和运动性紊乱，减少椎间盘手术长期并发症，是目前脊柱外科的研究方向之一。聚乙烯醇水凝胶人工髓核有良好的生物相容性和生物力学特性，有望应用于临床。本实验通过观察两种不同模量聚乙烯醇水凝胶人工髓核植入对椎间盘黏弹性的并影响建立相应的力学模型，为人工髓核的研制提供科学依据。

偏倚或不足：本实验为体外力学实验，而且剔除了腰椎上附着的肌肉，无法完全模拟正常人体腰椎活动时的静态和动态变化。由于受到尸体来源限制，本实验中腰椎标本数量不足，且均为青年脊柱标本，与老年性退变脊柱的实际情况存在一定差别。

同行评价：文章选题紧贴临床，采用实验的方法对正常和植入人工髓核的椎间盘分别进行了蠕变和松弛测试，比较分析了两种不同弹性模量的聚乙烯醇水凝胶人工髓核的粘弹性性能，证实了人工髓核置换的生物力学意义，并得到这两种水凝胶假体的粘弹性性能比正常椎间盘差，有待在假体研制过程中进一步对材料加以改进，为人工髓核研制提供了科学依据。

1上海复旦大学附属金山医院骨科，上海市200540；
2复旦大学附属中山医院骨科，上海市 200032；3上海大学生物力学研究所，上海市 200436

吴靖平☆，男，1971年生，浙江省海盐县人，2003年复旦大学毕业，博士，副主任医师，主要从事脊柱外科研究。
wu_j_p@hotmail. com

摘要
背景：人工髓核假体在理论上能够恢复脊柱的稳定性，减少椎间盘髓核摘除后的并发症，但目前对其黏弹性的研究却甚少。
目的：与正常腰椎间盘的黏弹性特性对比，评估两种不同弹性模量（3 MPa和1 MPa）水凝胶人工髓核对黏弹性变化的影响。
设计、时间及地点：自身对照实验，于2002-11/2003-03在上海大学生物力学研究所试验室完成。
材料：弹性模量为3 MPa和1 MPa的两种聚乙烯醇水凝胶人工髓核由美国Everblooming公司提供。7具新鲜青壮年腰椎脊柱标本L4~5脊柱功能单元
方法：在完整椎间盘和分别植入两组不同的水凝胶人工髓核。3种状态下，利用实验应力分析方法进行蠕变和松弛特性研究，并通过建立三参数力学模型计算蠕变和应力松弛方程。
主要观察指标：①完整椎间盘和分别植入两组不同的水凝胶人工髓核后脊柱功能单元的蠕变和应力松弛曲线。②三参数力学模型的数学公式。
结果：蠕变和应力松弛曲线变化和数学公式均表明弹性模量为3 MPa和1 MPa的人工髓核植入后的椎间盘均与正常椎间盘有相似的蠕变和应力松弛规律，其中3 MPa假体与正常椎间盘更为接近。
结论：水凝胶人工髓核具有良好的黏弹性特性，弹性模量为3 MPa的髓核假体更加适合。
关键词：人工髓核；人工器官；椎间盘；黏弹性；生物材料

吴靖平，陈统一，陈中伟，王以进.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估[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(19):3655-3658 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-19/19k-3655(ps).pdf]

中图分类号: R318
文献标识码: B
文章编号: 1673-8225
(2008)19-03655-04

Viscoelasticity of the polyvinyl hydrogel prosthetic nucleus pulposus with two different kinds of elastic modulus

Abstract
BACKGROUND:Prosthetic nucleus can restore the stability of the spine and reduce the complication after intervertebral disc nucleus pulposus excision. But, researches on the viscoelasticity of the prosthesis are few.
OBJECTIVE: To compare with the viscoelastic characteristic of normal lumbar intervertebral disc, and to assess the effect of the two different kinds of hydrogel nucleus prostheses (elastic modulus are 3 MPa and 1 MPa) on the viscoelasticity.
DESIGN, TIME AND SETTING: The self-control observation experiment was conducted at the Laboratory of Institute of Biomechanics, Shanghai University from November 2002 to March 2003.
MATERIALS: Two kinds of polyvinyl alcohol hydrogel nucleus with elastic modulus of 3 MPa and 1 MPa were provided by Everblooming, USA. Seven L4-5 functional spinal units (FSU) from fresh young cadavers were used in the test.
METHODS: Under three different conditions (intact and the two different groups of prostheses after implantation), the characteristic of creep and stress relaxation were analyzed by measuring the deformation and the stress. A three-parameter mechanical model was established to calculate the formulae of creep and relaxation.
MAIN OUTCOME MEASURES: ①The creep and stress relaxation curve of the FSU in the intact group and the other two groups after different prostheses implantation. ②The formulae of three-parameters mechanical model.
RESULTS: The curves of creep and stress relaxation and the mathematic formulae indicated that after the two groups of prostheses were implanted separately, the trends of the replaced disc were similar to that of the intact discs, especially the 3 MPa prosthesis.
CONCLUSION: The two kinds of nucleus prostheses have a good viscoelastic characteristic. The prosthesis whose elastic modulus is 3 MPa is better.

Wu JP, Chen TY, Chen ZW , Wang YJ.Viscoelasticity of the polyvinyl hydrogel prosthetic nucleus pulposus with two different kinds of elastic modulus.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(19):3655-3658(China)
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-19/19k-3655(ps).pdf]

腰椎间盘退变和突出是临床上引起下腰痛的主要病因之一[1-2]。各种椎间盘切除手术由于解除了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]，但由于术后椎间盘承重作用的丧失，产生了一系列生物力学紊乱，影响了长期效果[7]。在理论上人工椎间盘和人工髓核能通过恢复椎间盘摘除后脊柱的稳定性和运动性从而减少长期并发症，近年来成为脊柱外科的研究热点[8-11] 。相关研究表明，聚乙烯醇水凝胶具有良好的生物相容性和生物力学特性[12-15]。然而，对于假体植入后对脊柱蠕变和应力松弛等黏弹性性质的影响，国内外尚缺乏相关的研究。本实验通过观察两种不同模量聚乙烯醇水凝胶人工髓核植入对椎间盘黏弹性的并影响建立相应的力学模型，为人工髓核的研制提供科学依据。

设计：自身对照观察，重复测量实验。
单位：课题研究单位复旦大学附属金山医院和中山医院骨科，合作单位上海大学生物力学研究所。
材料：实验于2002-11/2003-03在上海大学生物力学研究所试验室完成。
人工髓核试样：全部是由美国Everblooming公司提供的新型聚乙烯醇水凝胶人工髓核（Evergel），其弹性模量为3 MPa和1 MPa。假体为椭圆形，横径为21 mm，矢径15 mm，高度为9 mm。
标本：采用7具新鲜青壮年腰椎脊柱标本（均为急性意外死亡，家属同意捐献），经过X射线摄片排除退变畸形等异常后，完整截取包含L4、L5椎体及中间椎间盘的脊柱功能单元，剔除附着的肌肉，保留腰椎附件和韧带等结构的完整性，双层塑料袋密封，低温保存。
仪器：力学测试采用国产WE-5液压万能试验机，用数字式应变仪（YJ-14）读取和观察应变变化，辅以千分表、光栅栏移位传感器（KQ-101）作应变、位移变化测量的参考。
技术路线：
力学模型的建立：蠕变是指椎间盘在一恒定应力 σ0的作用下其应变随时间延长而增加的现象。为拟合实验曲线，作者选取了Voigt模型与一个弹簧串联而成的三参数模型[16]，如图1所示。
模型中，弹簧服从虎克定律，应力-应变曲线成正比，形变瞬时即可达到平衡；粘性牛顿液体的粘性系数为η，根据牛顿粘性定律，应变率ε与应力成正比。

蠕变方程：由三参数力学模型性质可知，在应力恒定σ=σ0时，系统的总应变ε，总应力及应变率等力学参数构成应变与时间的关系式。蠕变方程的一般表达式
ε(t)= + [ 1 - exp ( - t /τ) ]
式中τ=η/ E2，η为粘性系数，t为时间，E1、E2为弹簧弹性模量（刚性系数）。松弛指椎间盘在外力作用下产生变形，如应变保持一恒定值，其应力随时间延长而逐渐减小的现象。由力学模型推导得到材料的三参数材料的本构关系，即松弛方程
σ(t) = ( )ε0+ ( )ε0e-t/P1

式中，t为时间，E1、E2为弹簧刚性系数，σ为应力，ε0 为初始应力σ0下的应变值。
测试方法和顺序：实验前将标本逐级解冻，在脊柱功能单元上下两端浇注聚甲基丙烯酸甲酯平台。按照实验应力分析要求进行粘贴电阻应变片、接线、密封、温度补偿等电测技术准备。首先进行正常椎间盘组的蠕变和松弛测试。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后，按随机顺序先后植入两种假体不同弹性模量的假体（3 MPa 组和1 MPa 组），1-0丝线间断缝合纤维环切口，重复进行测量。
蠕变试验：试验机固定压头，在试验机应力σ= σ0=0.2 MPa并保持恒定的情况下，观察并记录各组椎间盘应变随时间而变化的历程。
松弛试验：控制试验机令椎间盘保持恒定应变= 2 000 με，观察并记录各组椎间盘应力随时间变化而变化的历程。
主要观察指标：蠕变试验时椎间盘应变；松弛试验时椎间盘应力；力学模型：蠕变和松弛方程。
设计、实施、评估者：实验设计为第一、二作者，实施和评估为第一、四作者，应力实验采用单盲法评估，评估者均接受过正式培训。
统计学分析：由第一、四作者进行统计学处理。数据用统计软件Stata 7.0进行重复测量数据模型（Mixed Model）分析，设定P < 0.05为差异有显著性意义，P < 0.01为差异有非常显著性意义。

统计显示，将3 MPa组和1 MPa组与正常组之间的差值相比较，差异有非常显著性意义（P < 0.01），表明弹性模量为3 MPa的水凝胶人工髓核在蠕变性能上比 1 MPa人工髓核更接近于正常椎间盘。
根据以上数值计算相应的蠕变参数和蠕变方程
正常椎间盘:με(t)=1 400+410[1-exp ( -t/312.205)]
3 MPa人工髓核:με(t)=2 300+1 200[1-exp ( -t/588.617)]
1 MPa人工髓核:με(t)=3 100+1 712[1-exp ( -t/594.941)]
结果表明：①整个蠕变过程先是定常加载，蠕变率高，椎间盘被迅速压缩，然后标本变形速度逐渐开始降低，最后进入平衡阶段，标本变形趋于常数，极限时蠕变率可达到零。②各组标本的蠕变率均随时间增加而降低，呈现黏弹性的共同特征，其承载能力与髓核的力学性质相关。它们的刚度不仅由力和变形所决定，而且与时间相关。③从蠕变方程的各项参数来看，3 MPa组人工髓核与1 MPa组置换后的椎间盘相比，前者更接近于正常。
2.2 松弛试验结果各组椎间盘的松弛曲线见图3。

统计显示，将3 MPa组和1 MPa组与正常椎间盘N组之间的差值相比较，差异有非常显著性意义（P < 0.01），表明3 MPa组水凝胶人工髓核在应力松弛性能上比1 MPa组更接近于正常椎间盘（P < 0.01）。
根据以上数值计算相应的松弛参数和松弛方程：
正常椎间盘：σ(t) =0.621+0.072e-t/224.953
3 MPa人工髓核：σ(t) =0.146+0.121e-t/342.609
1 MPa人工髓核：σ(t) =0.038+0.162e-t/452.354
结果表明：①实验历程显示，3 MPa组及1 MPa组和正常椎间盘的应力松弛曲线相似，开始阶段松弛率较大，随时间延长逐渐减小，最后进入平衡阶段，松弛率趋近于零。②三组应力松弛相比较，正常椎间盘最好，初始松弛率较小，平衡时载荷较大，而人工髓核标本相对来说比较差。③从松弛方程的各项参数来看，3 MPa组比1 MPa组更接近于正常组。

椎间盘具有明显的黏弹性特征[17]，这主要是由于以下两种作用引起。首先是组成椎间盘结构中的胶原纤维等生物大分子在外部载荷作用下会发生构象变化和移位。另外，椎间盘与椎体之间特殊的液体交换过程也有着重要影响。从椎间盘的结构上看，与髓核毗邻的软骨终板内具有大量微孔。它们与椎体松质骨中的空隙连通形成可渗透系统，能够进行液体交换。当载荷增加时，椎间盘受压变形，水分通过软骨终板向椎体的松质骨内扩散，椎间盘内液体含量减少，高度进一步被压缩。去除载荷后，液体重新回流入椎间盘髓核内，椎间盘高度恢复。这种过程可以加强椎间盘的缓冲震荡和均匀分散载荷的“弹簧垫”作用。
合适的瞬时刚度和蠕变刚度均是椎间盘假体正常发挥功能的前提条件。椎间盘明显的黏弹性特性，其刚度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。从曲线和公式中均可以看到，当椎间盘受到一恒定载荷时，其变形是呈指数形式变化的。而且随着蠕变的发生，椎间盘的刚度也不断增加。由于脊柱经常承受长时间的应力，假体植入后蠕变刚度的变化比瞬时刚度更为重要。在不同大小、不同持续时间的载荷作用下，置换椎间盘应该体现出内部构型和液体含量的变化过程，并通过这种变化将应力均匀分散至纤维环等周围结构中，从而起到缓冲震荡、均匀分散应力的作用。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。对于假体的应力松弛特性也同样如此。黏弹性不匹配的假体长期植入后也会导致晚期脊柱退行性变的发生。一些椎间盘假体长期植入后会出现椎体前后缘骨赘增生、椎间隙高度降低等现象，可能与其黏弹性不佳有关。只有正确适应椎间盘不断变化的刚度才能更好发挥假体的生物力学保护作用。在压力变化下水凝胶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。
从实验结果来看，水凝胶髓核假体植入后无论是蠕变还是应力松弛曲线，置换后的脊柱运动节段的变化趋势都与正常椎间盘非常相似，而且3 MPa试样的曲线比 1 MPa更接近正常曲线。这表明植入实验所采用的水凝胶假体，尤其是3 MPa假体的黏弹性性质与正常椎间盘相近，从而能改善置换节段的蠕变和松弛性能。当然，目前这两种水凝胶假体的黏弹性性能尚比正常椎间盘差，可能会增加周围结构的应力，这有待于在今后假体研制过程中进一步对材料加以改进，通过调节其吸入和释出水分的速度来调节其黏弹性特性，使之与人体髓核更加匹配。
Markolf等[18]认为由于髓核具有类似液体那样不可压缩的力学特性，承载时椎间盘的黏弹性主要由纤维环决定，即使髓核部分甚至全部切除也不会影响蠕变和松弛曲线。但Iatridis等[19]发现在动态加载中髓核组织也会部分表现出可以被压缩的黏弹性固体特征。从本研究中可以看出，在长时间加载过程中，无论是将正常椎间盘与假体置换后的椎间盘相比较，还是将不同模量的髓核假体置换后椎间盘的黏弹性变化情况相比较，其蠕变和松弛特性均发生了显著变化。这说明髓核在载荷作用下发生的黏弹性变化对整个椎间盘的蠕变和松弛曲线还是有着很大的影响，同时也说明人工髓核置换有其生物力学意义。
生物力学研究中常见的黏弹性模型主要有Maxwell黏弹性流体模型、Voigt固体模型和标准三元件固体模型等3种力学模型。但Maxwell模型不能反映蠕变行为，而Voigt模型不能反映应力松弛现象[20]。标准三元件模型则将前两种模型加以组合，克服了以上的缺陷。从实验结果来看，本文采用的这种三参数模型（标准三元件固体模型），计算简便，能很好地拟合椎间盘蠕变和应力松弛变化。通过建立这种理想化的方程，可以定量观察任一参数（应力、应变、时间）的改变对整个脊柱运动节段黏弹性性质的影响，简化了实验和计算过程，并为深入研究椎间盘的黏弹性变化和评价人工椎间盘材料提供了科学简便的研究模型。

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